人椅模型在車輛動力學研究中的特性對比

李 睿，康 晶

(大連民族學院機電信息工程學院，遼寧大連116605)

車輛座椅的振動傳遞率是由人體和座椅兩個系統的動力學特性決定的，在車輛振動系統中，來自于路面振動的激勵經過主動和被動減振后仍有一部分通過車輛座椅傳遞給駕乘人員，其振動傳遞率為座椅與人體接觸面上的加速度與車輛底盤激勵輸入加速度之比［1］。因此，充分考慮人體系統的影響和車輛座椅的設計是密切相關的。研究人員根據不同的研究目的和考慮因素，建立了復雜程度不一的車-人-椅系統動力學模型，根據所建模型的類型特點，在推導建立系統運動方程時采用不同的力學理論，在運行平穩性隨機振動分析時采用不同的解算方法。文中介紹了經常使用的單質量塊單自由度模型和兩質量塊三自由度模型，并且將這兩種相對簡單的系統模型附加到車身—車輪系統模型中，求解整體系統的頻響函數并分析系統的傳遞特性。

1 人椅系統模型

目前常用的人椅系統模型主要有單質量塊單自由度模型和兩質量塊三自由度模型，將人椅系統模型附加到車身-車輪系統上可以用于車輛減振特性的相關分析，下面具體的介紹這兩種人椅系統模型以及它們的特性區別。

1.1 單質量塊單自由度人椅系統模型

單質量塊單自由度模型是常用的人—椅系統模型［2-3］如圖 1。

圖1 單質量塊單自由度“人—椅”系統模型

建模的具體方法為:人體和座椅的總體質量記為mp，汽車座椅剛度為kp，座椅阻尼為cp，車輛地板位移激勵為y，人椅系統位移響應為zp。單質量塊單自由度人椅系統模型的運動學方程為:

單自由度模型僅僅是考慮路面激勵通過汽車懸架傳遞到座椅的垂直方向上的振動輸出響應，這種建模方法沒有考慮人體不同部位的彈性阻尼作用而將人體簡化為一個簡單的剛性質量塊。

1.2 兩質量塊三自由度人椅系統模型

在單自由度模型的基礎上增加人體的阻尼和剛度，就變成兩質量塊三自由度模型［4］如圖2。

圖2 兩質量塊三自由度“人—椅”系統模型

三自由度人椅系統模型的運動學方程為

其中，Mmp1代表人體軀干的下半部分，mp2代表人體軀干的上半部分。兩質量塊三自由度人椅系統模型的建模方法合理的考慮了人體不同部位與座椅之間的彈簧阻尼作用，比較符合人體與車輛座椅之間力的作用關系的實際情況。

2 車-人-椅系統模型

把人-椅子系統模型附加在車身—車輪雙質量系統上，就構成了車-人-椅系統模型如圖3。由于不同自由度的人-椅子系統模型的傳遞特性不同，所以車-人-椅總系統也具有不同的傳遞特性。

圖3 車身—車輪系統上附加人椅子系統模型

由于車身的質量要比人體的質量大很多，所以可以忽略人體質量的慣性力對車身質量運動的影響。所以，車身垂直振動z2既是車輛地板的振動，認為是人椅子系統的輸入，于是經過振動的傳遞，人體的加速度對路面速度輸入的幅頻特性就等于人椅子系統的幅頻特性與車身—車輪雙質量系統幅頻特性的乘積。

2.1 車輛人椅系統模型傳遞函數的特性

根據加速度功率譜密度的計算可以得出如下公式［5］:

式(3)中各符號的意義如圖3，由上式得人體加速度對路面速度激勵的幅值計算式為:

又因為車身位移z2對路面位移q的頻率響應函數幅值為［5］:

車身加速度對車輪處速度輸入的幅頻特性參考文獻［5］的論述，作圖表示如圖4，可以看出在1Hz和7Hz處有2個共振峰。不同自由度“人—椅”子系統的人體對車身輸入的幅頻特性根據上一節討論的結果，代入式(5)，可以得出總系統的傳遞函數幅值如圖5。

圖4 車身—車輪系統傳遞函數幅值

圖5 “車身—車輪”系統上附加人椅子系統

圖5(a)是附加單自由度人—椅子系統的模型在子系統阻尼比ξp分別為0.25和0.5時的幅頻特性，圖5(b)是附加3自由度人—椅子系統的模型在子系統阻尼比ξp分別為0.25和0.5時的幅頻特性。從兩圖的對比可以看出，附加3自由度的人椅子系統模型后總系統在高頻段即3Hz到10Hz之間的頻段振動幅值降低，尤其在4.72Hz處對比5(a)和5(b)兩圖可以看出附加三自由度模型具有明顯的減振作用。

圖6 不同固有頻率下傳遞函數幅值

圖6(a)是兩種自由度的人椅子系統的固有頻率fp與“車身—車輪”系統的固有頻率f分別為1Hz和3Hz時的幅頻特性對比。從圖中可以看出在人—椅子系統固有頻率fp附近，對車身地板的振動輸入具有一定的放大作用;在激振頻率超過固有頻率fp后，對地板的振動具有明顯的衰減作用。當固有頻率都是1Hz時，在1-7Hz的范圍內附加3自由度人椅系統的總系統的振動幅值是明顯低的，而當固有頻率都是3Hz時，在1-7Hz的范圍內附加3自由度人椅系統的總系統的振動幅值也是明顯低于附加單自由度人椅系統的。當人椅子系統固有頻率fp為3Hz時，車身—車輪系統的固有頻率f為1Hz時，附加兩種子系統的傳遞函數幅值如圖6(b)，從附加兩種子系統的傳遞函數幅值可以看出，在整個考察頻域內更接近人體實際的3自由度子系統模型比剛性質量放在坐墊上得到的減振效果都要好。

3 結語

根據仿真試驗對比發現對于車輛運行平穩性研究，采用三自由度模型計算得到的振動特性，無論是振動波形還是最大振幅，與其它的復雜模型都比較接近。人—椅系統動力學模型的日益精細化和復雜化，為研究車輛在各種復雜狀況下動力學問題，提供了有力的理論分析工具。

［1］徐中明，黃勤練.汽車座椅系統的動力分析［J］.重型汽車，1994，25(5):11-13.

［2］周一鳴，吳陵生.關于拖拉機駕駛座椅設計中的人機工程學問題［J］.農業機械學報，1987，(2):11-18.

［3］SMITH S D.Modeling differences in the vibration response characteristics of the human body［J］.Journal of Biomechanics，2000，33:1513-1516.

［4］威魯麥特(德).車輛動力學模擬及其方法［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

［5］余志生.汽車理論［M］，北京:機械工業出版社，2009.