应用ISO 2631-1与ISO 2631-5评估某军用越野汽车振动水平

崔阳文,张 明,傅耀宇,余永光,皮大伟

(1.南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094;2.中国定远汽车试验场,安徽 滁州 233210)

汽车是由多个系统组成的复杂振动系统,在行驶过程中,因路面不平、车速和运动方向变化、齿轮冲击以及车轮、发动机和传动系不平衡等各种外部和内部的激振极易产生整车或局部的强烈振动[1]。我国幅员辽阔,丘陵地带较多。Park等[2]研究表明,长期暴露于苛刻的振动环境中,将会对身体造成不利影响,且该损伤将不断累积并诱发多个部位的慢性病变。例如长期的振动会增加下腰椎和相关节段连接神经系统的受伤风险,过度的机械应力会损伤椎间盘组织,同时损伤会由椎间盘向外逐步扩散,可能导致腰椎节段的病变[3]。但由于振动对于人体的影响并不会在短时间内显现,大多在多年后才会表现出较明显的症状,所以对全身暴露于振动环境的工作人员进行健康风险评估,合理安排驾驶员作业,具有重大意义[3,4]。此外,郭雄峰等[5]发现不平度的连续变化会引起车辆的随机振动,局部突变则会引起车辆的瞬态振动,两者共同作用时,振动通过车身悬架系统传递至人体也会引起其心理上的不舒适[5]。军用越野汽车路线中,非铺装和越野路面占比较高,2种变化共同作用的概率高,采用加速度加权均方根值评价方法无法对车辆平顺性进行有效评价。

一些国家根据ISO 2631-1[3]和ISO 2631-5[4]2种标准提出了适合自己国家的相关标准,例如巴西在2014年通过对2种国际标准的研究发布NR-15[6],该标准比国际标准具有更多的限制性,更符合巴西国情[7]。我国目前还没有一种公认的越野汽车在非铺装道路的平顺性评价方法,还未提出符合我国实际情况的相应标准,对于车辆试验场道路的振动水平和路面对于驾驶员健康的影响仍有待研究。

本文根据ISO 2631-1和ISO 2631-5的试验方法,在试验场典型路面测试某越野汽车,研究不同的暴露时间与测试路面振动水平的关系,不同路面和振动方向对人员健康的影响,以及不同路面在2种标准下的差异性,为军车驾驶员作业计划的制定和越野汽车平顺性方法的完善提供依据。

1 评价指标研究

1.1 ISO 2631-1

ISO 2631-1常使用加权均方根(Root mean square,RMS)评价振动水平的大小,但当波峰因子大于9时,徐中明等[8]研究表明应使用振动剂量值(Vibration dose value,VDV)进行评价。由测试数据的处理结果,波峰因子在部分路段超过9。在该标准下,陈长等[9]指出VDV可以得到与人的真实感受更为一致的结果,并且在其设计的试验中对此进行了论证。本研究为了更准确地评价各种试验路况的振动水平,考虑使用VDV进行评价。VDV计算公式如下[3,10]

(1)

(2)

式中:aw(t)为时间函数的计权加速度;T为测量时间。通过数据采集分析系统可以快速对采集的振动加速度信号按照标准要求进行滤波,并求得计权加速度,从而利用MATLAB或者相关分析软件,求得VDV。

1.2 ISO 2631-5

ISO 2631-5评估一种累积的振动风险,其重点是对腰椎伤害的风险评估,相比其他评价标准引入了暴露年限。该标准对于振动加速度峰值较为敏感,更加注重垂直方向的振动。在ISO 2631-5建议中,采用腰椎的压缩应力来评估振动对人体的影响,计算日等效压缩静态压缩剂量值Sed过程如下:

(1)脊柱在座椅坐标系X、Y、Z3个方向的响应。

在X和Y轴方向脊柱响应为近似线性,并以单自由度表示,腰椎响应计算公式为[3]

(3)

式中:k取x或y;ζ=0.22,为临界阻尼系数;ωn=13.35 s-1,为固有频率;νsk和νlk为座椅和脊柱的速度时间历程;ssk和slk为脊柱相对于座椅的位移随时间的变化。通过采集、传输、存储、滤波和分析处理振动加速度信号,再进行一次积分与二次积分,得到速度时间历程与位移时间历程曲线。

在Z方向计算时采用非线性的神经网络模型,其计算公式如下

(4)

(5)

式中:alz为Z轴方向脊柱响应;uj、Wj可参考ISO 2631-5的相关数值。

(2)加速度剂量值的计算。

加速度剂量值Dk计算公式如下[3]

(6)

式中:k取x、y和z;Aik为响应加速度的第i个峰值。

式(6)为单次测量周期的日总暴露量,若当日振动暴露包含2个或2个以上不同的振动类型,将会用日平均加速度剂量Dkd来表示,计算如下[4]

(7)

式中:tdj为每天暴露在j类型振动的时间;tmj为测量Dkj的时间。

(3)每日等效静态压缩剂量值。

等效静态压缩应力表示压缩应力与脊柱峰值加速度响应之间的关系,计算平均每日暴露时间的每日等效静态压缩剂量Sed公式如下[4]

(8)

式中:Dkd为平均日加速剂量,mk推荐数值为mx=0.015,my=0.035,mz=0.032。

1.3 ISO 2631-1 与 ISO 2631-5标准警戒值对比 与评价指标选择

将ISO 2631-1健康风险的限值与ISO 2631-5健康风险的限值进行比较,采用高、中、低3个健康风险水平表示[11]。表1列出2标准中RMS、VDV8h和Sed健康风险级别的范围。考虑到当前的研究趋势是多轴的振动信息[12],而多轴信息不能通过简单相加来表征乘员综合感受,在计算时均应采用标准中提供的权重进行多轴融合[13]。

表1 标准中每日振动暴露与健康风险水平对比表

在测试中,VDV在3个方向仅存在细小的差异,在评价中常使用VSV来评价振动影响,VSV综合3方向VDV,用VSV来评估全身振动更具有综合性[14]。其计算公式如下

(9)

在ISO 2631-1标准中,VDV8h代表日常工作8 h的振动暴露。由于试验场工作的特殊性,为了评估测试路面在不同暴露时间的振动水平,首先对测得的振动加速度按照不同间隔的暴露时间进行处理,再根据标准定义,引入VDVactual来代表不同暴露时间对应的数值,其计算公式如下

(10)

式中:Tactual为实际暴露时间。

ISO 2631-1常使用RMS和VDVactual来评价振动水平的大小。标准ISO 2631-5中使用Sed对振动结果进行评价。

图1 试验样车图

2 实车试验

2.1 试验样车

该试验样车为某型越野汽车,车况如图1所示。试验驾驶人员为成年男性,熟悉试验场各类型测试路况,已有14 a驾驶操作经验,体重75 kg,身高1.8 m。

2.2 测试仪器

根据ISO 2631-1与ISO 2631-5相关数据采集要求,将座垫加速度传感器固定在驾驶员和座椅界面处的座垫表面进行加速度测量,采样频率为160 Hz。采用江苏东华测试技术股份有限公司DH5902数据采集分析系统进行数据采集,并将数据实时传输至便携式笔记本储存。其测试及数据采集流程如图2所示。

图2 测试及数据采集流程图

图3 测试车辆与部分路面图

2.3 试验设计与测试路面

测试车辆在设计的不同测试路面行驶,然后对座垫加速度传感器采集的客观数据进行分析并与主观感受评价相对比。测试路面、试验速度与采样时间如表2所示,试验中经网络接口传输与存储振动加速度信号,使用数据分析软件对其进行滤波和后续分析。实车试验采集鱼鳞坑路、不整齐石块路、卵石路、山路、扭曲路、高速环路、整体强化路、越野路、弯曲砂石路振动加速度数据,部分路面如图3所示。

3 试验分析

3.1 根据ISO 2631-1与ISO 2631-5研究暴露时 间对于健康的影响

根据ISO 2631-1与ISO 2631-5标准,对不同路段测试数据按照不同暴露时间进行处理,不同暴露时间的VDVactual和Sed处理结果见图4和图5。图4和图5表示9种测试路面的振动水平与不同暴露时间的关系。随着暴露时间的延长,Sed曲线对应斜率小于VDVactual所对应的斜率,2种评价指标与暴露时间的关系并不是线性关系。扭曲路所对应的振动水平表现差异较大。ISO 2631-1标准中,扭曲路的振动评估值高于6种路面,但在ISO 2631-5中所表现的振动水平在最高警戒值之下,原因可能在于不同振动方向在2个标准评价中占比不同。数据也表明高速环路这类测试路面,尽管车速较快,但整体的振动水平随着暴露时间延长,上升较为平缓。

图4 所有测试路面不同暴露时间的VDVactual曲线图

图5 所有测试路面不同暴露时间的Sed曲线图

图4和图5中越野路和弯曲砂石路暴露时间仅30 min时,振动水平远超过最高限值。在振动水平较低的路面,暴露时间延长不会使得风险陡增。在振动水平高的测试路面,随着暴露时间延长,风险会上升很快。

3.2 试验结果与对比

按照试验场常规试验规范,驾驶人员的实际工作时间为3 h左右,下文分析将各路段暴露时间定为3h,定量地研究2种指标的差异性和各测试路段振动水平对于驾驶员健康的影响。评价结果如表3所示,表3中标红处为超出最高警戒线的值。对于试验场的典型试验道路,振动冲击普遍偏大,其波峰因子大于9,所以下文主要使用Sed与VDVactual对试验进行分析。

表3 ISO 2631-1与ISO 2631-5评价结果表

如表4所示,ISO 2631-5比ISO 2631-1的预测值更低,特别是鱼鳞坑、卵石路、山路和扭曲路。为找出2种标准评价结果的差异性,将所有试验测量的VDVactual与Sed值相对比。如图6所示,3种路面的VDVactual在ISO 2631-1的最高警戒线下,5种路面的Sed在ISO 2631-5的最高警戒线下,这意味着ISO 2631-5在评价振动水平时,警戒线相比ISO 2631-1更高。一方面由于试验场中类似卵石路与鱼鳞坑,路基都较平整,对于车体的激励大部分来自于路面不平度(路面特征),产生的激励频率更高,2种标准评价指标对于不同频率范围的振动会有不同的表现;另外,VDV由时间积分的四次方根经过加权后得出,综合性更强,四次幂方法使得VDV对峰值较为敏感,Sed方法使用六次幂方法,这使得ISO 2631-5中的Sed方法相比VDV对峰值更加敏感。

表4 ISO 2631-1与ISO 2631-5的评估值比较表

图6 VDVactual和Sed值对比图

在振动评估中,除扭曲路以外,其余路面z方向振动水平普遍较大,对于人体的影响主要来自z方向的振动,这一点2种评价指标相似。但是,对于扭曲路的评估值却有较大的差异,ISO 2631-1评估值更大,这是由于ISO 2631-5重点考虑对于腰椎的静压缩强度,在z向计算时采用非线性的神经网络模型,随着z向加速度增加,z向加速度占比就会越大。2种评价结果对比如图7所示,2种评价指标对于所有测试路面振动评估趋势大致相同,尽管关注点可能有所区别,但2种标准仍具有较高的相似性。

图7 评价指标走势对比图

ISO 2631-1标准中的VDVactual计算了整个时间内的频率加权加速度的和,而ISO 2631-5重点考虑加速度峰值对人体的健康影响,下限值较ISO 2631-1高。通过上述对比和暴露时间与振动水平的关系可以看出采用Sed评价时,所表现的振动水平更加符合试验场实际情况。另外,当越野汽车高速运行时,振动较为严重,对于垂直振动水平高的环境,使用ISO 2631-5标准中的Sed作为评价指标更加适合。研究扭曲路等特殊路面对于健康的影响,推荐采用ISO 2631-1中的VDV作为评价指标。

3.3 某型越野汽车主观评价

主观评价的打分原则遵循简化的通用汽车统一测试规范(General motors uniform test specificatiaos,GMUTS)主观评价标准,将该军用越野车型主观评价分数汇总,如表5所示。表5中各项已计算评审人员评分平均值。图8为主观评价数值走势图。

表5 该军用越野车型的主观评审分数表

图8 主观评价数值趋势图

由表5与图8可知,高环路面整体振动较低,主观评价分数较高,分数较低的路面为越野路与弯曲砂石路。在主观评价中,车内乘员振动感觉最为强烈的部件为座椅坐垫,这与军用越野汽车设计方法与用途有很大关系。主观评价与2个评价标准数值的走势一致性较好,客观数据与主观评价都表明某型越野汽车在越野路振动较大,对人体的影响较大,长时间行驶于越野路面易造成人体疲劳与损伤。

3.4 不同路面对整体强化路贡献度分析

在定远汽车试验场中,整体强化路由许多类型的路面构成,主要包含鱼鳞坑、不整齐石块路、卵石路、山路和扭曲路。以整体强化路作为1个总研究目标,然后分别将5种典型路面拆解单独分析。对5种组合路面的振动加速度数据进行处理和分析,所得结果再与整体强化路所得的振动数值进行对比,便可以获得不同路面对于整体的影响,即不同路面对于整体路面的贡献度。

实车试验采用控制变量法。第1步,先测试整体强化路,测试时5种组合路面尽可能保证测试时间近似,5种测试路面组合在一起构成整体路面,按照ISO 2631-5振动水平评估值与时间的关系,处理振动加速度数据,Sed等于0.865 MPa。第2步,单独研究整体强化路所采集的5段标准测试路面,按照总测试时间和每种路面测试采样时间,计算每一段路面的Sed值,并与整体强化路进行比较,从而研究组合路面对于整体的贡献度,各项试验处理数据如图9所示。

图9 5段标准路面与整体强化路Sed对比图

由图9可知:不整齐石块路的Sed为0.85 MPa,其振动水平评估值占整体强化路的98.27%;扭曲路的Sed为0.41 MPa,占整体强化路的47.40%。由图4可知,在上述5种路面暴露时间均为30 min时,不整齐石块路振动水平仍然接近整体强化路的振动水平。这表明,整段道路的振动水平并不是由不同分段线性相加的,当整体道路有1段路面振动暴露过大时,整体的振动水平也会居高不下,而较低的振动水平对于整体的贡献较小。

3.5 x与y方向振动加速度对指标的影响

在测试时扭曲路行驶速度为15 km/h,在9种测试路面中测试速度最慢,但扭曲路振动水平评估数值仍然较大,在常规平顺性方面认为路面情况较好,道路扭曲可能并不会对健康造成影响。但是,从表3、表4、图4、图5和图9的数据分析可知,扭曲路x、y方向的振动加速度对于人体仍然有较大的影响。由上文可知,越野汽车在振动水平评估时,x与y方向加速度对振动评估值的贡献也占有重要地位。在传统越野汽车的评定中,很少有相关的试验和要求,如果进行相关试验需要保证试验的重复性和可靠性。在试验场的测试路段中,扭曲路面对于x、y方向的加速度测试较为便利,且路面特征明显,可以较好地反映x与y方向对于人体的影响。建议使用扭曲路对越野汽车在x与y方向的振动加速度进行测量,后期可以针对类似路面对x与y方向的振动影响进行更深入的研究。

4 结束语

本文根据ISO 2631-1和ISO 2631-5标准对某军用越野汽车驾驶员的全身振动暴露进行评估。测试结果根据2种标准进行处理,将结果与标准所规定的警戒值进行对比,研究了2种评价标准的差异。得到以下结论:

(1)在高振动水平路面驾驶某型车辆时,驾驶员有较大的健康风险,随着暴露时间的延长,驾驶员所面临的的风险会快速上升。

(2)测试数据显示,Sed对于峰值最敏感,VDV次之。ISO 2631-5更适用于高幅值的路面评估。需综合考虑x、y方向的振动对健康影响时,例如针对类似扭曲路的路面,VDV评价更加合适。

(3)组合测试道路的整体振动水平评估值的大部分贡献来自于高振动水平路段,当有较大振动冲击时,整体的振动评估值就会居高不下。

(4)研究发现,在x和y方向的加速度对于人体健康影响占有不小的比重,在常规的平顺性与健康舒适性评价中应该被重点考虑,对于相关的平顺性试验也应该进行相应的完善。

本文研究了某型车辆的振动水平大小与2个标准的差异,但无法准确获取某型军用越野汽车驾驶员是否有相关疾病的统计数据。在ISO 2631-1和ISO 2631-5中,未量化振动水平对健康影响的大小,本文研究有助于制定符合我国国情的相应标准。