基于正向开发的商用车平顺性主客观评价方法研究

王 伟，尹志浩，申富强，谭荣彬

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005）

0 引言

伴随经济的发展，国内交通运输业蓬勃发展，随之而来的商用车领域发展水平越来越高，竞争日趋激烈。人们对商用车平顺性要求也不断提高，一部平顺性好的卡车已成为用户最基本的需求，直接影响用户购车意向。如何提升平顺性，已成为各主机厂NVH 工作的重要内容之一，建立基于用户体验的平顺性主客观评价体系，也就成为当务之急。基于商用车产品正向开发和用户对平顺性的主观感受要求，研究了客观评价指标及其相对应的主观评价项，并通过分析大量主客观评价样本，得出客观指标值和主观评分的对应关系，并推广应用。

1 平顺性主观评价和客观测试概述

1.1 平顺性主观评价方法及体系

汽车的平顺性是指汽车行驶过程中产生的振动和冲击对于乘员舒适度的影响，因此平顺性评价主要依据乘员主观感受来评价[1]。主观评价一般是由有经验的驾驶员和乘员组成的评价小组，按预定的方案来驾驶、感受车辆在特定路况行驶时的表现，然后进行主观打分，最终得到车辆的评价结果。

平顺性主观评价体系是包括评价路况、驾驶方法、评价项目、打分标准等综合评价体系。近年来，国内对平顺性主观评价体系的研究较为深入，各主机厂、汽研中心均已有比较成熟的评价体系，主观评价项目日趋繁多，评分体系也不尽相同，对试验人员、开发设计人员使用要求较高，适用性不佳。某主机厂平顺性评价指标见表1。

表1 某主机厂平顺性评价指标

1.2 平顺性客观测试方法及指标

国际标准ISO2631[2]明确给出了振动频率、振动强度、振动方向以及暴露时间对人体的感觉的影响，提出了用1/3 倍频带评价方法和总加权加速度均方根值的方法来计算客观评价指标，有一定的科学性和合理性，但不足以支撑产品正向开发，不能适应概念设计阶段的评价要求和优化分析。我国在这方面的研究起步的晚，20 世纪80 年代初，清华大学、长春汽车研究所等单位率先采用了ISO2631 国际标准进行了汽车道路行驶平顺性的研究，并于1985 年制定的“汽车平顺性随机输入行驶试验方法”和“汽车平顺性单脉冲输入行驶试验方法”[3]。在此基础上，我国在1986 年发布了GB/T 5902-1986 汽车平顺性试验方法，经过数次修改，形成了比较完整的平顺性试验方法。

GB/T 4970-2009 汽车平顺性试验方法[4]是参照ISO2631-1997“机械振动与冲击 人体暴露于整体振动的评价 第1 部分：总要求”，规定了汽车在脉冲输入行驶和随机输入行驶工况下的平顺性测试方法，标准中详细说明了道路条件、数据处理方法。

1.2.1 脉冲输入行驶试验

汽车脉冲输入振动属于大振动，会在瞬间产生很强的冲击载荷，如果超过限值，必然会造成零部件损坏，对车辆安全性和可靠性产生影响。脉冲输入行驶试验，即驾驶汽车以规定车速匀速通过障碍，考察车辆对单一冲击激励的表现。

国标规定了脉冲输入行驶评价方法，即当振动峰值波形系数小于9 时，用监测点最大（绝对值）加速度响应Z¨max评价，当振动峰值波形系数大于9 时，增加振动剂量值VDV的辅助评价方法，算式为（1）和式（2）。

式中：n为脉冲试验有效试验次数，n≥5；为最大（绝对值）加速度响应为第j次试验结果的最大（决定值）加速度响应。

式中：（t）为加权加速度时间历程；T为作用时间。

该评价方法所规定的评价指标与振动峰值波形系数有关，当振动峰值波形系数小于9 时，仅用最大（绝对值）加速度响应进行评价，无法反映车辆脉冲输入行驶整个作用时间内的表现，同时也缺少与客观指标相对应的主观评价项，在工程应用和指导设计方面有局限性。

1.2.2 随机输入行驶试验

汽车随机输入振动是由随机路面不平引起的振动。随机路面可视为较平稳、可用频域或时域模型来描述的路面[5]。我国平顺性试验方法规定了随机路面试验条件，将0.5～ 80 Hz 频率范围划分为23 个频率带，各频率带对应加权系数因位置、方向不同而不同，并给出了车辆随机路面总的加权加速度均方根值及其与主观感受之间的对应关系。该评价方法适用于不同车辆随机输入平顺性总体水平对比，不适于指导平顺性正向开发及工程应用。

2 商用车平顺性主观评价方法和客观评价指标

现存的商用车平顺性主观评价体系项目多、专业性强，不适合普通设计工程师及实验人员使用；平顺性客观评价指标不能反映主观感受和指导平顺设计开发，急需一种可指导设计开发、适用于普通设计人员和试验人员使用的平顺性主观评价方法和客观评价方法。

商用车主机厂平顺性开发验证，一般选取典型的路况（城市道路、高速公路、二级公路、修补沥青路面、粗糙沥青路面、减速带等）、以不同的车速和载荷状况行驶来进行评测，按路面分类可分为随机路面评价和脉冲路面评价[6]。

2.1 随机路面行驶平顺性主客观评价方法建议

随机路面包括城市道路、高速公路、二级公路等较平稳的道路。通常，商用车底盘悬架减振系统、驾驶室悬置减振系统的偏频都较低，一般在0～ 6 Hz 范围内，车架弯扭以及其他局部模态一般在6～ 20 Hz范围内，因此商用车驾乘人员所感受到的振动频率在20 Hz 以内。某牵引车随机路面司机座椅处垂向振动加速度频域曲线如图1 所示。

图1 某牵引车司机座椅加速度频谱

上图中主要振动频率集中在1.5 Hz、2.5 Hz 和11.5 Hz 附近，其中1.5 Hz 与前悬架和驾驶室悬置偏频接近，2.5 Hz 与后悬架偏频接近，11.5 Hz 与车架Y向弯扭频率和簧下偏频接近。在商用车平顺性开发过程中，根据商用车各减震系统的系统特性及驾乘人员所感受到的振动响应，从频域上将振动分为一阶振动和二阶振动，对应频率范围分别为0～ 6 Hz 和6～20 Hz，来定义主客观评价指标。通过分频评价，设计人员可根据评价结果快速找出故障频率范围，进而确定需要改善的减震系统。总体思路如图2 所示。

图2 随机路面主客观评价思路

首先，测试人员驾驶车辆在随机路面上行驶，通过加速度传感器采集振动加速度数据。然后，对采集到的振动加速度数据进行傅里叶变化，得到加速度频域数据[7]。再对加速度频域曲线分频（分频点6 Hz）计算有效值，得到0～6 Hz 范围内的有效值和6～ 20 Hz范围内的加速度频域有效值，即为客观评价的两个指标。

测试人员在测试同时进行主观评价，评价项包括一阶振动和二阶振动两个方面。其中，一阶振动考察车辆0～ 6 Hz 的低频振动，可从振动幅度大小、收敛快慢、是否突兀等方面评价；二阶振动考察车辆6～20 Hz 的振动，可从路面隔绝感、振动强度、柔和度等方面评价。

上述客观评价指标0～ 6 Hz 范围内的有效值和6～ 20 Hz 范围内的有效值，与主观评价项一阶振动和二阶振动，相互对应，实现主客观统一。

2.2 脉冲输入行驶平顺性主客观评价方法建议

商用车脉冲输入行驶情况是用户的常用路况之一，包括路面减速坎、坑洼路况等。平顺性开发中，通常以车辆过单一冲击障碍来考察车辆在整个作用时间内的表现，可从冲击时刻表现和冲击后的残余响应，两个方面定义主客观评价指标，总体思路没区别图3。

图3 脉冲输入行驶主客观评价思路

首先，测试人员驾驶车辆进行脉冲输入行驶试验，通过加速度传感器采集振动加速度数据。然后，对采集到的振动加速度数据进行ISO2631 加权，得到加权后的加速度数据。加权后的振动加速度第一个波峰值的绝对值和第一个波谷值的绝对值之和，即为客观评价指标之一；求加权后的振动加速度包络线（可用MATLAB 等软件绘制包络线）[8]，包络线所形成的包络面积即为客观评价指标之二。加速度加权及包络线案例见图4 和图5。

图4 加速度ISO2631 加权

图5 加权加速度包络线

测试人员在测试同时进行主观评价，评价项包括冲击强度和残余响应两个方面。其中，冲击强度考察车辆脉冲输入时刻的表现，可从冲击大小、冲击隔绝感等方面评价；残余响应考察车辆脉冲输入后至车辆平稳过程中的表现，可从残余振动大小、衰减快慢等方面评价。

上述客观评价指标中，“加权后的振动加速度第一个波峰值的绝对值和第一个波谷值的绝对值之和”与主观评价项中的“冲击强度”对应“包络线所形成的面积”与主观评价项中的“残余响应”对应，实现主客观对应和统一。

3 商用车平顺性主客观一致性研究

3.1 商用车主观评价评分标准建议

商用车主机厂平顺性评分标准应包括评分区间、区间含义、产品定义，以及给出是否需要整改的明确建议。基于用户感受和产品正向开发需要，制定的评分标准见表2。

表2 给出了勉强接受区间及临界评分点5 分，作为产品是否投放市场的判断标准，低于5 分即必须进行整改，不能投放市场。可接受的临界点为6 分，对于高端产品，必须达到6 分甚至更高的评分要求。

表2 商用车平顺性主观评分标准

3.2 随机路面平顺性主客观一致性

为实现客观评价指标与主观评价项的相互对应，组织6 名经验丰富的主观评价人员，以某普通二级路为评价路面，对17 辆商用车进行评价打分，同时采集司机座椅导轨处客观数据，结果见表3。

表3 随机路面客观数据与主观评分结果

表3 中，主观评分为各评价人员的综合评分，客观数据为司机座椅导轨处XYZ 各向振动频域有效值的均方根值。通过客观数据和主观评分的模糊对应，可得到客观数据区间和主观评分区间的相互对应关系，实现主客观统一，详见表4。

表4 随机路面主客观对应关系

3.3 脉冲输入平顺性主客观一致性

以车速20 km/h 匀速行驶通过单个减速带[9]，主观评价小组分别对各车辆冲击强度和残余响应进行评分，测试人员同时采集司机座椅导轨处客观数据，得到的结果见表5。

从表5 中可以看出，主观评分为各评价人员的综合评分，客观数据为司机座椅导轨处Z 向加速度响应处理后的数据。通过客观数据和主观评分的模糊对应，得到客观数据区间和主观评分区间的相互对应关系见表6。

表5 脉冲输入行驶客观数据与主观评分结果

表6 脉冲输入行驶主客观对应关系

4 商用车平顺性评价模型

4.1 评价模型建立

商用车（卡车）常用行驶路况因车辆种类不同而不同，按常用行驶路况分为三类。第一类自卸和专用车类，常用场景为工地、矿山等较为恶劣路况，二级公路、城郊路况等路况行驶频次居中，高速路况等平直路面行驶较少；第二类轻卡载货类，常用场景为二级公路、城郊路况，高速路况等平直路面行驶频次居中，工地、矿山等较为恶劣路况行驶较少；第三类牵引和中重型载货类，常用场景为高速路况等平直路面，二级公路、城郊路况行驶频次居中，工地、矿山等较为恶劣路况行驶较少。工地、矿山等较为恶劣路况与脉冲输入行驶对应，二级公路、城郊及高速路况与随机路面行驶对应。

结合工程应用，将商用车评价路况分为二级水泥路、二级沥青路、高速水泥路、高速沥青路、单减速带，共5 种路况，其中单减速带即脉冲输入行驶路况，其他属随机路面工况。评价车速分别对应为50 km/h、50 km/h、80 km/h、80 km/h 和20 km/h。定义不同类型车辆在不同路况下的加权系数，见表7。

表7 商用车平顺性评价加权系数

表7 中各类车辆各路况权重之和均为1，同时适用于平顺性主观评价综合评分计算和客观评价综合指标计算。

4.2 应用案例

以某6X4 牵引车为评价样车，样车为带挂满载状态，评价小组和测试人员同时进行主观评价和客观测试。评价路况为二级水泥路、二级沥青路、高速水泥路、高速沥青路和单减速带，所得到的主观评分、客观指标及由客观指标对应的主观评分结果见表8、表9。

表8 随机路面应用案例

表9 脉冲输入路面应用案例

评价小组评分与由客观指标对应的主观评分基本一致，说明客观指标与主观评分的对应关系可靠，验证了主客观统一。

基于评价模型计算得到的平顺性主观评价综合评分为6.8 分，对应评分体系表2 中的可接受、基本满意范畴，符合实车情况。客观评价综合指标为1.59 m/s2，验证评价模型可行性。

5 结论

综上所述得出以下结论：

（1）分析现有的商用车平顺性主客观评价方法，提出在指导商用车平顺性正向开发和工程应用方面的不足。

（2）基于商用车平顺性正向开发及工程应用，将评价路况分为随机路面和脉冲输入行驶路面，提出相应的商用车平顺性试验方法和主客观评价体系。

（3）开展商用车平顺性和主客观评价一致性研究，提出主客观指标的对应关系，并进行主客观一致性验证，对提升商用车平顺性和主客观一致性具有重要的指导意义。

（4）基于试验方法和主客观评价体系，提出一种商用车平顺性评价模型，并实车验证其可行性。