王鋒，張金喜

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350002;2.北京工業(yè)大學(xué)交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

駕乘舒適性是駕乘人員心理和生理上的主觀 感覺(jué)，舒適程度與振動(dòng)加速度有密切聯(lián)系，因此，振動(dòng)加速度可以作為評(píng)價(jià)駕乘人員舒適性的指標(biāo).人體振動(dòng)由車體振動(dòng)引起，車體振動(dòng)包括兩方面:

(1)由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)引起的振動(dòng)頻率較高，對(duì)人體舒適性影響較小;

(2)由道路路面的不平整及車轍、線形、車輛制動(dòng)引起的振動(dòng)，頻率多在l～20 Hz，是影響駕乘人員舒適性的主要因素［1］.

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和生活水平的提高，對(duì)道路的安全舒適要求也日益提高，對(duì)駕乘舒適性提出了更高要求.但有關(guān)道路與駕乘舒適性之間關(guān)系的研究較少.與舒適性相比，人們會(huì)優(yōu)先考慮安全性問(wèn)題，我國(guó)對(duì)道路路線參數(shù)設(shè)計(jì)方面標(biāo)準(zhǔn)基本上是出于安全性考慮［2］.

一些學(xué)者在駕乘人員心理生理反應(yīng)與道路參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究［3］.文獻(xiàn)［4-6］涉及到比較復(fù)雜的車輛和路面模型.在道路路面駕乘舒適性研究方面，研究人員往往僅考慮道路路面平整度因素［7-10］，很難進(jìn)行駕乘舒適性量化分析，主要通過(guò)主觀評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行研究.

該文研究核心是通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，隔離出影響駕乘舒適性的道路線形因素.在大量室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立道路路面性能和駕乘舒適性之間的定量關(guān)系.為道路路面評(píng)價(jià)及基于駕乘舒適性考慮的道路路面維護(hù)提供指導(dǎo)和參考.

1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，人體振動(dòng)舒適性的加速度(加速度加權(quán)均方根)為

式中:aw為加速度加權(quán)均方根;

awx、awy和 awz分別為 x(縱向)、y(橫向)、z(豎向)軸的加速度均方根.

加速度加權(quán)均方根值與人體舒適性主觀感受的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表 1［11］所示.

表1 加速度與主觀感受Tab.1 Relation between acceleration and subjective feeling m·s－2

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)車、多功能激光路況檢測(cè)儀、動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀、振動(dòng)加速度測(cè)試儀(包括座墊式三軸向加速度計(jì)、信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集儀和E-TsetLab信號(hào)分析軟件系統(tǒng))及駕駛模擬艙等，如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipment

2.2 室外實(shí)驗(yàn)方案

(1)實(shí)驗(yàn)道路選擇

選取北京通州、大興和房山地區(qū)的國(guó)道、省道、縣道和鄉(xiāng)道共89條.要求實(shí)驗(yàn)道路平直，縱坡不大于1%，路面干燥;同一路段平整度均勻無(wú)突變，不同試驗(yàn)路段平整度有明顯差異;試驗(yàn)路段長(zhǎng)度不小于3 km，兩端有30～50 m的穩(wěn)速段;道路兩側(cè)景物基本一致.

(2)實(shí)驗(yàn)車速

為了保證駕乘人員的安全，考慮外界客觀因素的影響以及便于比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同一路段的前后車速需要有一定的梯度，因此，選擇試驗(yàn)車速為30、50和70 km/h;實(shí)驗(yàn)時(shí)要求勻速行駛，車速偏差控制在試驗(yàn)車速的±4%以內(nèi).

(3)實(shí)驗(yàn)車輛選擇

以9座以下載人小汽車作為研究對(duì)象.考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要在車上懸掛測(cè)量道路特征參數(shù)的儀器，本實(shí)驗(yàn)采用北京吉普小汽車作為試驗(yàn)車.

(4)實(shí)驗(yàn)人員

駕駛員:年齡在25～45歲之間，擁有3 a以上駕齡，技術(shù)熟練且身體健康;乘客:年齡在25～45歲之間，不暈車，身體健康.

(5)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

用多功能激光路況檢測(cè)儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)車速v和國(guó)際平整度指數(shù)IIRI，用動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試路面的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)μD，用振動(dòng)加速度測(cè)試儀測(cè)試每段道路不同行駛速度下乘客的總加權(quán)加速度均方根值aw，用人工方法測(cè)試路面破損度DRDD.

2.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方案

室外實(shí)驗(yàn)道路平整度分布范圍較窄、實(shí)驗(yàn)車速少而低，存在一定的局限性.為了更好地揭示路面性能與駕乘舒適性之間的關(guān)系，需要設(shè)計(jì)合理的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)做補(bǔ)充，并對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比分析.

(1)室內(nèi)道路路面平整度、路面摩擦系數(shù)模擬以及實(shí)驗(yàn)車速設(shè)定

根據(jù)文獻(xiàn)［12］，用正弦波形函數(shù)來(lái)描述不平整道路路面，這種規(guī)則的波形路面由國(guó)際平整度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算程序計(jì)算得到［13］，路面方程為

式中:

Zy(t)為實(shí)際路面與路面設(shè)計(jì)線的縱向距離，mm;

A為正弦波路面的振幅，mm;

λ為正弦波路面的波長(zhǎng)，m.

實(shí)驗(yàn)室道路路面設(shè)計(jì)成如圖2所示的正弦波形式.

圖2 實(shí)驗(yàn)室路面設(shè)計(jì)Fig.2 Laboratory pavement design

要求駕駛模擬艙的模擬道路平直，長(zhǎng)度8 km，路側(cè)環(huán)境單調(diào)，穩(wěn)速行駛時(shí)間不少于3 min［15］;4種正弦波路面的振幅設(shè)計(jì)為50 mm，波長(zhǎng)分別為5、15、30和 45 m，分別對(duì)應(yīng)短、中、長(zhǎng) 3種路面波長(zhǎng)［14］，平整度計(jì)算值如表2所示.

根據(jù)對(duì)室外道路動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的調(diào)查，0.3＜μD＜0.5的路面占整個(gè)調(diào)查路面的74.7%，為了能夠反映一般的情況，設(shè)定場(chǎng)景中的摩擦系數(shù)值為0.4，在每種平整度下設(shè)定7種實(shí)驗(yàn)車速.

(2)室內(nèi)駕乘舒適性研究

設(shè)備及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同室外實(shí)驗(yàn)，研究道路路面性能與駕乘舒適性的關(guān)系.

(3)室內(nèi)舒適性駕駛速度

當(dāng)動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)一定時(shí)，在駕駛員主觀感覺(jué)舒適的條件下，研究自由行駛速度與平整度的關(guān)系.

表2 路面平整度與實(shí)驗(yàn)速度Tab.2 Pavement roughness and experimental speed

3 aw閾值

當(dāng)aw大于等于設(shè)定閾值時(shí)，感覺(jué)為不舒適.由表1可知，一定的舒適性狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)加速度aw的范圍，可用隸屬函數(shù)確定aw的閾值.

每一舒適性級(jí)別對(duì)應(yīng)一個(gè)aw值范圍，對(duì)該范圍內(nèi)的任一元素x，都有一個(gè)數(shù)A(x)∈(0，1)與之對(duì)應(yīng)，稱A(x)為x對(duì)A的隸屬度函數(shù).aw的隸屬度函數(shù)關(guān)系如圖3所示.

圖3 aw的隸屬度函數(shù)Fig.3 Subjection function of aw

當(dāng) aw∈(0.315 m/s2，0.630 m/s2)時(shí)，人體感覺(jué)有些不舒適.當(dāng)時(shí)，其隸屬度為1.在此范圍內(nèi)，aw離0.475 m/s2越遠(yuǎn)，其隸屬度也越小.

當(dāng) aw∈(0.5 m/s2，1.0 m/s2)時(shí)，與上述結(jié)論類似.二者交點(diǎn)N所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為舒適性的閾值(0.58 m/s2).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 室外實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1.1 相關(guān)性分析

運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件［16］，得到aw與4個(gè)影響因素 IIRI、v、μD、DRDD的偏相關(guān)綜合結(jié)果，如表3所示.

表3 aw與4個(gè)影響因素的偏相關(guān)系數(shù)Tab.3 Partial correlation coefficients between awand other four influencing factors

由表3可知，aw與 IIRI、v、μD及 DRDD分別為強(qiáng)、中等、弱相關(guān)和不相關(guān).在進(jìn)行逐步回歸分析時(shí)，μD和DRDD都沒(méi)進(jìn)入回歸變量中.考慮調(diào)查的實(shí)際情況，下面將主要研究 μD在一定范圍時(shí)，aw與 IIRI、v的關(guān)系.

4.1.2 μD=0.3 ～0.5 時(shí) aw與 IIRI、v的關(guān)系

當(dāng) μD=0.3 ～0.5 時(shí)，通過(guò)聚類分析可知，加速度分別隨IIRI及v的增大而增大，因此，可以考慮建立三者之間的線性模型.

兩個(gè)自變量經(jīng)過(guò)逐步回歸過(guò)程都進(jìn)入了回歸方程.對(duì)沒(méi)有被剔除的變量，回歸方程的判定系數(shù)R2=0.882.方差分析結(jié)果表明，當(dāng)回歸方程包含不同的自變量時(shí)，其顯著性概率值均小于0.001，即拒絕回歸系數(shù)為0的原假設(shè).

表4為每一步回歸過(guò)程的統(tǒng)計(jì)量及檢驗(yàn)結(jié)果，表4中符號(hào)含義見(jiàn)文獻(xiàn)［17］.回歸的第2步確定了方程的偏回歸系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)，假設(shè)檢驗(yàn)的t值均大于2或者小于－2，回歸的各變量和常數(shù)項(xiàng)的檢驗(yàn)p值均小于0.005，并且方程各自變量之間不存在共線性.由此得到3個(gè)變量之間的回歸方程為

表4 Person相關(guān)關(guān)系分析Tab.4 Person correlation analysis

4.1.3 μD＞0.5 時(shí) aw與 IIRI、v的關(guān)系

分析過(guò)程同4.1.2，得到線性回歸方程:

判定系數(shù) R2=0.869，調(diào)整后的判定系數(shù)R2=0.856，并通過(guò)了假設(shè)檢驗(yàn).

4.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 室內(nèi)駕乘舒適性分析

IIRI=11.78，3.05，1.35 mm/m 時(shí)的加速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

從表5可見(jiàn)，當(dāng)平整度一定時(shí)，加速度隨著速度的增大而增大;當(dāng)速度一定時(shí)，加速度隨平整度的增加而增加，與室外實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同.當(dāng)IIRI=75.77 mm/m時(shí)，可以得到同樣的定性結(jié)論，此時(shí)的路面平整度和實(shí)際相差太大，只能以較低的車速進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不具有代表性，因此，定量計(jì)算不考慮這種情況.對(duì)三者進(jìn)行逐步線性回歸，可以得到線性擬合方程:

表5 不同IIRI和v下的awTab.5 Test results of aw for different IIRIand v m·s－2

并通過(guò)了方程和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn).

4.2.2 主觀舒適性與駕駛速度

利用駕駛模擬艙進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)平整度為3.05和1.35 mm/m時(shí)，在個(gè)體感覺(jué)舒適情況下，得到10位駕駛員的最大舒適平均速度分別為88.7和124.1 km/h，與式(3)～(5)推導(dǎo)的結(jié)論進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表6.

由表6可知:

當(dāng)

時(shí)，由主觀舒適性駕駛模擬試驗(yàn)所得到最大舒適平均速度與用回歸模型得到的室內(nèi)外最大速度相差7%左右;

時(shí)，其最大舒適性行車速度略小，比較符合實(shí)際情況，可以驗(yàn)證模型的適用性.

由表7可知，室外試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較接近.考慮到實(shí)際道路情況，當(dāng)動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)一定時(shí)，aw、IIRI與v三者之間的關(guān)系可以用回歸方程(式(3)和(4))表示.

表6 最大舒適駕駛速度Tab.6 Speeds with the maximum driving comfort km·h －1

表7 滿足舒適性條件(aw=0.58 m/s2)的IIRITab.7 IIRIsatisfying the ride comfort condition(aw=0.58 m/s2) mm·m －1

4.3 結(jié)果對(duì)比分析

當(dāng)動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)一定時(shí)，可得到v、IIRI與駕乘舒適性程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4和圖5所示.

圖4 μD=0.3 ～0.5 時(shí)，v、IIRI與舒適性對(duì)應(yīng)圖Fig.4 Relationships between v，IIRI，and ride comfort level for μDranging from 0.3 to 0.5

在實(shí)際的道路工程應(yīng)用中，人們更關(guān)心的是在滿足駕乘舒適性的前提下，路面性能與最高行駛速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表7);以及不同平整度、不同行駛速度下的駕乘舒適性程度.

圖5 μD＞0.5 時(shí)，v、IIRI與舒適性對(duì)應(yīng)圖Fig.5 Relationships between v，IIRI，and ride comfort level when μD ＞0.5

5 結(jié)論

(1)室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究均表明，aw與IIRI強(qiáng)相關(guān)，與 v中等程度相關(guān)，與 μD弱相關(guān).當(dāng)0.3＜μD＜0.5 及 μD≥0.5 時(shí)，分別建立了 aw、IIRI與 v的線性回歸模型.

(2)主觀駕駛舒適性駕駛模擬實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)IIRI=1.35和3.05 mm/m時(shí)，滿足駕乘舒適性的最大速度分別為124.1和88.7 km/h，與實(shí)驗(yàn)回歸方程所得結(jié)果接近，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠.

(3)在滿足駕乘人員舒適性的前提下，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得汽車最大行駛速度和道路平整度的對(duì)應(yīng)關(guān)系;在動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)一定的條件下，得到駕乘舒適性程度與車輛行駛速度、路面平整度的對(duì)應(yīng)圖，為基于駕乘舒適性進(jìn)行瀝青混凝土路面評(píng)價(jià)和養(yǎng)護(hù)提供了理論依據(jù).

(4)本文所得結(jié)論適用于9座以下的小型輕便載客汽車，對(duì)于其它車型，需要做進(jìn)一步的研究.

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