脈沖輸入工況下的汽車平順性影響因素分析

高潔,張軍

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連市交通口岸職業(yè)技術(shù)學(xué)校，遼寧 大連 116013；3.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044)*

車輛行駛中產(chǎn)生的振動(dòng)主要是由路面不平引起的，平順性研究就是確保車輛在行駛中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊保持在一定界限之內(nèi)，不會(huì)使駕乘人員感到不舒適、疲勞、甚至損害健康，更不能影響車輛結(jié)構(gòu)性能，危及行車安全，或是破壞車輛所承載貨物的完整度[1].

通常情況下，汽車行駛受到的是隨機(jī)振動(dòng)[2-3]載荷的持續(xù)作用，但也會(huì)遇到路面凸凹障礙物(如路面接縫處、坑洼處、減速帶等)的瞬間強(qiáng)烈沖擊作用.脈沖輸入雖然出現(xiàn)的次數(shù)較少、作用時(shí)間較短，但瞬間的大振動(dòng)往往容易引起駕乘人員的的極度不適，對(duì)健康有嚴(yán)重影響，還會(huì)造成車輛零部件和貨物的損壞，因此，研究車輛在脈沖輸入下的振動(dòng)規(guī)律是確保駕乘人員舒適性和車輛架構(gòu)安全性的重要途徑.

目前，對(duì)汽車脈沖輸入下的平順性研究主要集中在評(píng)價(jià)方法和單一影響因素方面.文獻(xiàn)[4-7]采用頻域法計(jì)算振動(dòng)加速度加權(quán)均方根值，并將其作為平順性隨機(jī)輸入的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo).文獻(xiàn)[8]考慮振動(dòng)對(duì)人體健康的影響，取座椅垂直加速度平均值作為脈沖試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo).文獻(xiàn)[9]針對(duì)某型越野汽車，通過試驗(yàn)測(cè)得車輛通過不同脈沖路況時(shí)，加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到通過不同凸塊高度的安全車速.文獻(xiàn)[10]比較同一車速下不同被測(cè)部位的振動(dòng)情況，分析懸架系統(tǒng)參數(shù)對(duì)平順性的影響.文獻(xiàn)[11]研究了脈沖輸入下簧下質(zhì)量對(duì)電動(dòng)汽車平順性的影響.但由于影響平順性的因素是綜合性的，因此，本文從多個(gè)角度對(duì)脈沖輸入工況下的平順性影響因素進(jìn)行全面、深入的研究，這對(duì)今后的汽車性能優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要意義.

本文參照GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》，在脈沖輸入下進(jìn)行了某SUV的平順性試驗(yàn)，并采用脈沖輸入的指標(biāo)限值評(píng)價(jià)法，作出車輛平順性能評(píng)價(jià)，研究車速、脈沖路況和車輛振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)平順性和車輛結(jié)構(gòu)安全的影響.

1 某SUV脈沖輸入試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)采用車輛的具體參數(shù)如下：排量為2.4 L；行駛里程為82 526 km；最高車速為185km/h；前懸架為麥弗遜獨(dú)立；后懸架為雙叉臂式獨(dú)立；整備質(zhì)量為1 620 kg；輪胎規(guī)格為225/65 R17；胎壓為220 KPa；長(zhǎng)/寬/高為4 630 mm×1855mm×1720mm；軸距為2 660 mm；前、后輪距都為1560mm.

1.2 試驗(yàn)條件

依據(jù)GB/T 5902-1986《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》的規(guī)定，選擇一段長(zhǎng)約500 m，中間有2個(gè)間隔280 m減速帶的平整瀝青路面.

減速帶截面示意圖，如圖1所示.

圖1 減速帶截面示意圖

試驗(yàn)時(shí)，在駕駛員和座椅之間放置安裝傳感器墊盤，確保傳感器要與駕駛員緊密接觸.車速儀監(jiān)控車速，保證車速偏差在±4%以內(nèi).測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，頻響范圍不小于0.1～200 Hz.儀器具有指示峰值和均方根值的功能.

試驗(yàn)車輛分別以10、20、30、40 km/h的速度完成測(cè)試，要求駕駛員雙手自然置于方向盤上，熟練駕駛車輛；試驗(yàn)人員佩戴安全帶，保持放松狀態(tài)，自然靠在靠背上.

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)汽車行駛到距減速帶50m時(shí)，穩(wěn)定在試驗(yàn)車速上，確保左右車輪同時(shí)駛過減速帶.車輛進(jìn)入測(cè)試區(qū)域后，啟動(dòng)測(cè)試儀器，記錄各測(cè)量點(diǎn)的加速度時(shí)間歷程和振動(dòng)的全過程，待汽車駛過第二個(gè)減速帶且沖擊響應(yīng)消失后，停止記錄，每種車速工況進(jìn)行5次試驗(yàn).試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中，傳感器測(cè)量駕駛員座椅、靠背、腳部地板三個(gè)測(cè)量點(diǎn)X軸(縱向)、Y軸(橫向)和Z軸(垂直)的振動(dòng)情況，如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)車輛及測(cè)量點(diǎn)布置情況

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理要求：

(1)截?cái)囝l率fc=100Hz；

(2)采樣時(shí)間間隔Δt=1/256s；

(3)最低采樣率fmin=2 000 Hz；

(4)有效分辨帶寬Δf=0.25Hz；

(5)功率譜密度計(jì)算過程中采用漢寧窗函數(shù).

2 脈沖輸入下的平順性評(píng)價(jià)方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)《汽車平順性試驗(yàn)方法》中脈沖輸入評(píng)價(jià)的相關(guān)內(nèi)容，將振動(dòng)加速度(絕對(duì)值)最大值|aw(t)|max作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，按下式計(jì)算：

式中：n是脈沖試驗(yàn)有效次數(shù)；|aw(t)|max是振動(dòng)加速度(絕對(duì)值)最大值；|aw(t)|maxi是第i次試驗(yàn)的振動(dòng)加速度(絕對(duì)值)最大值.

依據(jù)文獻(xiàn)[12]運(yùn)用ISO2631新草案中對(duì)健康的評(píng)價(jià)方法，得到脈沖輸入下的最大振動(dòng)加速度指標(biāo)限值與人體健康影響的關(guān)系，如表1所示.

表1 脈沖輸入對(duì)人體健康影響的評(píng)價(jià)

本文選擇駕駛員座椅、駕駛員靠背和駕駛員腳部地板三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，采集振動(dòng)最大加速度值，并與指標(biāo)限值進(jìn)行對(duì)比，完成該車的平順性評(píng)價(jià).

3 試驗(yàn)結(jié)果及影響因素分析

外界輸入和車輛振動(dòng)系統(tǒng)是影響汽車平順性的主要原因，而外界輸入主要包括行駛車速及路面不平，振動(dòng)系統(tǒng)主要指懸架、座椅系統(tǒng)零部件的固有頻率、剛度和阻尼等參數(shù).因此，本文主要考慮車速、脈沖工況、車身、座椅減振系統(tǒng)對(duì)車輛駕乘舒適性的影響.

3.1 車速對(duì)平順性的影響

試驗(yàn)可直接獲得不同車速工況時(shí)，車輛通過兩個(gè)連續(xù)脈沖點(diǎn)位置時(shí)各測(cè)量點(diǎn)各軸向時(shí)域下的振動(dòng)加速度值.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到試驗(yàn)車輛與人體接觸的駕駛員座椅面和靠背兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)在不同測(cè)試車速時(shí)的最大振動(dòng)加速度值，如表2所示.

表2 測(cè)試點(diǎn)各軸向在不同測(cè)試車速時(shí)的最大振動(dòng)加速度值

由表2可知，不同速度工況下，腳部地板的振動(dòng)幅值最大，座椅最小，這符合駕乘人員的實(shí)際體驗(yàn)，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性.此外，不同測(cè)試車速的最大振動(dòng)加速度值都低于31.4 m/s2，對(duì)比脈沖輸入對(duì)人體健康影響的評(píng)價(jià)，證明試驗(yàn)工況下產(chǎn)生的瞬間大幅振動(dòng)對(duì)人體健康沒有不利影響.但當(dāng)車速為40 km/h時(shí)，車輛通過第二個(gè)脈沖路況，駕駛員座椅靠背Z軸(垂直)方向的振動(dòng)幅值達(dá)到了37.977 m/s2，這種情況下，脈沖路況引起的瞬間振動(dòng)會(huì)對(duì)人體健康有一定的影響.這說明低速通過凸塊等脈沖路面時(shí)，車輛能保持良好的平順性，駕乘人員的舒適度較好.因此，控制車速是車輛在脈沖路面保持良好平順性的關(guān)鍵.

3.2 連續(xù)脈沖路況對(duì)平順性的影響

將車輛通過兩個(gè)連續(xù)脈沖輸入時(shí) 各 測(cè) 量 點(diǎn)

(a) 10 km/h

(b) 20 km/h

(c) 30 km/h

(d) 40 km/h圖4 車輛通過連續(xù)脈沖工況時(shí)的最大振動(dòng)加速度值

X、Y、Z三個(gè)軸向的最大振動(dòng)加速度值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示.

由圖4可知，各測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)加速度值隨車速的增加呈非線性增加的趨勢(shì)，且以相同速度通過兩個(gè)連續(xù)脈沖工況時(shí)，第二個(gè)脈沖輸入是第一個(gè)脈沖振動(dòng)幅值的平均1.4倍，說明振幅出現(xiàn)了疊加情況，再次證明車速是平順性影響的主要因素，連續(xù)經(jīng)過脈動(dòng)輸入工況時(shí)，降低50%的車速可以避免對(duì)人體健康的不良影響.

3.3 車輛振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)平順性的影響

將時(shí)域下的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)通過Matlab進(jìn)行處理，獲得不同車速時(shí)，車輛各測(cè)量點(diǎn)各軸向頻域下的振動(dòng)加速度功率譜密度值，如圖5所示.

(a) 10 km/h

(b) 20 km/h

(c) 30 km/h

(d) 40 km/h圖5 車輛在頻域下的振動(dòng)加速度功率譜密度

由圖5可知，不同速度工況下，各測(cè)量點(diǎn)各軸向的振動(dòng)加速度功率譜密度在低頻區(qū)域出現(xiàn)峰值，進(jìn)入高頻區(qū)域后，振動(dòng)衰減.因此，要保證該車良好的平順性，就要避免振動(dòng)峰值與車輛各部件固有頻率和人體振動(dòng)敏感頻率重合.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，各測(cè)量點(diǎn)不同軸向振動(dòng)加速度功率譜密度出現(xiàn)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率如表3所示.

表3 各測(cè)量點(diǎn)不同軸向振動(dòng)加速度功率譜密度出現(xiàn)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率

依據(jù)文獻(xiàn)[13]，汽車車身部分的固有頻率為1.2～2Hz，依據(jù)《汽車懸掛系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比測(cè)定方法》，測(cè)得本次試驗(yàn)車輛車身固有頻率為1.6 Hz，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該車振動(dòng)避開了車身的固有頻率，說明本次試驗(yàn)，車輛經(jīng)過脈沖路段不會(huì)對(duì)車輛安全造成影響.

依據(jù)文獻(xiàn)[13]，汽車座椅系統(tǒng)的固有頻率為2～3Hz，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該車座椅系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)峰值時(shí)的頻率在Z軸(垂直)和Y軸(橫向)方向與座椅系統(tǒng)的固有頻率有重合情況，說明本次試驗(yàn)，車輛經(jīng)過脈沖路段會(huì)對(duì)座椅的使用性能產(chǎn)生不良影響，建議該車座椅采用高阻尼材料制成的泡沫坐墊，提高至原座椅系固有頻率的2倍，即4～6 Hz，可以提高車輛結(jié)構(gòu)的安全性.

依據(jù)文獻(xiàn)[4]，人體在水平方向的敏感頻率為0.5～2 Hz，在垂直方向的敏感頻率為4～12.5Hz，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該車座椅系統(tǒng)產(chǎn)生峰值的頻率僅在座椅靠背Z軸(垂直)方向處于人體振動(dòng)的敏感頻率，其余情況均避開了人體振動(dòng)的敏感頻率，說明該車具有良好的平順性.

4 結(jié)論

本文以某SUV乘用車為研究對(duì)象，完成了平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)車輛振動(dòng)加速度值會(huì)隨著車速的提高而增大，在面對(duì)突發(fā)、較強(qiáng)的脈沖輸入工況時(shí)，控制車速是確保良好平順性的關(guān)鍵；

(2)當(dāng)車輛通過連續(xù)脈沖路段時(shí)，車況會(huì)明顯變差，甚至危及車輛結(jié)構(gòu)安全.將車速降低50%左右，可降低連續(xù)大振動(dòng)對(duì)人體健康的影響；

(3)脈沖輸入工況下，車身和座椅系統(tǒng)的固有頻率與振動(dòng)峰值頻率和人體振動(dòng)敏感頻率的關(guān)系決定了汽車平順性的優(yōu)劣，建議該車采用高阻尼材料制成的座椅可確保駕乘人員更好的乘車舒適感.