汽车行驶平顺性评价-汽车运用工程学

汽车行驶平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理反应及振动对保持货物完整性的影响来制订的，并用振动的物理量，如频率、振幅、加速度、加速度变化率等作为行驶平顺性的评价指标。

1.汽车振动及其传递途径

行驶中的汽车是一个复杂的振动系统，其振动的激发源主要是路面凹凸不平产生的冲击、轮胎和传动轴以及发动机转矩变化引起的冲击。这些激发源尤其是路面凹凸不平引起的振动大多与车速相关，车速增大后，振动频率和强弱会产生相应的变化。

汽车是由轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和悬架质量及非悬架质量构成的复杂振动系统。各激发源的激励沿不同的路径传至乘员。

因路面、轮胎产生的振动，受到悬架振动特性的影响后再传给车身，通过车身传到乘客的脚部，同时通过座椅传给乘客的臀部和背部，还经由转向系以转向盘抖动的形式传到驾驶员手部。

因发动机、传动系运转而产生的振动，通过支承发动机、变速器和传动轴的缓冲橡胶块，经衰减后传给车身，再经上述途径传至人体各个部位。

当振动的频率超过40Hz以上，便形成噪声传进人的耳朵。

任何一个“振动系统”均有一个“固有频率”，当外界激振频率接近或等于“固有频率”时，将出现“共振”现象，产生剧烈的振动，既会影响汽车的操纵稳定性，也会影响行驶平顺性。

该振动系统的“输出”是人体或货物受到的振动，其中最重要的是振动的频率和振动加速度。

研究汽车行驶的平顺性实际上要解决两方面的问题：一是如何避免汽车这个“振动系统”的“共振”现象；二是使“振动系统”输出的振动频率避开人体敏感的范围，振动加速度不超过人体所能承受的强度。

2.人体对振动的反应

人体对振动的反应既与振动频率及强度、振动作用方向和暴露时间有关，也与乘员的心理、生理状态有关。

大量试验表明，人体对不同方向的振动的感受存在差异，对上下振动忍耐性最强，其次是前后振动，对左右振动最敏感。人体上下振动的共振点大约在4～8Hz，水平振动的共振点大约在1～2Hz。如果在共振点上施加振动，人体的抗振能力会严重下降，氧气消耗量剧增，能量代谢加快。

暴露时间是指人体处于振动环境的时间。暴露时间越长，人体所能承受的振动强度越小。

20世纪70年代初，国际标准化组织（ISO）在综合了大量有关人体全身振动的研究成果的基础上，制定了国际标准ISO 2631《人体承受全身振动评价指南》。经过对该标准的修订和补充，于1997年公布了ISO 2631-1：1997（E）《人体承受全身振动评价-第一部分：一般要求》，该标准评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响时，能更好地符合人的主观感觉。我国对相应标准进行了修订，公布了GB/T 4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》。

ISO 2631-1：1997（E）《人体承受全身振动评价-第一部分：一般要求》规定的人体坐姿受振模型见图7-1。表明在进行汽车平顺性评价时，应考虑三个输入点12个轴向的振动，即除了考虑座椅支承面所输入的三个方向的线振动外，还要考虑三个方向的角振动（r_x、r_y、r_z），以及座椅靠背和脚支承面两个输入点各三个方向的线振动。

此标准根据人体对不同频率振动的敏感程度不同，规定了各轴向0.5～80Hz的频率加权函数（渐进线），见图7-2。考虑到不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，标准还给出了各轴向振动的轴加权系数k，见表7-1，即对于三个输入点12个轴向，分别选用相应频率加权函数和相应的轴加权系数k。

图7-1 人体坐姿受振模型图

图7-2 各轴向频率加权函数（渐进线）

表7-1 频率加权函数、轴加权系数

（续）

由表7-1可见，座椅面输入点三个线振动的x_s、y_s、z_s的轴加权系数k=1，大于其余各轴向的轴加权系数，因而是12个轴向中人体最敏感的。ISO 2631-1：1997（E）《人体承受全身振动评价-第一部分：一般要求》还规定，当评价振动对人体健康的影响时，就考虑x_s、y_s、z_s这三个轴向，并规定靠背水平轴向x_b、y_b可以由座椅面水平轴向x_s、y_s代替，且取轴加权系数k=1.4，表明其比垂直轴z_s向更敏感。我国的相应标准GB/T 4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》规定，评价汽车平顺性就考虑x_s、y_s、z_s这三个轴向。(www.xing528.com)

由图7-2可见，座椅面垂直轴向z_s的频率加权函数w_k最敏感频率范围为4～12.55Hz。试验表明，在4～8Hz这个频率范围，人的内脏器官产生共振，而8～12.5Hz频率范围的振动对人的脊椎系统影响很大。座椅面水平轴向x_s、y_s的频率加权系数w_d的最敏感频率范围为0.5～2Hz。振动频率大约在3Hz以下时，水平振动比垂直振动更敏感，且汽车车身部分系统在此频率范围产生共振，故应对水平振动给予充分重视。

3.平顺性的评价方法

ISO 2631-1：1997（E）《人体承受全身振动评价-第一部分：一般要求》规定，当振动波形峰值系数＜9（峰值系数是加权加速度时间历程a_w（t）的峰值与加权加速度均方根值的比值）时，用基本的评价方法——加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响，其基本步骤是：先求出各个单轴向加权加速度均方根，而后得到总加权加速度均方根值，然后根据其与人的主观感觉的关系，评价汽车的平顺性。根据测量，这一方法对各种汽车在正常行驶工况下均适用。

目前，为符合国际标准新的发展趋势，我国关于平顺性评价也仅采用加权加速度均方根值评价方法。

（1）单轴向加权加速度均方根a_w用基本的评价方法来评价时，先计算各轴向加权加速度均方根值。具体计算方法有如下两种：

1）对记录的加速度时间历程a_t，通过相应频率加权函数w（f）的滤波网络，得到加权加速度时间历程a_w（t），按下式计算加权加速度均方根值a_w（m·s^-2）：

式中 T——振动的分析时间，一般取120s。

频率加权函数w（f）（渐进线）可用以下公式表示（式中频率f的单位为Hz）：

2）对记录的加速度时间历程a（t）进行频谱分析，得到功率谱密度函数G_a（f），然后再按下式求出单轴向加权加速度均方根a_w：

（2）总加权加速度均方根值a_w0当同时考虑椅面x_s、y_s、z_s这三个轴向振动时，三个轴向的总加权加速度均方根a_w0（m·s^-2）按下式计算：

式中 a_xw——前后方向（x轴方向）加权加速度均方根值（m·s^-2）；

a_yw——左右方向（y轴方向）加权加速度均方根值（m·s^-2）；

a_zw——上下方向（z轴方向）加权加速度均方根值（m·s^-2）。

（3）加权振级与加权加速度均方根值的换算 在具体测量时，有些“人体振动测量仪”采用加权振级L_aw（dB）作为测量指标。加权振级表明振动的量级，可以理解为用分贝值表示的加权加速度均方根值，与加权加速度均方根值a_w有如下关系：

式中 a₀——参考加速度均方根值，a₀=10^-6m·s^-2。

L_aw——加权振级（dB）。

在1～80Hz振动频率范围内，人体对振动的主观感觉之间的对应关系见表7-2。把经计算得到的加权加速度均方根值a_w与之比较，便可评价汽车的平顺性。

表7-2 a_w和L_aw与人的主观感觉之间的关系