汽车乘坐舒适性：轴距和载重量的影响

为了保证操稳模型和乘坐舒适性同样的参数，轮胎性能和旋转特性以外的数据和乘坐舒适性模型共用。另外，分析对象的车型同前述一致，选取了前2轴车和后2轴车，分析模型和分析条件如下所示：

1）乘坐舒适性模型：同之前的分析模型一样，使用只考虑簧下振动的2自由度2轴模型。

2）操稳模型：使用体现旋转自由度的3自由度3轴模型，相对于轴荷的轮胎性能参数由轮胎供应商通过台架试验得到。YAW模态相关的运动方程式为

式中，k_f、k_r为侧偏刚度；β为重心滑移角；γ为横摆率；l_f、l_r为从重心到各轴的距离。

3）分析条件。

●即使轴距、载重量变化，各车型的轴重比也不变，另外，重心高度一定。

●轴距变化时的惯性矩，代表轴距的计算值规定按以下公式回归：

I_p=700²WB+4900WB+13900

I_Y=3350²WB+4830WB+21350

●随着载重量的变化，惯性矩的变化与载重量成比例，重心高度不变。

4）乘坐舒适性评价指标：以ISO A级路面上以80km/h速度行驶时上下方向+前后方

向的车体加速度的实效值（grms）来评价。

图8-25 轴距的影响

5）操稳评价指标：以80km/h的速度行驶时的操稳性能（f_nζ）评价。

f_n：横摆固有模态，数值越大则车辆的操舵响应越好。

ζ：横摆减衰比，数值越大则车辆的操舵响应越好。

另外，操稳3自由度模型的f_n、ζ是按照2自由度模型求得的。首先，对于各个车型的设定轴距逐渐变化，观察对乘坐舒适性和操稳性能的影响。后2轴车在3.16～6.45m、前2轴车在3.65～6.7m的范围内调整轴距。分析结果如图8-25所示，整体的倾向及各车型的特征总结如下。

●后2轴车和前2轴车的乘坐舒适性的变化程度略有差别，短轴距车有恶化的倾向，这是由于轴距变短后俯仰振动增加的缘故。

●后2轴车的轴距减少一半后，乘坐舒适性和操稳性大约恶化20%。

●前2轴车的轴距减少一半后，乘坐舒适性约有5%、操稳性约有15%恶化。同后2轴车相比，乘坐舒适性的恶化倾向稍小，另外，在轴距缩短后与后2轴车的差有变化的倾向。

根据上述的结果来考察前2轴车的乘坐舒适性和操稳性。

首先，前2轴车的乘坐舒适性虽有变化，但是比后2轴车有变小的倾向，这是由于轴距变短后，前后振动有增加的趋势。另一方面，上下振动反而有轻微减弱的倾向，可以认为是振动相互抵消的结果。另外，对于操稳性能，前2轴车呈现比后2轴车恶化的倾向，这是由于前2轴车后轴的轮胎数量少，后轮胎的侧滑系数小引起的。以下两点可以作为参考：

●从后2轴车到前2轴车变化时的操稳性大约降低20%。

●轮胎由斜交型更换成子午线型时的变化相当。(www.xing528.com)

其次，说明一下载重量的影响。对于各个车型或者轴重，允许载重量虽然在法规上有规定，考虑到现实的运输情况，假定超载100%。此处，载重量从100%到200%变化，观察乘坐舒适性和操稳性的变化。

分析结果如图8-26所示，整体的倾向及各车型的特征总结如下。

●后2轴车、前2轴车同样：超载量越大，乘坐舒适性有变好的倾向，而操稳性却有恶化的倾向。可以确认两种性能是相互对立的关系。而轴距对乘坐舒适性和操稳性的影响却有相同倾向。

●后2轴车：载重量200%时，乘坐舒适性大约有20%的提高，操稳性约有10%的恶化。

●前2轴车：载重量200%时，乘坐舒适性虽然有20%的提高，但是操稳性却有20%的恶化，说明超载对前2轴车的影响更大。

图8-26 载重的影响

随着载重量的增加，乘坐舒适性提高，可以理解为载重量增加后，惯性质量增加，簧上振动频率下降造成的。但是，悬架行程有一定的允许范围，载重量增加时，如果超过了悬架的线性范围，不仅仅是乘坐舒适性，对强度耐久性方面也有负面的影响。另外，虽然对后2轴车的乘坐舒适性、操稳性两方面都有利，但是对货厢却是不利的，并且当车速增加时，操稳性会有持续恶化的倾向。对于使用者来说，超载所带来的一定程度上的性能提高无法抵消存在的隐患。

图8-27所示为悬架对乘坐舒适性影响的分析结果。随机路面上悬架的吸收振动效果特别大，接下来是驾驶室悬置、座椅悬置、坐垫。因此，为了改善乘坐舒适性，调整悬架的特性是最有效果的。

图8-27 减振系统的影响

一般来说，大型货车悬架的簧上共振频率比乘用车要高，一般位于2～5Hz范围内。如图8-28所示，人体对振动的感受，由于在4～8Hz时最为敏感，虽然簧上共振频率如果能达到乘用车一样低更为有利，但是有一些限制条件不允许，如悬架的行程及操稳性能方面的要求。

图8-28 减振系统的模态分布

采用螺旋弹簧的驾驶室悬置的共振频率一般是2.5～3Hz，相对于车身的第1阶弯曲模态（5～6Hz）和簧下共振模态（8～15Hz）具有更好的吸振效果，而对于底盘悬架的簧上共振模态来说，半拖挂/拖挂车的第3阶模态（4～5.5Hz）以外的诸模态的影响很小。为了吸收底盘悬架的簧上共振，驾驶室悬置的共振模态要尽可能低，但是底盘悬架同样也有行程的限制。

而座椅悬置系统由于其行程调节机构多，所以在设计时的自由度就要多一些。一般可以将其共振频率设定的比底盘悬架和驾驶室悬置的模态低，这对3Hz路面凸起激励的吸收振动能量效果最好。同时，坐垫表现出很高的非线性，共振模态频率不是确定值，对于标准体重的乘员来说，一般可达到3～4Hz。另外，考虑吸振性能和座椅舒适性的平衡，选取较小的共振频率，可以保证很好的减衰性能，而对于动态特性，保证对较高振动的吸收效果作为设计目标。

为了提高乘坐舒适性，对乘坐舒适性影响比较大的且设计自由度较多的驾驶室悬置系统加以讨论。采用螺旋弹簧的驾驶室悬置系统，相对于驾驶室的重量变化，受到弹簧的向下方向行程限制，弹簧刚度不能设计得过低。因此，在驾驶室悬置系统中应用空气弹簧，并附带行程调节机构，此时就可以将弹簧刚度设计得很低，通过驾驶室悬置来吸收底盘悬架的簧上振动成为可能。其详细设计方法如下所述。

在计划阶段，利用FEM模型对驾驶室悬置的构成元素进行模拟计算，对悬置行程、弹簧刚度、减衰系数等参数进行详细的分析。在计算模型中所使用的2自由度3轴简易模型，激励使用随机路面激励。下面以半拖挂/拖挂车为对象进行讨论。图8-29所示为弹簧刚度和减衰系数的分析结果。

图8-29 减振系统对舒适性的影响

在随机路面上，弹簧刚度、减衰系数小，即柔软的悬置是有利的。但是，在后面还会提到，在起伏不平的路面上所产生的低频颠簸振动，如果弹簧刚度设计得过低，那么驾驶室悬置的共振频率比底盘悬架模态频率低，虽然这在某些方面是有利的，但是如果低得过多，就可能产生轰鸣噪声，在具体设计时要找到弹簧刚度和减衰系数的最佳平衡点。

随机路面有着和起伏不平路面相反的领域，为保证在两种路面上都具有很好的乘坐舒适性，有必要对驾驶室悬置的特性进行优化分析。作为驾驶室悬置的低弹簧刚度设计案例之一，图8-30所示为采用空气弹簧作为驾驶室悬置时对乘坐舒适性的影响。从该图中可以得知驾驶室悬置对乘坐舒适性有明显的改善。

图8-30 随机路面舒适性的改进效果

实车道路试验结果显示，通过采用空气弹簧作为驾驶室悬置，不但对高速公路上的乘坐舒适性有很好的改善，即使对一些周期性的凸起、路面接缝等过渡情况，乘坐舒适性也能得到很好提高。特别是驾驶室前后振动的改善最为显著，这是由于采用空气弹簧后，底盘悬置的簧上第2、3阶模态，即车身的俯仰模态，被驾驶室悬置吸收的缘故。