第6章汽车舒适性

第6章汽车舒适性定义:汽车舒适性是指为乘员提供舒适、愉快的乘坐环境和方便安全的操作条件的性能。包括：汽车平顺性、汽车空气调节性能、汽车乘坐环境及驾驶操作性能等。汽车平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的震动环境具有一定舒适度的性能。汽车空气调节性能是指对车内空气的温度、湿度、粉尘浓度实现控制调节，使车室内空气经常保持使乘员舒适状态的性能。汽车乘坐环境及驾驶操作性能是指乘坐空间大小、座椅及操纵件的布置、车内装饰、仪表信号设备的易辨认性等。6.1汽车行驶的平顺性平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价。对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。行驶平顺性既是决定汽车舒适性最主要的方面，它本身也是评价汽车性能的主要指标。6.1.1汽车震动及其传递途径影响因素:■行驶路面的凹凸不平■高速旋转的轮胎和传动轴■发动机的转矩变化图6.1汽车震动系统方框图行驶平顺性问题可以用下图方框图来分析上述诸多“信号”不断地“输入”行驶中的汽车，而汽车又可以看作是由轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和悬架质量及非悬架质量构成的“震动系统”。各种“输入”信号沿不同的路径传至乘员人体，其主要传递路径如图6.2所示。图6.2汽车行驶震动传递路径不意图作为系统的“输出”，是人体或货物受到的震动，其中最重要的是震动的频率和震动加速度。任何一个“震动系统”均有一个“固有频率”，当外界激振频率接近或等于“固有频率”时，将出现“共振”现象，产生剧烈的震动，这既要影响汽车的操纵稳定性，也要影响行驶平顺性。人体是一个复杂的机械震动系统，人体对震动的反应既与震动频率及强度、震动作用方向和暴露时间有关，也与乘员的心理、生理状态有关。通过大量的震动试验表明，人体对不同方向的震动存在差异，对上下震动忍耐性最强，其次是前后震动，对左右震动最敏感。人体上下震动的共振点大约在4Hz~8Hz，水平震动的共振点大约在1Hz~2Hz。如果在共振点上加振，人的抗振能力会严重下降，氧气消耗量剧增，能量代谢加快。研究汽车行驶平顺性实际上要解决两方面的问题：一是如何避免汽车这个“震动系统”的“共振”现象；二是使“震动系统”输出的震动频率避开人体敏感的范围，震动加速度不超过人体所能承受的强度。6.1.2行驶平顺性的评价目前对行驶平顺性的评价仍是以人的主观感觉为最终依据，它既要受震动环境特点的影响，又要受人的心理、生理因素的影响，所以这种评价和衡量是非常困难和复杂的。1997年分布了ISO2631-1《人体承受全身震动评价——第一部分：一般要求》。ISO2631-1∶1997（E）标准规定了人体坐姿受振模型（图6.3）。模型表明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。zyx、、图6.3人体坐姿受振模型图6.4各轴向频率加权函数（渐进线）此标准认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，在图6.4上给出了各轴向0.5~80Hz的频率加权函数（渐进线），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。图6.4各轴向频率加权函数（渐进线）表6.1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相应的轴加权系数k。位置坐标轴名称频率加权函数轴加权系数k座椅支承面xsyszsrxryrzωdωdωkωeωeωe1.001.001.000.630.400.20靠背xbxbxbωcωdωd0.800.500.40脚xfxfxfωkωkωk0.250.250.40以前，有关标准及文章对人体的评价，用疲劳——降低工效界限，降低舒适界限以及加权加速度均方根值等指标对货车车厢振动的评价，用加速度均方根值和加速度功率谱密度函数。ISO2631-1∶1997（E）标准规定，当振动波形峰值系数9（峰值系数是加权加速度时间历程的峰值与加权加速度均方根值的比值）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。根据测量，这一方法对各种汽车在正常行驶工况下均适用。1.单轴向加权加速度无度方根wa用基本的评价方法来评价时，先计算各轴向加权加速度均方根值。具体计算方法如下：1）对记录的加速度时间历程a(t)，通过相应频率加权函数w(t)的滤波网络得到加权加速度时间历程，按下式计算加权加速度均方根值:)(ta2102)(1TdttaTa式中，T为振动的分析时间，一般取120s。频率加权函数w(t)（渐进线）可用以下公式表示，式中频率f的单位为Hz)805.12(/5.12)5.124(1)42(4/)25.0(5.0)(fffffffk)802(/2)25.0(1)(ffffd)808(/8)85.0(1)(ffffc)801(/1)15.0(1)(ffffe2）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，按下式计算)(fGa21805.02)()(1dffGfTaa2.总加权加速度均方根值0a当同时考虑椅面这三个轴向振动时，三个轴向的总加权加速度均方根值按下式计算sss、z、yx2122204.14.1zyxaaaa式中，——为前后方向（轴方向）加权加速度均方根值；——为左右方向（轴方向）加权加速度均方根值；——为前后方向（轴方向）加权加速度均方根值。xayaza3.加权振级与加权加速度均方根值的换算目前在具体测量时，有些“人体振动测量仪”采用加权振级，加权振级表明振动的量级，可以理解为用分贝值表示的加权加速度均方根值。它与加权加速度均方根值的换算按下式进行aLa)/(200aaLgLa式中，为参考加速度均方根值，10-6m·s-2；为加权振级，dB。0aaLISO2631—1∶1997（E）标准给出了在1~80Hz振动频率范围内人体对振动的主观感觉（表6.2）；由以上计算得到的加权加速度均方根值与表6.2比较，可得知人的主观感觉程度，即可评价汽车的平顺性优劣。加权加速度均方根值/（m·s-2）加权振级/dB人的主观感觉0.315110没有不舒适0.315~0.63110~116有一些不舒适1.5~1.0114~120相当不舒适0.8~1.6118~124不舒适1.25~2.5112~128很平舒适2.0126极不舒适aaL表6.2和与人的主观感觉之间的关系aLa6.1.3改善平顺性的途径1.悬架结构减小悬架刚度，降低固有频率，可以减少由于不平路面而引起乘员承受的加速度值，这是改善平顺性的基本措施。为避免出现“共振”，前、后悬架的固有频率应避开激振频率。另外，由于来自路面的激振先作用于前轮，然后才作用到后轮，为减轻由此引起的纵向角震动，前悬架的固有频率应略低于后悬架，亦即前悬架刚度略低于后悬架。2.悬架阻尼悬架系统的阻尼主要来自减振器、钢板弹簧叶片之间的摩擦以及轮胎变形时橡胶分子间的摩擦。其作用是使车身的震动迅速衰减，减小传递给乘员和货物的震动加速度，缩短震动时间，改善行驶平顺性，还能改善车轮与道路的接触状况，防止车轮跳离地面，提高操纵稳定性。在使用中，应防止减振器失效及弹簧片生锈锁住，影响行驶平顺性。3.轮胎轮胎对行驶平顺性的影响主要取决于轮胎的径向刚度，适当减小轮胎径向刚度，可以改善行驶平顺性。比如采用子午线轮胎径向刚度减小，轮胎的静挠度增加40%以上，行驶平顺性得到改善。但轮胎刚度过低，会引起侧向偏离加大，影响汽车的操纵稳定性。在使用中，通过动平衡试验消除轮胎的动不平衡现象，也是保证行驶平顺性的必要措施。4.座椅座椅的布置对平顺性有较大的影响。接近车身中部的座位振幅较小，前、后两端的座位振幅较大，在相同频率下乘员感受到的震动加速度就不一致，所以轿车的座位均布置在前后轴轴距之内。载货汽车和公共汽车，为了减少水平前后方向的振幅，座位在高度方向上应尽量缩小与重心间的距离。座垫也有一定减振作用。座垫的刚度和阻尼要作适当选择，以使人一座椅系统的固有频率避开人体最敏感的4~8Hz范围，同时应使阻尼系数达到0.2以上。5.非悬架质量非悬架质量对汽车的平顺性有较大的影响，其质量的大小直接影响到传递到车身上的冲击力。质量越小，冲击力越小，反之将加大。非悬架质量对行驶平顺性的影响，常用非悬架质量与悬架质量之比m/M来评价，此比值轿车一般在10.5%~14.5%之间，以小些为好。6.1.4汽车平顺性的试验1.平顺性试验的主要内容（1）汽车悬挂系统的刚度、阻尼和惯性参数的测定通过测定轮胎、悬架、座垫的弹性特性（载荷与变形的关系曲线），可以求出在规定载荷下轮胎、悬架、座垫的刚度。由加、卸载曲线包围的面积，可以确定这些元件的阻尼。另外，还要测量悬挂（车身）质量、非悬挂（车轮）质量、车身质量分配系数等。（2）悬挂系统部分固有频率（偏频）和阻尼比的测定将汽车前轮、后轮分别从一定高度抛下，记录车身和车轮质量的衰减震动曲线，见图6.4。图6.4悬挂系统衰减震动曲线a）车身震动b）车轮震动将汽车前轮、后轮分别从一定高度抛下，记录车身和车轮质量的衰减震动曲线，见图6.4。由图上曲线可以得到车身质量震动周期Tr和车轮质量震动周期，然后按下式算出各部分固有频率：'T车身部分固有频率Tf120车轮部分固有频率'1112Tf由车身和车轮部分的衰减率2'1''21AAAA、按下式求出阻尼比、'22ln411'22'ln411（3）汽车震动系统的频率响应函数的测定在实际随机输入的路面上或在电液震动台上，给车轮0.5~30Hz范围的震动输入，记录车轴、车身、座垫上各测点的震动响应；然后由数据统计分析仪处理，按车轴/输入、车身/车轴、坐垫/车身可相应得到车轮、悬架、座垫各环节的频率响应函数。其幅频特性的峰值所在频率即为各环节的固有频率，峰值幅值可用于近似求出各环节的阻尼比1212A（4）实际路面随机输入行驶试验此项试验是评定汽车平顺性的最主要试验。按照GB/T4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》进行。各种车辆因工作条件不相同、试验要求的路况、车速、传感器安装位置等也有所不同。平顺性随机输入试验主要以总加权加速度均方根值来评价。根据试验中记录的震动加速度时间历程，通过数据处理设备得到加速度功率谱密度，并可计算各1/3倍频程带宽中心频率的加速度均方根，进而可求得。这些评价指标随车速的变化曲线称为“车速特性”，可用于整个使用车速范围内全面地评价汽车平顺性。woacifiwa（5）汽车驶过凸块或凹坑脉冲输入行驶试验汽车行驶时偶尔会遇到凸块或凹坑，其冲击会影响汽车平顺性，严重时会损害人体健康，破坏运载的货物。此项试验按GB/4970—1996《汽车平顺性单脉冲输入行驶试验方法》进行，汽车以一定车速驶过规定尺寸的三角形凸块得到脉冲输入。评价指标用坐垫上和地板上加速度最大值或加权加速度最大值。2.性试验数据的采集和处理平顺性试验要采集各种震动与冲击信号，特别是大量随机震动信号，然后以计算机为主体，配以采样、模一数转换以及各种软硬件的数据处理系统，进行平顺性评价指标、频谱及频率响应函数的处理。（1）测试仪器系统测试仪器系统包括加速度传感器、前置放大器和磁带记录仪或数据采集器。图6.5为测试仪器系统的框图。测试仪器系统的频率范围应当不小于0.1~300Hz，动态范围不小于60dB。传感器一般采用压电式加速度计。测量坐垫上的加速度时，要把传感器安装在一个半刚性的垫盘内，盘的最大厚度为12mm，盘的直径为200±50mm。为了保证记录信号的精度和适应以后处理，在测试时要满足以下要求：1）记录电平磁带记录仪一般有10mV左右的噪声电压，记录的信号电压保持在1V左右比较合适，这样可以保证信噪比在40dB以上。2）记录时间根据实测得到的有限长度记录，在数据处理设备上计算出的功率谱等参数只是所研究参数的估计值。以功率谱为例，