多工況隨機輸入下的某SUV 平順性試驗研究及其性能分析

高 潔 ，張 軍

（1.大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連市交通口岸職業(yè)技術學校，遼寧 大連 116013；3.北京建筑大學機電與車輛工程學院，北京 100044）

1 引言

汽車行駛平順性[1]是車輛技術發(fā)展的關鍵問題[2]之一，是指車輛在行駛過程中產生的振動和沖擊應保持在一定界限之內，不使人體感到不舒適、疲勞、甚至損害健康的性能，它不僅影響駕乘人員的乘坐舒適度，還可能破壞車輛所承載貨物的完整性，甚至危及行車安全。因此，合理的平順性試驗是車輛設計生產、改進升級的重要依據。目前，平順性的試驗研究主要是圍繞某款特定車型在預設工況下進行的，文獻[3]通過測試某轎車副駕駛位置在不同車速下的地板及座椅振動，對該車進行平順性評價。文獻[4]對樣車進行了平順性隨機和脈沖試驗，評價性能的同時建立完善了試驗流程。但鑒于實車試驗成本較高，周期較長，往往局限了試驗條件的設定，導致數據不足，缺少對比和規(guī)律總結。隨著計算機技術的發(fā)展，大量學者的研究方向更側重于通過虛擬技術進行仿真試驗，文獻[5-6]基于不同的虛擬技術建立整車模型完成仿真試驗，通過對試驗結果的分析，提出改善車輛平順性的有效方法。但不論虛擬技術如何發(fā)展，仿真模型如何精確，試驗人員都需要通過實車試驗對車輛性能進行驗證。因此，保證試驗工況的多樣性，試驗過程的完整性、試驗結果的可靠性，是平順性評價和研究的重要依據。

本課題對兩輛不同年份某SUV 車進行了道路多工況隨機輸入行駛試驗，并基于獲得的不同測量點試驗數據，采用加速度均方根值和加權振級相結合的方法對該車平順性進行評價，研究不同車速工況和行駛里程增加導致懸架減震元件老化對車輛平順性能的影響。

2 平順性試驗及評價方法

2.1 平順性試驗

汽車平順性試驗是讓研究車輛在給定的路面上以不同的車速行駛，試驗人員通過測試設備測量車輛特定部位的加速度值，并計算出平順性的各項評價指標參數，進而進行相關性能評價，通常分為隨機輸入和脈沖輸入兩種工況[7]。

路面不平度[8]是車輛振動的主要外部激勵，具有隨機性[9]，車輛運行時，駕駛員和乘客會長時間處于隨機振動環(huán)境中，因此隨機輸入行駛是最常見、最基本的研究情況，降低隨機輸入工況下的車身振動是保證車輛良好平順性的關鍵。

參照國標《汽車平順性試驗方法》進行試驗，同時考慮了不同車速、不同年份車型的多工況條件，將多工況下的數據指標進行對比，進而做出平順性評價分析。

2.2 平順性評價方法

目前，國際上主要有四種平順性評價標準[10-11]，分別是平均吸收功率譜 AAP 標準、VDI2057-1963 標準、BS6841-1987 和 ISO 2631-1997（E）。國內GB/T4970-2009 標準主要是依據國標ISO 2631-1：1997《Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration》標準制定的，并選擇振動加速度均方根值作為客觀評價的基本指標，加權振級作為主觀評價的量化指標。

本課題參照GB/T4970-2009 標準，設定座椅靠背、座椅椅墊及駕駛員腳部地板三個位置的測量點，采用加速度均方根值和加權振級相結合的綜合評價法，通過計算各測量點的單軸向加權加速度均方根值、總加權加速度均方根值、綜合加權加速度均方根值進行平順性評價，計算過程如下：

（1）計算單軸向加權加速度均方根值

式中：aj—中心頻率為fj的第j 個1/3 倍頻帶加速度均方根值，單位為m·s-2；Ga（f）—加速度功率譜密度函數，單位為m2·s-4·Hz-1；fwj、fij—1/3 倍頻帶的中心頻率為 fj的上、下限頻率，單位為Hz；wj[12]—第j 個1/3 倍頻帶的加權系數，根據測量點的位置和方向不同分別取 wk、wd、wc。

（4）計算振動加權振級Leq

式中：Leq—測量點的振動加權振級；a0=10-6m·s-2［11］。

3 某SUV 平順性隨機輸入試驗

3.1 試驗對象

本課題采用某型國產SUV 車，具體參數，如表1 所示。

表1 某SUV 車輛具體參數Tab.1 The Specific Parameters of SUV

3.2 試驗條件

本次試驗地點選擇的是一段長約1000m 的平整瀝青路面，按照GB/T7031-2005 規(guī)定，假定試驗道路為B 級路面，縱坡≤1%，路面干燥，且不平度均勻無突變。試驗時天氣晴朗，氣溫26℃左右，風速不大于5m/s。

3.3 試驗方法及設備

試驗設備包括加速度傳感器、放大器、數據采集儀、車速儀、濾波器等，并且要求測試系統應適宜于沖擊測量，其性能穩(wěn)定、可靠，頻響范圍應當不小于（0.1～200）Hz。儀器的指示部分具有指示峰值和均方根值的功能，時間計權的時間常數不小于1s，積分時間不小于60s。實施測量之前，測量系統處于檢定的有效期內，并進行正確的靈敏度、頻率響應特性、幅值線性度校準，系統誤差不大于（±3）%。

試驗時，車輛以 20km/h，40km/h，60km/h，80km/h 進行測試，由車速儀監(jiān)控車速，并保證車速偏差在（±4）%以內。試驗人員佩戴安全帶，駕駛員應將雙手自然置于方向盤上，熟練地駕駛車輛，保持車輛的穩(wěn)定行駛狀態(tài)，測試部位人員應保持放松狀態(tài)，自然靠在靠背上。

試驗系統及試驗過程，如圖1 所示。

圖1 試驗系統及試驗過程Fig.1 Test System and Process

3.4 試驗數據采集

試驗過程中，各測量點布置情況，如表2 所示。

表2 試驗測試點布置情況Tab.2 Arrangement of Test Points

安裝在測量點上的加速度傳感器需測量三個方向的振動，即X 軸（縱向）、Y 軸（橫向）和Z 軸（垂直）。傳感器與駕駛員緊密接觸，而且在駕駛員和座椅之間放置安裝傳感器墊盤。在測量條件相對穩(wěn)定狀態(tài)下，數據采集時長20s。數據處理要求：截斷頻率fc=100Hz；采樣時間間隔Δt=1/256s；最低采樣率fmin=2000Hz；有效分辨帶寬Δf=0.25Hz；使用漢寧窗。試驗時，車輛以規(guī)定速度穩(wěn)定行駛，進入試驗路段后，啟動測試儀器開始測量并記錄各測量點的加速度時間歷程，同時記錄通過試驗路段的時間，待該車駛出試驗路段后關閉儀器。然后變換車速，重復上述過程，每個工況采集5 次。

4 試驗結果分析及平順性評價

4.1 試驗結果分析

圖2 09 款車在時域下的振動加速度Fig.2 Vibration Acceleration in Time Domain of 09 Model

通過試驗，直接獲得時域下，不同車速時車輛不同測量點X、Y、Z 三個方向的振動加速度，如圖2、圖3 所示。

從圖2、圖3 可以看出，在不同工況下，腳部地板測量點的振動加速度值最大。需要說明的是，試驗中布置在駕駛員腳部地板上的傳感器是固定在座椅滑道剛性零部件上，有一定的緩沖作用，所以實際的振動幅度要大于試驗結果。

圖3 16 款車在時域下的振動加速度Fig.3 Vibration Acceleration in Time Domain of 16 Model

此外，每個測量點在Z 軸（垂直）的振動加速度值均是最大的，說明測量點垂直方向的振動是影響乘坐舒適性的主要因素。因此，控制垂直方向的振動幅值是保證車輛良好平順性的關鍵。

將振動加速度時域數據通過Matlab 進行處理，可獲得頻域下，不同車速時車輛各測量點X、Y、Z 三個方向的振動加速度功率譜密度，如圖4、圖5 所示。

圖4 09 款車在頻域下的振動加速度功率譜密度Fig.4 Power Spectral Density of Vibration Acceleration in Frequency Domain of 09 Model

從圖4、圖5 可以看出，不同工況下，腳部地板測量點Z 軸（垂直）的加速度功率譜密度峰值出現了6 次，對應的頻率為2.9Hz、2.75Hz、1.8Hz、2.35Hz、0.75Hz 和 1.05Hz。

09 款車型在車速40km/h 時，腳部地板測量點X 軸（縱向）的加速度功率譜密度出現了1 次峰值，對應的頻率為12.5Hz。16款車型在車速60km/h 時，駕駛員靠背X 軸（縱向）的加速度功率譜密度也出現了1 次峰值，對應的頻率為0.05Hz。依據國標中人體振動敏感頻率范圍，如表3 所示。該車振動加速度功率譜密度產生峰值時所對應的頻率均避開了人體振動的敏感頻率，確保了該車良好的平順性。

表3 人體振動敏感頻率范圍Tab.3 The Frequency Range of Human Body Vibration

圖5 16 款車在頻域下的振動加速度功率譜密度Fig.5 Power Spectral Density of Vibration Acceleration in Frequency Domain of 16 Model

表4 加權加速度均方根值Tab.4 Weighted Acceleration Rms Values

4.2 某SUV 平順性評價

依據國標評價方法的相關內容要求，根據式（1）、式（2），應用Matlab 計算不同車型不同車速工況下各測試點不同軸向的加權加速度均方根值，如表4 所示。根據式（3）計算車輛在不同車速工況下的總加權加速度均方根值，如表5 所示。根據式（4）計算車輛在不同車速工況下的綜合加權加速度均方根值，如圖6 所示。數據表明，隨著車速的增加，該車的綜合加權加速度均方根值不斷增加，且09 款在60km/h 時達到最大值，16 款在80km/h 達到最大值。對比同一車型綜合加權加速度均方根值隨著車速的增加情況，如表6 所示。

表5 總加權加速度均方根值Tab.5 Total Weighted Acceleration rms Values

圖6 綜合加權加速度均方根值Fig.6 Comprehensive Weighted Acceleration rms Values

表6 綜合加權加速度均方根值隨車速的變化Tab.6 Change of Comprehensive Weighted Acceleration rms Values with Speed

表7 加權振級及人的主觀感受Tab.7 Weighted Vibration Level and Subjective Feeling of Human

數據表明，09 款車在低速階段的振動增幅明顯，且波動較大，而16 款車隨著車速的增加，振動增比較平穩(wěn)。這是由于隨著車輛行駛里程的增加，發(fā)動機、底盤懸架、變速箱等部件的磨損和老化加劇所造成的，而09 款車輛已接近懸架更換周期10 萬公里[12]，其減振器緩沖車身振動的能力下降，因此會造成平順性能明顯變差。為了更加準確、全面的平順性評價分析，根據式（5）計算車輛在不同工況下的加權振級，并給出了振動量級與人的主觀感受之間的關系，該SUV 的舒適性評價，如表7 所示。試驗表明，該車平順性均在人體“稍微不舒適”范圍內，說明其平順性能良好。將兩款車型的振動加權振級在不同車速工況下進行對比，發(fā)現16 款比09 款車的平順性分別提升了3.4%、7.3%、5.6%和0.3%，在低速區(qū)，兩車的平順性都較好，在中速區(qū)，車況對平順性的影響還是很明顯的，而在高速區(qū)，兩車的平順性都在變差。

5 結論

（1）多工況隨機輸入時，時域下，該車各測量點的Z 軸（垂直）振動加速度值均大于其他兩個軸向，且隨著車速的增加，車輛振動幅值變大，且出現不同程度的波動，說明車速對平順性有直接的影響。（2）多工況隨機輸入時，頻域下，該車各測量點振動加速度功率譜密度取得最大值時對應的頻率均避開了人體敏感頻率范圍，且駕乘人員的主觀感受良好，說明該車的平順性符合標準。（3）隨著車輛使用里程的增加，車況變差，車輛元件的磨損和老化造成平順性能下降，這與實際使用經驗相符，驗證了本次試驗數據的可靠性。值得一提的是，影響平順性的關鍵因素是懸架，當車輛接近時懸架達到更換周期，如果不及時對懸架減振器進行維護保養(yǎng)，會進一步影響車輛鋼板彈簧、車身和車架等部件的使用壽命和車輛的行駛安全性。