微商車的垂直振動不舒適度模型和實驗研究

沈 陽，李 豆，黃 煜，王海軍，陳丹華，黃元毅

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.上海交通大學 機械與動力工程學院 振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240)

微商車主要面向中小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶，它的商乘兩用特性能夠很好地滿足人們的需要。中小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)路況復雜，包括瀝青、水泥、砂石和顛簸等路面。建立微商車在不同路況下行駛時車內(nèi)振動使人產(chǎn)生的不舒適度預測模型對于改善乘客的乘坐舒適性起著重要的作用。

振動作用下的人體不舒適度主要研究振動頻率、幅值、方向以及作用時間等對人體不舒適度的影響[1-9]，其中不舒適度包括振動作用下人保持坐和站立等不同姿勢，以及全身振動和手部振動等不同情況，這些研究通常采用單頻振動激勵。振動的主觀評價在工業(yè)中的應用也十分廣泛。Sammonds和Fray[10]根據(jù)模擬的振動激勵研究了長時間駕駛時的不舒適度，建立了不舒適度和駕駛員與正常駕駛無關(guān)的運動次數(shù)之間的關(guān)系。Ittianuwat和Fard[11]采用高斯信號研究了扭轉(zhuǎn)共振頻率下汽車座椅靠背處的振動加速度，指出共振頻率下座椅靠背中心處的加速度值和靠背其他位置相比最小。Cankaya和Koyuncu[12]以拖拉機空轉(zhuǎn)時方向盤的振動加速度和振動使人手部產(chǎn)生的不舒適度相結(jié)合作為標準，來檢驗方向盤連接處結(jié)構(gòu)改進后的減振效果。Lerspalungsanti和Albers[13]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立了適用于乘用車振動下人體不舒適度的預測模型，可在傳動系統(tǒng)的設計階段起到檢驗作用。謝偉平和洪文林等[14]采集了團體操和打籃球時樓板和看臺的振動信號，并根據(jù)國際標準ISO2631-1997評價了體育館樓板振動時人的舒適度。常用的振動主觀評價方法包括幅值評價法[1-3,6,9]和打分法[10-12]。

微商車作為一種新的車型，行駛路況復雜，為了更好地預測微商車行駛時振動使人產(chǎn)生的不舒適度，必須對不同路況下的振動不舒適度進行研究。本文研究了微商車在四種路況（如：瀝青、水泥、砂石和顛簸）下行駛時車內(nèi)振動使人產(chǎn)生的不舒適度。采用絕對幅值評價法進振動的主觀評價，并且通過線性回歸建立不舒適度和振動加速度的關(guān)系。

1 實驗方法

1.1 評價人員

30位評價人員（15男，15女）參加了振動的主觀評價實驗，其年齡中值為24歲（范圍22－27歲），身高中值1.68 m（范圍1.53 m～1.88 m），體重中值59.5 kg（范圍46 kg～85 kg）。

1.2 實驗設備

振動激勵由安裝于電腦（IBM T410，中國）上的軟件及配套振動控制器（ECON VT-9008，中國）控制并輸出給電磁振動臺（V8-640，英國）。振動臺上安裝一個座椅，評價人員坐在座椅上（圖1），背部不接觸座椅靠背，為了消除外界噪聲的影響，在進行振動評價時評價人員要戴上降噪耳機（BOSE QC25，美國）。

評價人員通過無線鍵盤（ECOLA NT-21，中國）給出每個振動激勵下的不舒適度值，記錄于電腦（Lenovo G470，中國）。實驗設備連接圖見圖2。

1.3 振動激勵

實地測試記錄了微商車在瀝青、水泥、砂石和顛簸4種路況下行駛時駕駛員座椅導軌處的振動加速度信號。每種路況下選擇1個振動信號，4個振動信號的頻譜見圖3。

圖1 評價人員

圖2 實驗裝置連接圖

計算四個振動信號的峰值系數(shù)，即頻率計權(quán)后加速度信號的峰值與均方根值之比，結(jié)果見表1。由表可知四種路況下峰值系數(shù)都小于9，所以Wb計權(quán)振動加速度可以用來描述振動信號的強度[15]。每個信號持續(xù)5 s，通過幅值調(diào)節(jié)并經(jīng)振動控制器和電磁振動臺進行校準，得到相差3 dB的一系列振動樣本，Wb計權(quán)加速度范圍為 0.531 m/s2～2.991 m/s2。所以總共24個振動樣本，其編號和加速度值見表2。

表1 峰值系數(shù)

1.4 實驗過程

30位評價人員采用絕對幅值評價法給出24個振動激勵下的不舒適度值。兩個振動激勵間隔2 s，每位評價人員完成實驗大約需要6分鐘。振動激勵隨機播放。

圖3 振動頻譜

1.5 數(shù)據(jù)處理

為了將30位評價人員的評價結(jié)果表示在同一坐標系中，需要對每位評價人員的結(jié)果進行“標準化”：每個振動激勵下的不舒適度值除所有激勵下不舒適度值的中位數(shù)，再乘100。

2 實驗結(jié)果

每個振動激勵下30位評價人員不舒適度值的中位數(shù)和上下四分位數(shù)見圖4。

表2 振動激勵

圖4 每個振動激勵下不舒適度值的中位數(shù)和上下四分位數(shù)

3 討論

3.1 不同路況對振動不舒適度的影響

對于每一個振動加速度，使用Friedman方法檢驗四種路況下30位評價人員的不舒適度值是否存在顯著差異，結(jié)果見表3。由表可知當加速度值為0.531、1.06、1.498和2.991 m/s2時，四種路況下的不舒適度值存在顯著差異，其具體差異見表4。

由表4可知，在同一振動加速度下，瀝青和顛簸路面上的不舒適度值較水泥和砂石路面上的不舒適度大，且水泥路面上的不舒適度要大于砂石路面。由于不同路況下不舒適度值存在顯著差異，所以有必要研究不同路況下的不舒適度值和振動加速度之間的關(guān)系，建立適用于不同路況下的垂直振動不舒適度預測模型。

表3 四種路況下不舒適度的Friedman檢驗結(jié)果

表4 四種路況下不舒適度值的差異

3.2 四種下振動不舒適度的預測模型

采用線性回歸方法確定不舒適度和振動加速度之間的關(guān)系，不舒適度值為因變量，加速度為自變量，得到的回歸方程如下

其中DC是不舒適度值，a是Wb計權(quán)振動加速度。根據(jù)公式（1）計算得到的不舒適度值和實驗的到的不舒適度值的中位數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.994（p＜0.01，Person）（圖5）。

圖5 計算得到的不舒適度和實驗得到的不舒適度中值的比較

4 結(jié)語

采用Wb計權(quán)振動加速度來描述振動激勵的強度，使用線性回歸方法確定了振動不舒適度和加速度之間的關(guān)系，建立了不同路況下微商車車內(nèi)垂直振動使人產(chǎn)生的不舒適度預測模型，該模型能夠準確預測不舒適度值。