汽車行駛平順性評價方法研究及仿真分析

摘要：汽車平順性是汽車NVH性能的評價指標之一。系統介紹了汽車行駛平順性的客觀評價方法，并結合某車型搭建整車行駛平順性虛擬樣機，進行了仿真分析評價。該方法可用于指導汽車行駛平順性的改善以及懸架參數的優化。

關鍵詞：NVH；平順性；虛擬樣機；懸架

中圖分類號：U461.4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）01-0008-04

Research and Simulation Analysis on the Evaluation

Method of Vehicle Ride Comfort

MU Guo-bao1，HE Kai-xin1，LI Jia-zhu2

（1. Guangzhou Automobile Group Passenger Car Co.，LTD，Guangzhou 511400，China；

2. School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract: Vehicle ride comfort is one of the evaluation indexes of vehicle NVH performance. This paper summarizes the objective evaluation process of vehicle ride comfort and built up a whole multi-body dynamics virtual model to evaluate the ride comfort. This method can be used to improve vehicle ride comfort and optimize suspension parameters.

Keyword：NVH；Ride Comfort；Virtual Mode；Suspension

汽車平順性是指汽車在一般行駛速度范圍內行駛時，能保證乘員不會因車身振動而引起不舒服和疲勞的感覺，以及保持所運貨物完整無損的性能。由于行駛平順性主要是根據乘員的舒適程度來評價，又稱為乘坐舒適性。研究汽車平順性的主要目的就是控制汽車振動系統的動態特性，使振動的“輸出”在給定工況的“輸入”下不超過一定界限，以保持乘員的舒適性［1］。

1 平順性評價方法介紹

人體本身就是一個復雜的振動系統，對振動的反應相當復雜，不僅取決于振動的強度，還與頻率有關。不同的人、不同的姿勢、不同的身體部位、不同的作用位置和方向，對振動的反應都會不同。在車輛行駛平順性評價中，主要以人體坐姿受振模型（見圖1）來展開討論，同時將振動輸入的屬性概括為振動的幅值和頻率、作用的位置和方向、作用時間［2］。

乘用車開發過程中，平順性分析主要考慮人體對路面車輛振動的反應，有兩種評價方法：主觀評價和客觀評價。主觀評價是人對汽車平順性最直接的評價方法，由試車人員對汽車振動的直觀感受進行統計分析并評價，根據評價結果進行相應參數調整以提高汽車的平順性；客觀評價方法是以具體量值的概念對汽車平順性進行評價，主要考慮車輛的隔振性能，以機械振動的物理量（如振幅、頻率、加速度等）作為評價指標，通過測試傳遞到人體的振動量大小，確定影響人體舒適性的程度，以此評價汽車的平順性。客觀評價方法排除了人的個體差異，可以比較精確、合理地評價分析汽車的平順性。

2 平順性客觀評價理論算法

根據國際全身暴露振動評價標準（ISO2631-1：1997），規定了12個軸向振動分量（見表1）在0.5～80 Hz頻率范圍內的加權函數及各軸向振動分量的加權函數。

具體計算方法如下：

（1）分別計算各軸向加權加速度均方根值aw（t）。對記錄的加速度時間歷程aw（t），通過響應的頻率加權函數w（f）濾波器得到加權加速度時間歷程aw（t），在整個振動分析時間T內，通過時域積分方法由式（1）計算出aw（t）的均方根值aw。

aw=■■a2w（t）dt■（1）

（2）根據隨機過程理論法則，可知某一時域信號的均方根值等于其功率譜密度函數在整個頻率范圍內積分的開方值。因此加權加速度均方根值aw可以由頻域積分的方法求出。具體計算方法是：先對加速度時間歷程a（t）進行譜分析，得到功率譜密度函數Ga（f） ，再根據式（2）計算出頻率加權后的加速度均方根值aw。

aw=■w2（f）Ga（f）df■（2）

（3）式（1）與式（2）計算結果相同，其中，各軸向頻率加權函數w（f）可用公式近似表示為：

wk（f）=0.5 （0.5＜f＜2）f/4 （2＜f＜4）1 （4＜f＜12.5）12.5/f （12.5＜f＜80）

wd（f）=1 （0.5＜f＜2）2/f （2＜f＜80） （3）

we（f）=1 （0.5＜f＜1）1/f （1＜f＜80）

wc（f）=1 （0.5＜f＜8）8/f （8＜f＜80）

（4）ISO2631-1：1997指出，椅面輸入點xs、ys、zs 三個線振動的軸加權系數k=1，是12個軸向中人體最敏感的，其余各軸向的加權系數均小于0.8。當評價振動對人體健康影響時，可考慮 xs、ys、zs 三個軸向，且xs、ys兩個水平軸向的加權系數取k=1.4，比垂直軸向更敏感。參考《GB/T4970-1996汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》考慮椅面xs、ys、zs 振動，則三個軸向加速度的加權均方根值為：

Aw=■ （4）

式中：axw為前后方向（即x軸向）加權速度均方根值，m/s2；ayw為左右方向（即y軸向）加權速度均方根值，m/s2；azw為垂直方向（即z軸向）加權速度均方根值，m/s2。Aw值對應表中的人的主觀感受見表2。

3 平順性仿真分析實例

3.1 整車仿真模型建立

整車平順性仿真分析模型首先需要在ADAMS/CAR環境中建立前/后懸架、轉向系統、輪胎系統、車身系統、動力總成系統、路面等子系統模型（涉及參數為廣汽乘用車某車型）；然后在一定的test rig基礎上，通過各個子系統之間的communicators相互連接而成。同時對所建立的整車模型進行如下說明［３］：

（1）將人椅模型簡化為一個剛體，考慮座椅在三個方向上的移動則通過橡膠襯套與車身連接。

（2）車身簡化為剛體，將車內的電子液壓等系統簡化，主要考慮動力學性能。

（3）懸架減振器、彈簧以及橡膠襯套等的數據由實測得來。

經過一定的簡化，汽車整車的動力學模型見圖2。

3.2 平順性仿真分析及評價

依據《GB/T4970-1996汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》對汽車進行平順性仿真分析，采用B、C兩級路面進行仿真，仿真車速挑選40 km/h、50 km/h、60 km/h和70 km/h四種工況，考查駕駛員座椅處振動情況［4，5］。

計算駕駛員座椅支撐面上的X、Y、Z向加速度，X、Y向頻率加權函數相同，如圖3、圖4所示。各軸向頻率加權函數w（f）可用公式近似表示為式（5）、式（6）。

通過分析得出，在B級路面上以60 km/h行駛時，駕駛員座椅處X、Y、Z方向加速度時域曲線及其功率譜密度曲線，其余的工況分析步驟相同。

由圖5～圖7的功率譜密度譜中可以看出，在1.562 5 Hz處，X、Y、Z方向都有峰值出現。

由于路面的功率譜密度與車速以及路面不平度有關，經過對車身振動的研究可得出1～2 Hz是車身固有頻率范圍，1.562 5 Hz正好處于這個范圍內，而座椅在X、Y、Z三個方向上的固有頻率也基本在1～2 Hz這個范圍內，由此推斷是車身振動激發了座椅的振動。

應用式（4）對座椅處三個方向的加速度值進行頻率加權，并求均方根值，得到表3的各個工況下的仿真結果及評價結果。由表3可以看出，汽車行駛的速度對駕駛員的舒適性影響比較明顯，速度越大則舒適性越差；同樣，對于不同的路面在相同車速下加速度的加權均方根值相差也比較大，路面越差，加權均方根值越大，舒適性越差［6］。

由于采用的路面Z向變化相對Y向變化明顯，所以Y向的加速度明顯小于Z向的加速度值。而在X方向上，由于路面不平度的影響，雖然力求汽車保持一定的速度，但是路面不平度使汽車的車速產生變化，X方向的加速度是路面和控制中盡量保持車速兩者共同作用的結果。

表3中的數值表明汽車在舒適性方面還有很大的改進空間。影響整車舒適性的因素很多，仿真中只考慮了路面激勵，而路面激勵通過輪胎、懸架直接作用于車身。由所得仿真結果可以看出該車懸架系統的隔振性能并不理想，在B級路面以及C級路面的大多工況下均有不同程度的不舒適感，有必要采取措施改善該車的行駛平順性。

4 結論

本文總結了汽車平順性的分析評價方法，并應用仿真分析軟件進行實例分析。通過分析得知該車的行駛平順性需要進一步改善，由于車身結構已基本確定，后續將對懸架彈簧、減震器等元件進行調整匹配［7］。

參考文獻：

［1］ 余志生.汽車理論［M］.北京: 機械工業出版社。 2005：170-206.

［2］ 喻凡.車輛動力學及其控制［M］.北京: 人民交通出版社，2004: 66-72.

［3］ 徐陳夏. 汽車平順性仿真分析與懸架參數優化 ［D］.合肥：合同工業大學，2008：1-51.

［4］ 周水清，何天明， 趙禮東.基于虛擬樣機的汽車平順性仿真分析［J］.汽車科技，2005（3）：28-30.

［5］ 荊友錄， 田慶斌， 張明光.基于多體系統的汽車平順性仿真分析［J］.山東交通學院學報， 2006，14（4）：10-13.

［6］ 陳昌明， 孫威. 路面激勵引起的車內噪聲仿真分析研究［J］. 振動與沖擊，2008，27(8):102-105.

［7］ 劉獻棟， 潘國建. 汽車懸架參數優化的一種新方法研究［J］. 公路交通科技，2004，21: 130-136.