轿车乘坐舒适性测试系统设计

刘昌力

摘要：论述了车辆振动舒适性的评价方法，介绍了乘坐舒适性国内外研究发展的概况。应用MATLAB建立车身与车轮的二自由度振动模型。针对现有的震动舒适度的评价方法，得到了基于烦恼率的一种评价方法，将整个车辆系统视为二自由度的结构化模型，得到了该车辆结构在得到路面反馈时对车内人员的烦恼率评价，从而进一步分析人员对振动的反馈。

关键词：数值分析;振动舒适性;振动模型;汽车平顺性

0  引言

如今，汽车的舒适性和安全性越来越受到广泛的关注。车辆振动主要受到悬架结构和路面粗粝度的影响，在路面粗粝度不变的情况下，新一代车辆悬架结构系统在满足车辆行驶时的安全性的同时，对于车辆行驶时的舒适度也提出了更高的要求，并且在粗粝的地面上行驶时，整个车辆系统对于发动机和传动系统的振动效应应该具有更好的减震效果。目前所定义的舒适度主要是指视野宽度、座椅的人机工程结构、隔音性能以及车辆结构所引起的振动大小。汽车的乘坐舒适度指的是在驾驶过程中振动和冲击对驾驶员及乘客的舒适性。为了研对舒适度展开研究，我们对整个车辆系统性的包括发动机和道路因素在内的因素视为一个影响因素集。

近年来针对车辆舒适度方向进行的相关实验显示垂直方向上的加速度是引起汽车驾驶员以及乘客不舒适感受的主要因素，在相同路面条件下越小的振动加速代表了更好的舒适度，反之亦然。所以针对汽车舒适度的评判体系中振动加速度的大小是一项重要的评价指标。

2000年，杜子学研究出一种可用于商用乘务车的平顺性指标Cgv，并以普通商务车为研究对象，得到了在评定Cgv这项影响加权因子时的有关与车辆行驶时速、路面粗粝都和轮胎齿痕等诸项加权系数的具体计算方法[1]。2001年，孙华使用了相对比较法对乘坐舒适度进行了主观意识上的评价，在其研究中主观意识进行评判的的因素可以确定为驾驶员疲劳度、车辆震动程度、乘员乘坐体验等感觉[2]。日本的铃木近等人运用了心理学中的SD方法对车辆乘坐舒适度进行人为意识上的评价[3]。2005年，李鸿炜使用了模糊数学的相关观点建立了影响因子的数学集合，其中具体的指数包括了车辆内人员的身体振动、生理情况和心理影响因子[4]。

1  评价乘坐舒适度的方法

目前的研究中针对车辆乘坐舒适性的评定方法主要有：乘坐舒适性系数法（RCL法）、吸收功率法、ISO法和NASA单一不舒适性指数法等，在与其他方法的比较中ISO法体现了较为明显的优势，在实际应用中也体现出了良好的适用性。比较如图1所示。

2  基于烦恼率的乘坐舒适度评价

现有的研究结果显示基于个体的不同，乘员对振动的感受主要受到振动的频率和持续时间等影响因子决定，不同身体素质的人对相同的振动情况表现出了不同的适应性。在评价体系中简单二进制逻辑原理的加速度的极限不能反映出这些不确定性。

在国内外广泛的研究中，将振动的加速度作为振动舒适度的评价基础，在基于烦恼率的评价体系里，使用振动加速度系数rms作为其主要的影响因子，表现了在车辆系统模型内驾驶员和乘客对振动的接收程度。

3  振动舒适性评价

建立系统的车辆物理模型时，除去发动机减震和其他的车身减震元件，将整体的车辆结构视为一个二自由度的运动学模型，在该模型下车身结构里的所有减震元件被当作其他的线性组件进行数学建模。

3.1 基于IS0的舒适度判断体系

在車辆的模型建立过程中，在考虑到减震元件对车身模型垂直方向上的线性影响，如图2所示，在车辆模型的振动加速度变化中在数学模型里加入了频率影响因子来计算振动时的数学值变化。

3.2 建立系统微分方程

在二自由度模型中可定义车轮与车身垂直位移坐标分别为为z1、z2，其运动方程为：

3.3 双质量系统的传递特性

先求双质量系统的频率响应函数，将有关各复振幅代入，得：

由式（2）得z2-z1的频率响应函数：

将式（4）代入式（3）得z1-q的频率响应函数：

3.4 车身加速度、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载的幅频特性

①车身加速度对路面不平度的频率特性：

②相对动载对路面不平度的频率特性。

车轮与路面间相对动载与路面不平度之间的传递函数为：

③悬架动挠度对路面不平度的频率特性。

悬架动挠度为：

悬架动挠度与路面不平度之间的传递函数为：

4  仿真过程

通过建模，我们已经得到了各所需的传递函数。下面要利用MATLAB的M文件进行仿真（图3）。由此我们可以分析出在相对动载荷在路面不平整时车内人员的舒适性，在本文的设计中加入了烦恼率影响因子，在该舒适度判断体系里对相关的数学值进行了充分的分析，仿真的结果表明了在车身车轮双自由度模型下的轿车乘坐舒适性测试系统是有效的。

参考文献：

[1]杜子学.基于乘用车型平顺性分析的新指标[J].机器人西南交通大学学报，2000（35）：152-154.

[2]孙华.轿车乘坐舒适性主观感觉评价及实践[J].同济大学学报，2008（25）：239-241.

[3]刘建中，铃木近，青木弘行，等.汽车乘坐舒适性主观评价模型的构建[D].汽车技术，1994（9）：11-18.

[4]李鸿炜.用多级模糊综合评判理论评价汽车乘坐舒适性[J].公路与汽运，2005（2）：1-4.