第三章 基于虚拟试验的平顺性仿真
3.1 引言
整车行驶平顺性是保证整车在行驶过程中司乘人员所处的振动环境具有一定舒适度的性能。汽车行驶时，由于路面不平度等因素激起汽车的振动，使乘员处于振动环境之中。振动影响着人的舒适性、工作效能和身体健康。保持振动环境的舒适性，以保证驾驶员在行驶和操纵条件下具有良好的心理状态和准确灵敏的反应，它将影响“人－汽车”系统的操纵稳定性。舒适的振动环境对于乘员，不仅在行驶过程中很重要，而且可以保证在达到目的地后以良好的身体和心理状态投入工作。汽车的行驶平顺性是由输入激励、车辆本身的动态特性、车体上的加速度响应输出及人体对振动的反应决定的，汽车的输入主要是由以一定的速度驶过随机不平的路面时引起的，此输入经由轮胎、悬架系统传递到车体和人产生加速度响应输出。然后，根据人体对振动的反应－乘员的舒适程度来评价越野车的行驶平顺性。
3.2 平顺性评价指标
汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，因此平顺性主要根据乘员主观感受的舒适性来评价，对载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代高速汽车的主要性能之一。
3.2.1 人体对振动的反应
机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向和持续时间，而且每个人的心理与身体素质不同，故对振动的敏感程度有很大的差异。直到1974年，国际标准化组织(ISO)在综合大量有关人体全身振动研究成果的基础上，制定了国际标准ISO 2631:《人体承受全身振动评价指南》，后来对它进行过修订、补充。于1997年公布的ISO 2631:1997 (E)，此标准对于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，能与主观感觉更好的符合。我国对相应标准进行了修订，公布了GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》。ISO 2631:1997 (E)标准规定了图3-2所示的人体坐姿受振模型，在进行舒适性评价时，它除了考虑座椅支承面处输入点3个方向的线振动，还考虑该点3个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支承面两个输入点各3个方向的线振动，共3个输入点12个轴向的振动
[18]
。
图3.1 人体坐姿受振模型
此标准仍认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，在图3.2上给除了各轴向0.5-80Hz的频率加权函数(渐近线)，又考虑不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还给出了各轴向振动的轴加权系数k。表3.1给出了三个输入点12个轴向，分别选用哪一个频率加权函数和应轴加权系数k.
表3.1 频率加权函数、轴加权系数k
图3.2 各轴向振动的轴加权系数
由表3.1上各轴向的轴加权系数可以看出，椅面输入点xs、ys、zs三个线振动的轴加权系数k＝1，是12个轴向中人体最敏感的，其余各轴向的轴加权系数均小于0.8。另外，ISO 2631:1997 (E)还规定，当评价振动对人体健康的影响时，就考虑xs、ys、zs这三个轴向，且xs、ys 两个水平轴加权系数取k＝1.4，比垂直向更敏感。标准还规定靠背水平轴向xb、yb可以由椅面xs、ys，水平轴向代替，此时轴加权系数取k=1.4。因此，我国在修订的相应GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》时，评价汽车平顺性就考
虑椅面xs、ys、zs这三个轴向。
3.2.2 平顺性的评价方法
（1） 人体承受全身振动的评价指南
国际标准化组织ISO提出了ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》。该标准用加速度均方根值(RMS)给出了在中心频率1～80HZ振动频率范围内人体对振动反应的三种不同的感觉界限。我国参照ISO2631制定了国家标准《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》和《客车平顺性评价指标及极限》。
ISO2631用加速度均方根值给出了人体在1～80Hz振动频率范围内对振动反应的三个不同感觉界限：舒适－降低界限、疲劳－工效降低界限和暴露极限。
舒适－降低界限与保持舒适有关。在此极限内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，并能顺利完成吃、读、写等动作。
疲劳-工效降低界限与保持工作效率有关。当驾驶员承受振动在此极限内时，能保持正常地进行驾驶。
暴露极限通常作为人体可以承受振动量的上限。当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。
三个界限只是振动加速度容许值不同。“暴露极限”值为“疲劳－工效降低界限”的2倍（增加6dB）；“舒适－降低界限”为“疲劳－工效降低界限”的1/3.15（降低10dB）；而各个界限容许加速度值随频率的变化趋势完全相同。
图3-3 a)和图3-3 b)分别为在双对数坐标下的垂直和水平方向振动对人体影响的“疲劳－工效降低界限”。在一定的频率下，随着暴露（承受振动）时间加长，感觉界限容许的加速度值下降。所以，可用达到某一界限允许暴露时间来衡量人体感觉到的振动强度的大小。
a) 垂直方向(Z－轴向) b) 水平方向(X－纵向，Y－横向) 图3.3 ISO2631人体对振动反应的“疲劳－降低工效界限”
由图3.3的曲线族可知，人体最敏感的频率范围，对于垂直振动为4～8Hz；对于水平振动为1～2Hz以下。在2.8Hz以下，同样的暴露时间，水平振动加速度容许值低于垂直振动。频率在2.8Hz以上则相反[3]。
为了用“疲劳－工效降低界限”评价汽车平顺性，首先要对经过汽车座椅传至人体的振动进行频谱分析，得到1/3倍频带的加速度均方值谱。 （2） 总加权值评价方法[32][33][34][35][36]
ISO 2631-1:1997 (E)标准规定，当振动波形峰值系数<9(峰值系数时加权加速度时间历程
aw(t)的峰值与加权加速度均方值aw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。
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Ga(f)，按下式计算
aw??800.5[w2(f)Ga(f)df] (3.1)
12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
?0.5?f/4?wk(f)???1??12.5/f?1wd(f)???2/f?1wc(f)???8/f?1we(f)???1/f(0.5?f?2)(2?f?4)(4?f?12.5)(12.5?f?80) (3.2)
(0.5?f?2) (3.3)
(2?f?80)(0.5?f?8) (3.4)
(8?f?80)(0.5?f?1) (3.5)
(1?f?80)为了使仿真试验分析的结果更加逼近实际情况，需要同时考虑xs、ys、zs这三个轴向的振动，三个轴向的总加权加速度均方根值按下式计算：
av?[(1.4axw)?(1.4ayw)?a]22122 zw (3.6)
考虑按照标准的评价方法，还需要采用加权振级Law，它与加权加速度均方根值aw换算，按下式进行
Law?20lg(aw/a0) (3.7)
式中，a0为参考加速度均方根值，a0?10?6m/s2。
参考评价标准，表3.2给出了加权振级Law和加权加速度均方根值aw与人的主观感觉之间的关系。
表3.2 Law和aw与人的主观感觉之间的关系
加权加速度均方根值aw 加权振级Law dB 110 110～116 114～120 118～124 112～128 126 人的主观感觉 m/s2 <0.315 0.315～0.63 1.5～1.0 0.8～1.6 1.25～2.5 >2.0 没有不舒服 有一些不舒服 相当不舒服 不舒服 很不舒服 极不舒服 当峰值系数>9时，ISO2631-1:1997(E)标准规定用4次方根值的方法来评价，它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数振动对人体的影响，此时采用辅助评价方法——振动剂量值为：
14VDV?[?a(t)dt]/ms?1.57 (3.8)
0T4w3.2.3 平顺性评价程序的编写
确定平顺性评价方法后，需要编写平顺性评价程序。将仿真测量的驾驶员座椅处振动加速度曲线输入后处理模块(POST-Processor)将加速度曲线进行FFT变换后导入该程序即可得出加权加速度均方根值。程序流程如图3.4。