某4×4輕型輪式越野車平順性多工況脈輸入試驗(yàn)研究

王國軍，蔣美華，陳 欣，李紹鋒

（1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161；2.陸軍車船軍事代表局駐南京地區(qū)軍事代表室，南京 210037）

某4×4輕型輪式越野車平順性多工況脈輸入試驗(yàn)研究

王國軍1，蔣美華1，陳 欣1，李紹鋒2

（1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161；2.陸軍車船軍事代表局駐南京地區(qū)軍事代表室，南京 210037）

對國內(nèi)外車輛平順性試驗(yàn)評價(jià)方法進(jìn)行了回顧分析，指出了當(dāng)前我國越野汽車平順性脈輸入試驗(yàn)存在的問題。針對某輕型4×4輪式越野汽車，開展以機(jī)動(dòng)性為評價(jià)目標(biāo)的平順性脈輸入試驗(yàn)，給出了越野車輛平順性多工況脈輸入試驗(yàn)的基本方法。對試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，得到了車輛通過不同凸塊高度的加速響應(yīng)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，以人體承受的加速度 24.5 m/s2為限值，得到了車輛通過不同凸塊高度允許的最高車速。所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果為越野車輛平順性評價(jià)提供了重要依據(jù)。

輪式車輛；振動(dòng)加速度；沖擊；平順性；半圓障礙

越野汽車不可避免地要面對各種嚴(yán)酷路況。由地面和車輪的相互作用而產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊會經(jīng)過懸架的減振和緩沖后傳至人體、物資以及設(shè)備。研究表明，人體長時(shí)間受到振動(dòng)和沖擊，會對脊椎產(chǎn)生不利影響[1]。為了減小來自車輛的振動(dòng)和沖擊，駕駛員會不自覺地降低車速行駛，這也必然降低車輛的機(jī)動(dòng)性。在軍用越野車輛設(shè)計(jì)之前，會提出明確的評價(jià)指標(biāo)，為設(shè)計(jì)和試驗(yàn)評價(jià)提供依據(jù)[2]。車輛的平順性一般通過隨機(jī)路面和凸起兩種工況來進(jìn)行考核[3]。汽車平順性脈輸入行駛試驗(yàn)主要研究汽車駛過單凸塊時(shí)的沖擊對乘員及貨物的影響，評價(jià)汽車的平順性[4]。

美國軍用車輛平順性試驗(yàn)規(guī)程（TOP）01-1-014A給出了四項(xiàng)技術(shù)用于測量和評價(jià)越野車輛的平順性[5]，包括吸收功率技術(shù)、ISO 2631—1、ISO 2631—5和半圓障礙（Half-Round Obstacle）技術(shù)。其中ISO 2631—1主要針對人體長時(shí)間暴露于隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，以傳入人體的振動(dòng)的加權(quán)計(jì)算結(jié)果為指標(biāo)，對車輛的平順性進(jìn)行測試和評價(jià)。吸收功率技術(shù)通過測試人體在車輛隨機(jī)振動(dòng)條件下吸收的能量來評價(jià)車輛的平順性。ISO 2631—5針對多次沖擊（Multiple Shocks）環(huán)境條件進(jìn)行評價(jià)。半圓障礙技術(shù)用于評價(jià)車輛通過單次障礙的平順性。

長期以來，我國越野汽車平順性脈輸入行駛試驗(yàn)主要采用GB 5902—86[6]所給出的方法進(jìn)行試驗(yàn)，GB/T 4970—2009[7]沿用了該方法。試驗(yàn)過程中，采用80 mm凸塊高度，汽車以不同速度通過凸塊，測取駕駛員座椅和座椅底部的底板峰值加速度，將峰值加速度作為指標(biāo)來評價(jià)汽車脈輸入平順性。這一方法主要參照ISO 2631—1[8]制定，適用于民用車輛，但沒有考慮越野汽車的特殊性。隨著越野汽車研制水平的提高，以及人們對越野汽車機(jī)動(dòng)性的要求越來越高，單一凸塊高度的試驗(yàn)方法不足以全面評價(jià)車輛通過不同障礙的性能要求，以沖擊加速度峰值作為評價(jià)指標(biāo)也不能直接反映人們對車輛機(jī)動(dòng)性評價(jià)的需求。

為此，本研究以某輕型4×4輕型輪式越野汽車為試驗(yàn)樣車，綜合分析國內(nèi)外先進(jìn)的平順性評價(jià)方法，制定試驗(yàn)方案，并將試驗(yàn)結(jié)果與汽車所能達(dá)到的機(jī)動(dòng)性（車速）直接關(guān)聯(lián)。

1 試驗(yàn)方法的確定

GB 5902—86規(guī)定，對于越野汽車平順性脈輸入行駛試驗(yàn)，凸塊高度要求為80 mm，試驗(yàn)車輛分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h的速度通過凸塊，加速度傳感器要求布置在座椅和座椅底部的底板上，以最大加速度（絕對值）作為評價(jià)指標(biāo)。

美國軍用車輛平順性試驗(yàn)規(guī)程（TOP）01-1-014A，對于平順性脈輸入試驗(yàn)提出了如下要求：車輛以不同的速度通過半圓凸塊進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；試驗(yàn)過程中采集駕駛員座椅底板上的垂直方向加速度，將采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波（采用30 Hz，4階低通濾波器）；針對每個(gè)障礙，繪制沖擊與車速之間的關(guān)系曲線；然后提取沖擊峰值及其相應(yīng)的車速，采用非線性擬合的方法，確定沖擊達(dá)到24.5 m/s2時(shí)的車輛速度，并以這一速度作為車輛平順性脈輸入試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)。

在美軍輕型輪式戰(zhàn)術(shù)車輛（Light Tactical Vehicle，LTV）的機(jī)動(dòng)性要求中，規(guī)定駕駛員座椅垂直方向峰值加速度不超過24.5 m/s2：（1）以45 mph（72 km/h） 的速度通過4 in （102 mm） 高的半圓障礙。（2）以12 mph（20 km/h） 的速度通過8 in （203 mm）高的半圓障礙。（3）以7 mph（11 km/h）的速度通過10 in （254 mm）高的半圓障礙。

對比GB 5902—86和美軍對越野車輛脈輸入試驗(yàn)的要求，二者的差異主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：一是凸塊高度不同，GB 5902—86要求凸塊高度為80 mm，而美軍要求為三個(gè)不同高度，最小值為102 mm，最高值為254 mm。二是工況種類不同，GB 5902—86要求單一凸塊高度，美軍要求三個(gè)凸塊高度。三是評價(jià)指標(biāo)不同，GB 5902—86以垂向加速度為評價(jià)指標(biāo)，美軍要求以允許通過障礙達(dá)到的車速為評價(jià)指標(biāo)。四是加速度測點(diǎn)不同，GB 5902—86要求測點(diǎn)為座椅和座椅底座，美軍要求測試座椅底座。

很明顯，80 mm高度與越野汽車實(shí)際遇到的障礙相比偏低，多種凸塊高度更能充分反映越野汽車的使用工況。綜合美軍相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]以及GB 5902—86，本文提出以下試驗(yàn)方法。

（1）凸塊高度：選擇102 mm、152 mm、203 mm和254 mm四種高度，進(jìn)行多工況考核。

（2）試驗(yàn)車速：對應(yīng)各種凸塊高度選擇多種車輛速度進(jìn)行測試，測試車速范圍涵蓋美軍LTV通過凸塊的機(jī)動(dòng)性要求車速。

（3）加速度測點(diǎn)：采集駕駛員座椅和座椅底板上的垂直方向加速度。

（4）評價(jià)指標(biāo)：以24.5 m/s2為臨界加速度，確定能夠通過凸塊的最高車速。

2 試驗(yàn)條件、設(shè)備及過程

2.1 試驗(yàn)條件

在軍事交通學(xué)院汽車訓(xùn)練場選擇一條1 000 m長的平直路面，在路面上固定不同高度的凸塊，路況如圖1所示。測試時(shí)車輛狀況良好。

圖1 試驗(yàn)道路與凸塊

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)車試驗(yàn)所需測試設(shè)備見表1，包含7個(gè)加速度傳感器，一個(gè)數(shù)據(jù)采集分析儀，一套數(shù)據(jù)采集處理軟件和一套GPS。

表1 試驗(yàn)用測試分析設(shè)備與用途

2.3 試驗(yàn)過程

首先用漲釘將凸塊固定在平直路面上，加速度傳感器以粘接方式固定在車輛的座椅底板上，座椅位置則采用坐墊式加速度傳感器置于座椅上，人坐在座椅上進(jìn)行固定。被測車輛分別以不同速度通過每一種指定高度的凸塊，具體工況設(shè)定見表2。

表2 平順性脈輸入試驗(yàn)工況說明

試驗(yàn)過程中，車速由低到高，凸塊按照102 mm、152 mm、203 mm和254 mm的高度順序依次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)車速盡量按照表2所示的速度進(jìn)行控制。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加速度超過一定數(shù)值，人體和坐墊式加速度傳感器在沖擊載荷的作用下跳離座椅平面，測得的加速度不再是傳至人體的真實(shí)加速度，固定在座椅底座上的加速度傳感器測得的數(shù)據(jù)受外界干擾較少，因此在數(shù)據(jù)處理過程中以座椅底座上測得的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

將采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波（采用30 Hz，4階低通濾波器）。沖擊加速度信號濾波前后如圖2所示。

圖2 沖擊加速度信號濾波前后比較

針對每個(gè)障礙，繪制沖擊與車速之間的關(guān)系曲線。然后提取沖擊峰值及其相應(yīng)的車速，采用非線性擬合的方法，得到?jīng)_擊峰值與車速之間的關(guān)系。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3是統(tǒng)計(jì)得到的峰值加速度隨車速的變化關(guān)系?？梢钥闯?，針對不同的凸塊高度，這一關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。對于不同的凸塊高度，峰值加速度隨車速的變化呈現(xiàn)不同的擬合關(guān)系。

圖3 駕駛員座椅下底板加速度響應(yīng)隨車速的變化

由圖3可知，當(dāng)凸塊高度較低時(shí)（對應(yīng)于車輛通過102 mm高的凸塊），輪胎和懸架不易充分發(fā)揮其減振緩沖作用；而高速通過時(shí)，輪胎和懸架的減振緩沖作用明顯。這是由于隨著車速的提高，來自路面的沖擊脈沖變窄，大部分沖擊能量被懸架吸收，從而傳至人體的沖擊大幅減小，于是產(chǎn)生了所謂的“駝峰”效應(yīng)。比較圖中4條曲線可知，隨著凸塊升高，“駝峰”效應(yīng)消失，這也充分體現(xiàn)了進(jìn)行多工況（設(shè)置多個(gè)凸塊高度）試驗(yàn)的必要性。

將不同測點(diǎn)得到的加速度隨車速的變化情況繪制成圖4所示的形式，取最嚴(yán)酷的測點(diǎn)。以24.5 m/s2作為限制加速度，求取對應(yīng)的車速，得到不同凸塊高度對應(yīng)的限制車速。

如圖4所示，對于254 mm高的凸塊，加速度響應(yīng)與車速的關(guān)系為y = -0.053 5x2+0.731 7x -3×10-6，取y =2.5，求得x =6.8 km/h，即對于54 mm高的凸塊，車輛限制速度為6.8 km/h。同樣求得對應(yīng)203 mm凸塊高度的車輛限制速度為8.5 km/h。

若測點(diǎn)加速度響應(yīng)都低于24.5 m/s2，應(yīng)取最高車速，并以符號↑進(jìn)行標(biāo)記，表示限制車速要高于所取車速。所以對應(yīng)152 mm凸塊高度的限制車速高于28 km/h，計(jì)作↑28 km/h；對應(yīng)102 mm凸塊高度的限制車速高于100 km/h，記作↑100 km/h。

圖4 限制車速隨凸塊高度的變化

4 結(jié)論

以某越野汽車為試驗(yàn)樣本，開展了多工況平順性（沖擊）試驗(yàn)。該試驗(yàn)是對高機(jī)動(dòng)軍用越野車平順性試驗(yàn)方法、評價(jià)指標(biāo)的突破性探索，獲得了寶貴的試驗(yàn)和分析經(jīng)驗(yàn)。

（1）通過樣車的多工況平順性脈輸入試驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)置不同凸塊高度，測試不同車速下的響應(yīng)，能夠更全面地評價(jià)越野汽車的平順性。

（2）在試驗(yàn)實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)布置在座椅上的加速度傳感器容易隨著人體受到的沖擊與座椅表面脫離，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，所以應(yīng)以座椅基座（車底板）上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為主要參考依據(jù)。

（3）對于平順性脈輸入試驗(yàn)，車輛座椅底板的加速度響應(yīng)與車速的關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。因此，試驗(yàn)過程中車速工況應(yīng)該盡可能全面，避免對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行外插值預(yù)測。

（4）為越野汽車平順性脈輸入試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理提供了具體操作方法，為進(jìn)一步形成標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)流程、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法提供了重要依據(jù)。

（

）：

[1]ZHAO Xiaojing，SCHINDLER C. Evaluation of Wholebody Vibration Exposure Experienced by Operators of a Compact Wheel Loader According to ISO 2631-1：1997 and ISO 2631-5：2004[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2014，44(6)：840-850.

[2]Draft JLTV Purchase Description (PD) Family of Vehicle (Fov)-v2.7 [Z]. 2011.

[3]陳欣，祁濤，李栓成，等.高機(jī)動(dòng)性車輛越野平順性分析方法研究[J].汽車工程，2008，30(9)：736-741. CHEN Xin，QI Tao，LI Shuancheng，et al. A Study on the Analysis Method of the Off-road Ride Comfort of High Mobility Vehicle[J]. Automotive Engineering，2008，30(9)：736-741.(in Chinese)

[4]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003. YU Zhisheng. Automotive Theory[M]. Beijing：China Machine Press，2003.(in Chinese)

[5]Test Operations Procedure 01-1-014A. Ride Dynamics and Evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration[Z]. 2011.

[6]GB 5902—86.汽車平順性脈輸入行駛試驗(yàn)方法 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987. GB 5902—86. Method of Pulse Input Running Test—Automobile Ride Comfort [S]. Beijing：China Standard Press，1987.(in Chinese)

[7]GB/T 4970—2009.汽車平順性試驗(yàn)方法 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010. GB/T 4970—2009. Method of Running Test—Automotive Ride Comfort[S]. Beijing：China Standard Press， 2010.(in Chinese)

[8]ISO 2631—1：1997.International Standards Organization. Mechanical Vibration and Shock—Evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration—Part 1：General Requirements [S]. Geneva：ISO，1997.

[9]U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station. Mobility Assessment of the Roland Wheeled Vehicle System[Z].1982.

[10]ISO 2631—5：2004. Mechanical Vibration and Shock—Evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration—Part 5：Method for Evaluation of Vibration Containing Multiple Shocks [S]. Geneva：ISO，2004.

作者介紹

Ride Quality Test for a 4×4 Cross-Country Vehicle with Multi-pulse inputs

WANG Guojun1， JIANG Meihua1，CHEN Xin1，LI Shaofeng2
（1. Automobile Engineering Department，Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2. Military Representative Office in Nanjing，Military Representative Bureau of the Army，Nanjing 210037， China）

The test methods of ride quality were reviewed. The defects of ride quality testing with impulse inputs in China were pointed out. To evaluate the cross-country vehicle more completely and scientifically, the ride quality test for a 4×4 cross-country vehicle was performed and the results were obtained including the maneuverability evaluation. The test procedure was described in detail in the paper. The test data was processed and the relationships between the acceleration responses and different heights of obstacles were determined. Based on the relationships above, the maximum speed that allows the vehicle to pass the obstacle with a given height was calculated, which is one of the most important values for ride comfort evaluation.

wheeled vehicle; vibration acceleration; shock; ride comfort; half-round obstacle

責(zé)任作者：王國軍（1975-），男，遼寧朝陽人。博士，副教授，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。Tel：13821611570E-mail：wguojun@yeah.net

U467.1+1

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.09

陳欣（1957-），男，天津人。博士，教授，主要從事車輛設(shè)計(jì)與性能研究。 Tel：13803068288 E-mail：cxjmhcng@163.com

2016-07-18 改稿日期：2016-10-08

軍隊(duì)項(xiàng)目（CJJ12J012）

用格式：

王國軍，蔣美華，陳欣，等. 某4×4輕型輪式越野車平順性多工況脈輸入試驗(yàn)研究[J]. 汽車工程學(xué)報(bào)，2017，7(1)：061-065.

WANG Guojun，JIANG Meihua，CHEN Xin，et al. Ride Quality Test for a 4×4 Cross-Country Vehicle with Multi-pulse Inputs [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：061-065. (in Chinese)