汽车平顺性评价方法综述

汽车平顺性评价方法综述文章编号：1006-1355(2012)04-0001-05汽车平顺性评价方法综述夏均忠1，马宗坡1，方中雁2，白云川1（1.军事交通学院汽车工程系，天津300161；2.北汽福田汽车股份有限公司北京新能源客车分公司，北京102206）摘要：针对国内外汽车平顺性评价方法存在较大争议的现状，系统分析各类评价方法的特点、差异和适用范围。首先介绍主观评价方法，其中比较典型的是模糊层次分析法；然后分别介绍吸收功率法、总体乘坐值法、VDI2057（2002）和ISO2631（1997）四种客观评价方法；最后引入新近提出的几种主、客观综合评价法，包括汽车综合振动舒适度Cgv法、模糊评价法和烦躁率分析法。各类方法都能对汽车平顺性作出评价，但标准各有差异。研究发现，多学科交叉的主、客观综合评价法能较好的实现汽车平顺性评价，是今后研究的重点方向。关键词：振动与波；评价方法；综述；平顺性；汽车中图分类号：O32；U467文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2012.04.001ReviewfortheCurrentEvaluationMethodsReviewfortheCurrentEvaluationMethodsofVehicleRideComfortofVehicleRideComfortXIAJun-zhong1,MAZong-po1,FANGZhong-yan2,BAIYun-chuan1(1.AutomobileEngineeringDepartment,AcademyofMilitaryTransportation,Tianjin300161,China;2.BeijingNewEnergyBusBranch,BeiqiFotonMotorCo.,Ltd.,Beijing102206,China)Abstract:Abstract:Inviewofthecontroversyofridecomfortevaluationmethodsofdomesticandinternational,thecharacteristics,differencesandscopeforeachevaluationmethodswereanalyzed.Theintegrationoflevelofanalysisandfuzzyisthetypicalsubjectiveevaluationmethod.Thenfourobjectmethodsweredescribedwhichwereabsorbedpowermethod,theoverallridevaluemethod,VDI2057(2002)andISO2631(1997).Finallyseveralnewsubjectiveandobjectivecomprehensiveevaluationmethods,includingautomotiveintegratedvibrationcomfort,fuzzyevaluationmethodandirritabilityrateanalysiswereintroduced.Thestudyfoundthateverymethodiswork,butthestandardvaries.Thecomprehensiveevaluationmethodscanbebetterintegratedtoachievethevehicleridecomfortevaluation,whichmaybethefocusoffutureresearchdirections.Keywords:Keywords:vibrationandwave;evaluation;overview;ridecomfort;vehicle汽车的平顺性是避免汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击使人感到不舒服、疲劳甚至损害健康，或使货物损坏的性能[1]。研究平顺性的目的主要是使汽车振动在给定的输入下的输出不超过一定的界限，以保持振动环境的舒适性，保持驾驶员在复杂的行驶和操作环境下，具有良好的心理状态和准确灵敏的反应。汽车行驶时，人体处于全身振动环境中，应参照收稿日期：2011-09-29；修改日期：2011-11-20作者简介：夏均忠（1967-）男，山东济宁人，博士、副教授，目前从事军用车辆智能检测与故障诊断研究。E-mail:[e-mail]全身振动评价方法评价汽车平顺性。汽车平顺性评价方法大致可分为主观评价法和客观评价法。主观评价法依靠评价人员乘坐的主观感觉进行评价，其主要考虑人的因素。客观评价法是借助于仪器设备来完成随机振动数据的采集、记录和处理，通过得到相关的分析值与对应的限制指标相比较，作出客观评价[2,3]。近年来，综合运用主、客观评价方法进行平顺性评价的研究取得了很大进展，成为当前研究的一个重点。11汽车平顺性主观评价方法进行汽车平顺性主观评价时，由其有经验的驾12012年8月噪声与振动控制第4期驶员和乘客组成的专门小组按预定方式驾驶或乘坐一组车辆来主观评价行驶平顺性的水平或特征；然后完成相应的主观评价表，最后综合确定车辆的乘坐舒适性。早在1931年，Reiher和Meister通过对10名自愿者在振动台上的振动试验，对平顺性评价方法进行了初步研究。现行的主观评价方法主要是模糊层次分析法。美国运筹学家T.L.Saaty教授提出的层次分析法，能够把复杂的决策问题层次化，可以根据问题的性质以及所要达到的目标，将问题中所包含的因素划分为不同层次，形成一个自上而下的递阶层次结构，可以得到最低层（选择方案、措施等）相对于最高层（系统目标）的相对重要性，并可转化为数字来进行处理，以供决策者进行评价和选择[4,5]，是当前流行的一种多目标规划和决策方法。模糊综合评价是对受到多种因素制约的事物或对象做出总体评价，而且评价结果不是绝对地肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示。将模糊理论引入层次分析法中，可有效地解决判断矩阵的一致性问题，提高评价的效率与一致性。此方法的评价过程如下：(1)建立主观评价层次结构模型，构造判断矩阵;(2)确定各层次评估指标权重，经一致性检验得到综合权重集矩阵PP;(3)建立模糊评价模型，构造模糊评价矩阵QQ;(4)由模糊评价矩阵QQ和综合权重集矩阵PP得到系统的综合评价结果：Z=P'Q（1）主观评价法需要根据经验认真规划、需要统计上的无偏见采样，但实际上人们对振动感觉的复杂性使得到的数据存在差异。一般来说，仅使用定性的说明或描述不容易确定行驶平顺性；因此，需要定量的方法评价行驶特性，即客观评价方法。22汽车平顺性客观评价方法目前，世界上主要有四种汽车平顺性客观评价方法，分别是吸收功率法（AverageAbsorbedPower）、总体乘坐值法（BS6841-1987）、VDI2057（2002）和ISO2631（1997）。22..11吸收功率法（AverageAbsorbedPower）吸收功率法最早是由美国机动系统实验室的Pradko和Lee根据人体解剖学特性，于1968年提出的。研究发现人体是有阻尼的弹性体，在一定输入和变形条件下，人体可看做线性系统。当人体受到振动时，振动能量被人体接受并沿全身传递，能量流动率可用来评价人体振动特征，这些能量的时间耗散功率定义为吸收功率（AbsorbedPower,AP）。吸收功率可以在时域和频域上表示[6,7]。在时域上表示：AP=Lim1T∫0TF()tV()tdt（2）式中F()t为激励的时间函数；V()t为速度值。在频域上表示AP=∑i=0NKi⋅(Airms)2（3）式中，Airms为各频段上的加速度均方根值；Ki为考虑了人体特性的频率函数，它在一定频率上是常数，由经验求得。吸收功率法具有明确的物理意义，但是没有明确规定的舒适界限。因此，只适合现有车型间的平顺性比较，对产品的开发预测及汽车具体结构参数的改进不能提出指导意见。该标准适用的频率范围是1～80Hz。22..22总体乘坐值法（BS6841-1987）总体乘坐值法由英国标准组织在1987年颁布，并被国际标准化组织采纳，据此发布了ISO2631/CD-1991委员会草稿。该标准使用具有12个振动输入的人体坐姿受振模型。在进行舒适性评价时，需要考虑座椅支承面处输入点3个方向的线振动和该点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[8]。在进行舒适性评价时，当峰值系数（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比值的绝对值）小于6时，以加速度均方根值r.m.s.为评价指标：r.m.s.=éëùû1T∫0Ta2()tdt12（4）式中a()t是按频率加权系数滤波后的加速度时域信号，ms2；T为暴露时间，s。对于多轴振动，应按照各轴的轴向加权系数ki计算其合成值，见式（5）r.m.s.=éëêùûú∑i=1N()ki×r.m.s.i212（5）当峰值系数大于6时，r.m.s.低估了振动，应采用均四次方根值r.m.q.作为评价指标，见式（6）。r.m.q.=éëùû1T∫0Ta4()tdt14(6)汽车平顺性评价方法综述总体乘坐值法是迄今为止较全面、适合场合较广的振动舒适性评价方法，但由于该法涉及到的自由度数目较多，具体考察时需要的要素也较多，操作上较为复杂。该标准适用的频率范围是0.5～80Hz。22..33VDIVDI205720571963年，德国工程师协会(VDI)发布的VDI2057是世界范围内最早的平顺性评价标准。该标准是在分析了大量人员在不同频率和强度的正弦振动下的反应得出的。通过定义合适的平顺性指标K系数（K-factor），结合主观感受表进行平顺性评价。后续的版本中吸收了ISO2631(1978)的容忍度曲线，规定了1～80Hz范围内人体对振动响应的暴露极限、疲劳—工效界限和舒适降低界限。振动加速度数据经过频域快速傅里叶变换（FFT）得到1/3倍频中心频率的加速度均方根值。不同频段的平顺性指标值KZ表示如下[9]1≤f≤4ΗZKZ=10⋅az⋅f4≤f≤8ΗzKZ=20⋅az8≤f≤80ΗzKZ=160⋅az⋅f经KZ加权处理得到的加权加速度均方根值与容忍度曲线对照即可得到评价结果。该标准适用的频率范围是1～80Hz。22..44ISO2631（1997）国际标准化组织（ISO）在综合大量关于人体全身振动的研究成果基础上，于20世纪70年代制定了国际标准ISO2631/1-1985《人体承受全身振动的评价指南》，而后吸收BS6841-1987的部分内容进一步修订公布了ISO2631/CD-1991，并于1997年公布了ISO2631-1：1997(E)《人体承受全身振动评价——第1部分：一般要求》，许多国家据此制定了本国的汽车平顺性评价标准，其中就包括我国的GB/T4970-1986、GB/T4970-1996和GB/T4970-2009。ISO2631-1：1997(E)在进行平顺性评价时根据振动波形峰值系数是否小于9分别使用基本评价方法和辅助评价方法。峰值系数9时使用基本评价方法，反之使用辅助评价方法[10,11]。该标准适用的频率范围是0.5～80Hz。（1）基本评价方法使用加权加速度均方根值aW评价aW=éëùû1T∫0Ta2()tdt12(7)式中a()t为按频率加权系数滤波后的加速度时域信号(ms2)；T为暴露时间(s)。对于多输入点、多轴向振动，首先计算各轴向加权加速均方根值ai(i代表具体轴向)，再按照轴加权系数表计算总的加权加速度均方根值aV。aV=éëêùûú∑i=1N()Wiai212(8)（2）辅助评价方法使用振动剂量值（VibrationDoseValue,VDV）评价VDV=éëùû∫0Ta4()tdt14(9)振动剂量值评价主要针对瞬态振动或间歇性瞬态振动，适用于越野路况下的平顺性评价。ISO2631-1997和BS6841在评价振动对舒