基于正向開發(fā)的商用車平順性主客觀評價方法研究

王 偉，尹志浩，申富強，譚榮彬

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

伴隨經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)交通運輸業(yè)蓬勃發(fā)展，隨之而來的商用車領(lǐng)域發(fā)展水平越來越高，競爭日趨激烈。人們對商用車平順性要求也不斷提高，一部平順性好的卡車已成為用戶最基本的需求，直接影響用戶購車意向。如何提升平順性，已成為各主機廠NVH 工作的重要內(nèi)容之一，建立基于用戶體驗的平順性主客觀評價體系，也就成為當務(wù)之急?；谏逃密嚠a(chǎn)品正向開發(fā)和用戶對平順性的主觀感受要求，研究了客觀評價指標及其相對應(yīng)的主觀評價項，并通過分析大量主客觀評價樣本，得出客觀指標值和主觀評分的對應(yīng)關(guān)系，并推廣應(yīng)用。

1 平順性主觀評價和客觀測試概述

1.1 平順性主觀評價方法及體系

汽車的平順性是指汽車行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊對于乘員舒適度的影響，因此平順性評價主要依據(jù)乘員主觀感受來評價[1]。主觀評價一般是由有經(jīng)驗的駕駛員和乘員組成的評價小組，按預(yù)定的方案來駕駛、感受車輛在特定路況行駛時的表現(xiàn)，然后進行主觀打分，最終得到車輛的評價結(jié)果。

平順性主觀評價體系是包括評價路況、駕駛方法、評價項目、打分標準等綜合評價體系。近年來，國內(nèi)對平順性主觀評價體系的研究較為深入，各主機廠、汽研中心均已有比較成熟的評價體系，主觀評價項目日趨繁多，評分體系也不盡相同，對試驗人員、開發(fā)設(shè)計人員使用要求較高，適用性不佳。某主機廠平順性評價指標見表1。

表1 某主機廠平順性評價指標

1.2 平順性客觀測試方法及指標

國際標準ISO2631[2]明確給出了振動頻率、振動強度、振動方向以及暴露時間對人體的感覺的影響，提出了用1/3 倍頻帶評價方法和總加權(quán)加速度均方根值的方法來計算客觀評價指標，有一定的科學性和合理性，但不足以支撐產(chǎn)品正向開發(fā)，不能適應(yīng)概念設(shè)計階段的評價要求和優(yōu)化分析。我國在這方面的研究起步的晚，20 世紀80 年代初，清華大學、長春汽車研究所等單位率先采用了ISO2631 國際標準進行了汽車道路行駛平順性的研究，并于1985 年制定的“汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法”和“汽車平順性單脈沖輸入行駛試驗方法”[3]。在此基礎(chǔ)上，我國在1986 年發(fā)布了GB/T 5902-1986 汽車平順性試驗方法，經(jīng)過數(shù)次修改，形成了比較完整的平順性試驗方法。

GB/T 4970-2009 汽車平順性試驗方法[4]是參照ISO2631-1997“機械振動與沖擊 人體暴露于整體振動的評價 第1 部分：總要求”，規(guī)定了汽車在脈沖輸入行駛和隨機輸入行駛工況下的平順性測試方法，標準中詳細說明了道路條件、數(shù)據(jù)處理方法。

1.2.1 脈沖輸入行駛試驗

汽車脈沖輸入振動屬于大振動，會在瞬間產(chǎn)生很強的沖擊載荷，如果超過限值，必然會造成零部件損壞，對車輛安全性和可靠性產(chǎn)生影響。脈沖輸入行駛試驗，即駕駛汽車以規(guī)定車速勻速通過障礙，考察車輛對單一沖擊激勵的表現(xiàn)。

國標規(guī)定了脈沖輸入行駛評價方法，即當振動峰值波形系數(shù)小于9 時，用監(jiān)測點最大（絕對值）加速度響應(yīng)Z¨max評價，當振動峰值波形系數(shù)大于9 時，增加振動劑量值VDV的輔助評價方法，算式為（1）和式（2）。

式中：n為脈沖試驗有效試驗次數(shù)，n≥5；為最大（絕對值）加速度響應(yīng)為第j次試驗結(jié)果的最大（決定值）加速度響應(yīng)。

式中：（t）為加權(quán)加速度時間歷程；T為作用時間。

該評價方法所規(guī)定的評價指標與振動峰值波形系數(shù)有關(guān)，當振動峰值波形系數(shù)小于9 時，僅用最大（絕對值）加速度響應(yīng)進行評價，無法反映車輛脈沖輸入行駛整個作用時間內(nèi)的表現(xiàn)，同時也缺少與客觀指標相對應(yīng)的主觀評價項，在工程應(yīng)用和指導設(shè)計方面有局限性。

1.2.2 隨機輸入行駛試驗

汽車隨機輸入振動是由隨機路面不平引起的振動。隨機路面可視為較平穩(wěn)、可用頻域或時域模型來描述的路面[5]。我國平順性試驗方法規(guī)定了隨機路面試驗條件，將0.5～ 80 Hz 頻率范圍劃分為23 個頻率帶，各頻率帶對應(yīng)加權(quán)系數(shù)因位置、方向不同而不同，并給出了車輛隨機路面總的加權(quán)加速度均方根值及其與主觀感受之間的對應(yīng)關(guān)系。該評價方法適用于不同車輛隨機輸入平順性總體水平對比，不適于指導平順性正向開發(fā)及工程應(yīng)用。

2 商用車平順性主觀評價方法和客觀評價指標

現(xiàn)存的商用車平順性主觀評價體系項目多、專業(yè)性強，不適合普通設(shè)計工程師及實驗人員使用；平順性客觀評價指標不能反映主觀感受和指導平順設(shè)計開發(fā)，急需一種可指導設(shè)計開發(fā)、適用于普通設(shè)計人員和試驗人員使用的平順性主觀評價方法和客觀評價方法。

商用車主機廠平順性開發(fā)驗證，一般選取典型的路況（城市道路、高速公路、二級公路、修補瀝青路面、粗糙瀝青路面、減速帶等）、以不同的車速和載荷狀況行駛來進行評測，按路面分類可分為隨機路面評價和脈沖路面評價[6]。

2.1 隨機路面行駛平順性主客觀評價方法建議

隨機路面包括城市道路、高速公路、二級公路等較平穩(wěn)的道路。通常，商用車底盤懸架減振系統(tǒng)、駕駛室懸置減振系統(tǒng)的偏頻都較低，一般在0～ 6 Hz 范圍內(nèi)，車架彎扭以及其他局部模態(tài)一般在6～ 20 Hz范圍內(nèi)，因此商用車駕乘人員所感受到的振動頻率在20 Hz 以內(nèi)。某牽引車隨機路面司機座椅處垂向振動加速度頻域曲線如圖1 所示。

圖1 某牽引車司機座椅加速度頻譜

上圖中主要振動頻率集中在1.5 Hz、2.5 Hz 和11.5 Hz 附近，其中1.5 Hz 與前懸架和駕駛室懸置偏頻接近，2.5 Hz 與后懸架偏頻接近，11.5 Hz 與車架Y向彎扭頻率和簧下偏頻接近。在商用車平順性開發(fā)過程中，根據(jù)商用車各減震系統(tǒng)的系統(tǒng)特性及駕乘人員所感受到的振動響應(yīng)，從頻域上將振動分為一階振動和二階振動，對應(yīng)頻率范圍分別為0～ 6 Hz 和6～20 Hz，來定義主客觀評價指標。通過分頻評價，設(shè)計人員可根據(jù)評價結(jié)果快速找出故障頻率范圍，進而確定需要改善的減震系統(tǒng)。總體思路如圖2 所示。

圖2 隨機路面主客觀評價思路

首先，測試人員駕駛車輛在隨機路面上行駛，通過加速度傳感器采集振動加速度數(shù)據(jù)。然后，對采集到的振動加速度數(shù)據(jù)進行傅里葉變化，得到加速度頻域數(shù)據(jù)[7]。再對加速度頻域曲線分頻（分頻點6 Hz）計算有效值，得到0～6 Hz 范圍內(nèi)的有效值和6～ 20 Hz范圍內(nèi)的加速度頻域有效值，即為客觀評價的兩個指標。

測試人員在測試同時進行主觀評價，評價項包括一階振動和二階振動兩個方面。其中，一階振動考察車輛0～ 6 Hz 的低頻振動，可從振動幅度大小、收斂快慢、是否突兀等方面評價；二階振動考察車輛6～20 Hz 的振動，可從路面隔絕感、振動強度、柔和度等方面評價。

上述客觀評價指標0～ 6 Hz 范圍內(nèi)的有效值和6～ 20 Hz 范圍內(nèi)的有效值，與主觀評價項一階振動和二階振動，相互對應(yīng)，實現(xiàn)主客觀統(tǒng)一。

2.2 脈沖輸入行駛平順性主客觀評價方法建議

商用車脈沖輸入行駛情況是用戶的常用路況之一，包括路面減速坎、坑洼路況等。平順性開發(fā)中，通常以車輛過單一沖擊障礙來考察車輛在整個作用時間內(nèi)的表現(xiàn)，可從沖擊時刻表現(xiàn)和沖擊后的殘余響應(yīng)，兩個方面定義主客觀評價指標，總體思路沒區(qū)別圖3。

圖3 脈沖輸入行駛主客觀評價思路

首先，測試人員駕駛車輛進行脈沖輸入行駛試驗，通過加速度傳感器采集振動加速度數(shù)據(jù)。然后，對采集到的振動加速度數(shù)據(jù)進行ISO2631 加權(quán)，得到加權(quán)后的加速度數(shù)據(jù)。加權(quán)后的振動加速度第一個波峰值的絕對值和第一個波谷值的絕對值之和，即為客觀評價指標之一；求加權(quán)后的振動加速度包絡(luò)線（可用MATLAB 等軟件繪制包絡(luò)線）[8]，包絡(luò)線所形成的包絡(luò)面積即為客觀評價指標之二。加速度加權(quán)及包絡(luò)線案例見圖4 和圖5。

圖4 加速度ISO2631 加權(quán)

圖5 加權(quán)加速度包絡(luò)線

測試人員在測試同時進行主觀評價，評價項包括沖擊強度和殘余響應(yīng)兩個方面。其中，沖擊強度考察車輛脈沖輸入時刻的表現(xiàn)，可從沖擊大小、沖擊隔絕感等方面評價；殘余響應(yīng)考察車輛脈沖輸入后至車輛平穩(wěn)過程中的表現(xiàn)，可從殘余振動大小、衰減快慢等方面評價。

上述客觀評價指標中，“加權(quán)后的振動加速度第一個波峰值的絕對值和第一個波谷值的絕對值之和”與主觀評價項中的“沖擊強度”對應(yīng)“包絡(luò)線所形成的面積”與主觀評價項中的“殘余響應(yīng)”對應(yīng)，實現(xiàn)主客觀對應(yīng)和統(tǒng)一。

3 商用車平順性主客觀一致性研究

3.1 商用車主觀評價評分標準建議

商用車主機廠平順性評分標準應(yīng)包括評分區(qū)間、區(qū)間含義、產(chǎn)品定義，以及給出是否需要整改的明確建議。基于用戶感受和產(chǎn)品正向開發(fā)需要，制定的評分標準見表2。

表2 給出了勉強接受區(qū)間及臨界評分點5 分，作為產(chǎn)品是否投放市場的判斷標準，低于5 分即必須進行整改，不能投放市場?？山邮艿呐R界點為6 分，對于高端產(chǎn)品，必須達到6 分甚至更高的評分要求。

表2 商用車平順性主觀評分標準

3.2 隨機路面平順性主客觀一致性

為實現(xiàn)客觀評價指標與主觀評價項的相互對應(yīng)，組織6 名經(jīng)驗豐富的主觀評價人員，以某普通二級路為評價路面，對17 輛商用車進行評價打分，同時采集司機座椅導軌處客觀數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 隨機路面客觀數(shù)據(jù)與主觀評分結(jié)果

表3 中，主觀評分為各評價人員的綜合評分，客觀數(shù)據(jù)為司機座椅導軌處XYZ 各向振動頻域有效值的均方根值。通過客觀數(shù)據(jù)和主觀評分的模糊對應(yīng)，可得到客觀數(shù)據(jù)區(qū)間和主觀評分區(qū)間的相互對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)主客觀統(tǒng)一，詳見表4。

表4 隨機路面主客觀對應(yīng)關(guān)系

3.3 脈沖輸入平順性主客觀一致性

以車速20 km/h 勻速行駛通過單個減速帶[9]，主觀評價小組分別對各車輛沖擊強度和殘余響應(yīng)進行評分，測試人員同時采集司機座椅導軌處客觀數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果見表5。

從表5 中可以看出，主觀評分為各評價人員的綜合評分，客觀數(shù)據(jù)為司機座椅導軌處Z 向加速度響應(yīng)處理后的數(shù)據(jù)。通過客觀數(shù)據(jù)和主觀評分的模糊對應(yīng)，得到客觀數(shù)據(jù)區(qū)間和主觀評分區(qū)間的相互對應(yīng)關(guān)系見表6。

表5 脈沖輸入行駛客觀數(shù)據(jù)與主觀評分結(jié)果

表6 脈沖輸入行駛主客觀對應(yīng)關(guān)系

4 商用車平順性評價模型

4.1 評價模型建立

商用車（卡車）常用行駛路況因車輛種類不同而不同，按常用行駛路況分為三類。第一類自卸和專用車類，常用場景為工地、礦山等較為惡劣路況，二級公路、城郊路況等路況行駛頻次居中，高速路況等平直路面行駛較少；第二類輕卡載貨類，常用場景為二級公路、城郊路況，高速路況等平直路面行駛頻次居中，工地、礦山等較為惡劣路況行駛較少；第三類牽引和中重型載貨類，常用場景為高速路況等平直路面，二級公路、城郊路況行駛頻次居中，工地、礦山等較為惡劣路況行駛較少。工地、礦山等較為惡劣路況與脈沖輸入行駛對應(yīng)，二級公路、城郊及高速路況與隨機路面行駛對應(yīng)。

結(jié)合工程應(yīng)用，將商用車評價路況分為二級水泥路、二級瀝青路、高速水泥路、高速瀝青路、單減速帶，共5 種路況，其中單減速帶即脈沖輸入行駛路況，其他屬隨機路面工況。評價車速分別對應(yīng)為50 km/h、50 km/h、80 km/h、80 km/h 和20 km/h。定義不同類型車輛在不同路況下的加權(quán)系數(shù)，見表7。

表7 商用車平順性評價加權(quán)系數(shù)

表7 中各類車輛各路況權(quán)重之和均為1，同時適用于平順性主觀評價綜合評分計算和客觀評價綜合指標計算。

4.2 應(yīng)用案例

以某6X4 牽引車為評價樣車，樣車為帶掛滿載狀態(tài)，評價小組和測試人員同時進行主觀評價和客觀測試。評價路況為二級水泥路、二級瀝青路、高速水泥路、高速瀝青路和單減速帶，所得到的主觀評分、客觀指標及由客觀指標對應(yīng)的主觀評分結(jié)果見表8、表9。

表8 隨機路面應(yīng)用案例

表9 脈沖輸入路面應(yīng)用案例

評價小組評分與由客觀指標對應(yīng)的主觀評分基本一致，說明客觀指標與主觀評分的對應(yīng)關(guān)系可靠，驗證了主客觀統(tǒng)一。

基于評價模型計算得到的平順性主觀評價綜合評分為6.8 分，對應(yīng)評分體系表2 中的可接受、基本滿意范疇，符合實車情況?？陀^評價綜合指標為1.59 m/s2，驗證評價模型可行性。

5 結(jié)論

綜上所述得出以下結(jié)論：

（1）分析現(xiàn)有的商用車平順性主客觀評價方法，提出在指導商用車平順性正向開發(fā)和工程應(yīng)用方面的不足。

（2）基于商用車平順性正向開發(fā)及工程應(yīng)用，將評價路況分為隨機路面和脈沖輸入行駛路面，提出相應(yīng)的商用車平順性試驗方法和主客觀評價體系。

（3）開展商用車平順性和主客觀評價一致性研究，提出主客觀指標的對應(yīng)關(guān)系，并進行主客觀一致性驗證，對提升商用車平順性和主客觀一致性具有重要的指導意義。

（4）基于試驗方法和主客觀評價體系，提出一種商用車平順性評價模型，并實車驗證其可行性。