微商车的垂直振动不舒适度模型和实验研究

沈 阳，李 豆，黄 煜，王海军，陈丹华，黄元毅

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2.上海交通大学 机械与动力工程学院 振动、冲击、噪声研究所，上海 200240)

微商车主要面向中小城市和乡镇用户，它的商乘两用特性能够很好地满足人们的需要。中小城市和乡镇地区路况复杂，包括沥青、水泥、砂石和颠簸等路面。建立微商车在不同路况下行驶时车内振动使人产生的不舒适度预测模型对于改善乘客的乘坐舒适性起着重要的作用。

振动作用下的人体不舒适度主要研究振动频率、幅值、方向以及作用时间等对人体不舒适度的影响[1-9]，其中不舒适度包括振动作用下人保持坐和站立等不同姿势，以及全身振动和手部振动等不同情况，这些研究通常采用单频振动激励。振动的主观评价在工业中的应用也十分广泛。Sammonds和Fray[10]根据模拟的振动激励研究了长时间驾驶时的不舒适度，建立了不舒适度和驾驶员与正常驾驶无关的运动次数之间的关系。Ittianuwat和Fard[11]采用高斯信号研究了扭转共振频率下汽车座椅靠背处的振动加速度，指出共振频率下座椅靠背中心处的加速度值和靠背其他位置相比最小。Cankaya和Koyuncu[12]以拖拉机空转时方向盘的振动加速度和振动使人手部产生的不舒适度相结合作为标准，来检验方向盘连接处结构改进后的减振效果。Lerspalungsanti和Albers[13]基于人工神经网络方法建立了适用于乘用车振动下人体不舒适度的预测模型，可在传动系统的设计阶段起到检验作用。谢伟平和洪文林等[14]采集了团体操和打篮球时楼板和看台的振动信号，并根据国际标准ISO2631-1997评价了体育馆楼板振动时人的舒适度。常用的振动主观评价方法包括幅值评价法[1-3,6,9]和打分法[10-12]。

微商车作为一种新的车型，行驶路况复杂，为了更好地预测微商车行驶时振动使人产生的不舒适度，必须对不同路况下的振动不舒适度进行研究。本文研究了微商车在四种路况（如：沥青、水泥、砂石和颠簸）下行驶时车内振动使人产生的不舒适度。采用绝对幅值评价法进振动的主观评价，并且通过线性回归建立不舒适度和振动加速度的关系。

1 实验方法

1.1 评价人员

30位评价人员（15男，15女）参加了振动的主观评价实验，其年龄中值为24岁（范围22－27岁），身高中值1.68 m（范围1.53 m～1.88 m），体重中值59.5 kg（范围46 kg～85 kg）。

1.2 实验设备

振动激励由安装于电脑（IBM T410，中国）上的软件及配套振动控制器（ECON VT-9008，中国）控制并输出给电磁振动台（V8-640，英国）。振动台上安装一个座椅，评价人员坐在座椅上（图1），背部不接触座椅靠背，为了消除外界噪声的影响，在进行振动评价时评价人员要戴上降噪耳机（BOSE QC25，美国）。

评价人员通过无线键盘（ECOLA NT-21，中国）给出每个振动激励下的不舒适度值，记录于电脑（Lenovo G470，中国）。实验设备连接图见图2。

1.3 振动激励

实地测试记录了微商车在沥青、水泥、砂石和颠簸4种路况下行驶时驾驶员座椅导轨处的振动加速度信号。每种路况下选择1个振动信号，4个振动信号的频谱见图3。

图1 评价人员

图2 实验装置连接图

计算四个振动信号的峰值系数，即频率计权后加速度信号的峰值与均方根值之比，结果见表1。由表可知四种路况下峰值系数都小于9，所以Wb计权振动加速度可以用来描述振动信号的强度[15]。每个信号持续5 s，通过幅值调节并经振动控制器和电磁振动台进行校准，得到相差3 dB的一系列振动样本，Wb计权加速度范围为 0.531 m/s2～2.991 m/s2。所以总共24个振动样本，其编号和加速度值见表2。

表1 峰值系数

1.4 实验过程

30位评价人员采用绝对幅值评价法给出24个振动激励下的不舒适度值。两个振动激励间隔2 s，每位评价人员完成实验大约需要6分钟。振动激励随机播放。

图3 振动频谱

1.5 数据处理

为了将30位评价人员的评价结果表示在同一坐标系中，需要对每位评价人员的结果进行“标准化”：每个振动激励下的不舒适度值除所有激励下不舒适度值的中位数，再乘100。

2 实验结果

每个振动激励下30位评价人员不舒适度值的中位数和上下四分位数见图4。

表2 振动激励

图4 每个振动激励下不舒适度值的中位数和上下四分位数

3 讨论

3.1 不同路况对振动不舒适度的影响

对于每一个振动加速度，使用Friedman方法检验四种路况下30位评价人员的不舒适度值是否存在显著差异，结果见表3。由表可知当加速度值为0.531、1.06、1.498和2.991 m/s2时，四种路况下的不舒适度值存在显著差异，其具体差异见表4。

由表4可知，在同一振动加速度下，沥青和颠簸路面上的不舒适度值较水泥和砂石路面上的不舒适度大，且水泥路面上的不舒适度要大于砂石路面。由于不同路况下不舒适度值存在显著差异，所以有必要研究不同路况下的不舒适度值和振动加速度之间的关系，建立适用于不同路况下的垂直振动不舒适度预测模型。

表3 四种路况下不舒适度的Friedman检验结果

表4 四种路况下不舒适度值的差异

3.2 四种下振动不舒适度的预测模型

采用线性回归方法确定不舒适度和振动加速度之间的关系，不舒适度值为因变量，加速度为自变量，得到的回归方程如下

其中DC是不舒适度值，a是Wb计权振动加速度。根据公式（1）计算得到的不舒适度值和实验的到的不舒适度值的中位数之间的相关系数为0.994（p＜0.01，Person）（图5）。

图5 计算得到的不舒适度和实验得到的不舒适度中值的比较

4 结语

采用Wb计权振动加速度来描述振动激励的强度，使用线性回归方法确定了振动不舒适度和加速度之间的关系，建立了不同路况下微商车车内垂直振动使人产生的不舒适度预测模型，该模型能够准确预测不舒适度值。