陳達(dá)亮，王 東，顧燦松，李洪亮，田涌君

(中國汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300)

0 引言

汽車在起步過程中車身有時(shí)會產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為車身前后方向的縱向振動(dòng)。車輛起步抖動(dòng)產(chǎn)生的原因主要為離合器主、從動(dòng)盤之間發(fā)生摩擦引起的劇烈的自激振動(dòng)[1]，及其與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在扭矩發(fā)生較大變化時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的綜合作用。起步抖動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重削弱了車輛的乘坐舒適性，同時(shí)還會大大降低傳動(dòng)系統(tǒng)部件的使用壽命。

國內(nèi)外學(xué)者針對車輛起步抖動(dòng)的研究較多，大多數(shù)集中在離合器接合過程中的動(dòng)力學(xué)分析及其影響因素研究。施一敏等人[2]建立了4自由度傳動(dòng)系模型，分析了離合器自激振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和離合器相關(guān)參數(shù)對起步抖動(dòng)的影響。上官文斌等人[3]建立了摩擦離合器接合過程中的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析模型，說明了離合器從動(dòng)盤扭轉(zhuǎn)剛度對于起步抖動(dòng)的影響。張洪琪[4]利用Carsim針對某微型客車建立了整車動(dòng)力學(xué)特性分析模型，對各工況仿真分析進(jìn)行了影響因素分析和優(yōu)化分析，成功地減小了該車的縱向沖擊振動(dòng)。文獻(xiàn)[5]基于試驗(yàn)對離合器踏板進(jìn)行了振動(dòng)特性和振源分析，同時(shí)實(shí)施了相應(yīng)的控制方案，有效地改善了離合器的接合平順性，從而提高了車輛的乘坐舒適性。但是，現(xiàn)已見諸報(bào)端的文獻(xiàn)中幾乎沒有涉及關(guān)于駕乘人員主觀感受與車輛起步抖動(dòng)程度映射關(guān)系的研究和相關(guān)評價(jià)指標(biāo)分析。雖然文獻(xiàn)[6]通過大量試驗(yàn)測試總結(jié)出了一套離合器接合抖動(dòng)的評價(jià)方法，但是該方法僅僅局限于離合器部件本身，而對整車起步抖動(dòng)的評價(jià)效果欠佳。文獻(xiàn)[7]將車身縱向振動(dòng)加速度幅值作為起步抖動(dòng)的評判指標(biāo)，但是當(dāng)車身縱向振動(dòng)加速度幅值受到較大異常峰值干擾時(shí)，該指標(biāo)就可能出現(xiàn)誤判。因此，提出能夠衡量整車起步抖動(dòng)程度與主觀評價(jià)的普適性客觀分析指標(biāo)具有重要的工程價(jià)值。

1 起步抖動(dòng)評價(jià)指標(biāo)

車輛起步抖動(dòng)劇烈程度總是隨離合器接合過程的進(jìn)行而變化。離合器從動(dòng)盤剛與飛輪接觸的一小段時(shí)間內(nèi)，車內(nèi)人員幾乎感受不到抖動(dòng)；隨著摩擦力矩逐漸增大，抖動(dòng)劇烈程度也隨之增大；當(dāng)離合器與飛輪間轉(zhuǎn)速差趨于零時(shí)即離合器接合過程完成，此時(shí)車輛完成起步，抖動(dòng)程度逐漸降低至消失。這個(gè)過程的變化程度可以通過數(shù)據(jù)的離散度進(jìn)行衡量，即離散度越大抖動(dòng)越劇烈。前已述及，如果以車身縱向振動(dòng)加速度幅值作為起步抖動(dòng)評價(jià)指標(biāo)，那么當(dāng)車身縱向振動(dòng)加速度幅值受到較大異常峰值干擾時(shí)容易引起誤判。因此，為了更穩(wěn)定、準(zhǔn)確地反映起步抖動(dòng)劇烈程度，引入車身縱向振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差(S指標(biāo))來評價(jià)車輛起步時(shí)車身縱向振動(dòng)的劇烈程度，如式(1)所示：

(1)

其中：an為Δt=nh時(shí)刻的車身縱向振動(dòng)加速度，h為仿真時(shí)間步長或采樣時(shí)間間隔；N為車身縱向振動(dòng)加速度時(shí)間序列個(gè)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算可以規(guī)避加速度幅值奇異點(diǎn)對于起步抖動(dòng)劇烈程度的誤判，S指標(biāo)越大說明車身縱向振動(dòng)加速度離散程度越大，即起步抖動(dòng)越劇烈。

S指標(biāo)根據(jù)車身縱向振動(dòng)加速度的離散程度來評價(jià)車輛起步過程中車身縱向抖動(dòng)的劇烈程度，從而合理地避開了縱向振動(dòng)加速度異常幅值對于客觀評價(jià)的不利影響。

2 起步抖動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證前文所提評價(jià)指標(biāo)的有效性，針對某車型在不同駕駛員且多工況下進(jìn)行汽車起步抖動(dòng)試驗(yàn)測試。試驗(yàn)使用噪聲振動(dòng)測試設(shè)備LMS Test lab采集車身縱向振動(dòng)加速度信號，并選取多名具有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員對不同起步工況下的車身縱向抖動(dòng)進(jìn)行主觀評價(jià)。

2.1 主觀評價(jià)

起步抖動(dòng)劇烈與否來自于車內(nèi)人員的主觀感受，所以駕乘人員的主觀評價(jià)對于起步抖動(dòng)的后續(xù)研究起到了相當(dāng)重要的作用。常用的主觀評價(jià)方法主要有成對比較法和等級評分法[8]。成對比較法對于數(shù)據(jù)量較小的樣本評價(jià)效果甚佳，但隨著樣本數(shù)量的增多，工作量也呈指數(shù)式上升；根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)弱程度將抖動(dòng)劃分為若干等級的評價(jià)方法稱為等級評分法，評價(jià)人員根據(jù)各自的主觀感受在規(guī)定的范圍內(nèi)對感受到的振動(dòng)進(jìn)行評分，起步抖動(dòng)的主觀評價(jià)得分為對應(yīng)抖動(dòng)樣本的全部評分取算數(shù)平均值，該評價(jià)方法的關(guān)鍵在于確定合適的評分刻度。由于車輛起步抖動(dòng)的特殊性，主觀評價(jià)采用5等級刻度的等級評分法(見表1)，為了使客觀評價(jià)參數(shù)跟主觀評價(jià)評分呈正相關(guān)，令主觀評價(jià)得分越高表示起步抖動(dòng)越嚴(yán)重。評價(jià)人員由受過專業(yè)訓(xùn)練的6人組成，其中男性3人，女性3人，年齡均在20歲～50歲。

表1 起步抖動(dòng)主觀評分表

2.2 實(shí)車試驗(yàn)

車輛起步抖動(dòng)主要表現(xiàn)為車身的縱向振動(dòng)，其傳遞路徑為：動(dòng)力總成傳動(dòng)系—車身—座椅—人體。座椅是駕乘人員感受起步抖動(dòng)最直接的載體，也是振動(dòng)傳遞路徑上最靠近人體、最易于布置測點(diǎn)的位置。另外，因?yàn)槿梭w能直接感受到車身加速度，且加速度傳感器一般體積和質(zhì)量都較小，對于被測物體的影響幾乎可以忽略，所以選擇將加速度傳感器布置在駕駛員座椅右側(cè)導(dǎo)軌處，用于采集車身縱向振動(dòng)加速度信號，測試設(shè)備信號采集前端及傳感器布置分別如圖1和圖2所示。測量場地應(yīng)平整而空曠，至少有20 m以上的瀝青路面或水泥路面，該路面盡可能平滑、干燥，不可有接縫、凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)，交通流量應(yīng)較小，能夠滿足試驗(yàn)要求。在測試中心以30 m為半徑的范圍內(nèi)，不應(yīng)有大的振動(dòng)源。試驗(yàn)車輛須是空載(除駕駛員、測量人員和測試設(shè)備外，不得有其他載荷)，只有滿足測試的儀器設(shè)備和必不可少的人員方可留在車內(nèi)，人員不得超過2人(駕駛員和測量人員)。另外，測試車輛應(yīng)使用廠商規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸輪胎，胎壓為廠商推薦值。測試時(shí)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)處于正常使用溫度。駕駛員座椅應(yīng)盡可能調(diào)節(jié)到中間位置，如果座椅的靠背也是可調(diào)的，則應(yīng)盡可能使其處于垂直位置。試驗(yàn)車輛及路面如圖3所示。

為了使測試樣本盡量覆蓋不同駕駛?cè)巳汉筒煌鸩焦r，在試驗(yàn)測試中，試驗(yàn)司機(jī)分別選取新手司機(jī)男女各一名，一年駕齡司機(jī)男女各一名，三年及以上駕齡司機(jī)男女各一名。車輛起步時(shí)在確保車輛不熄火的前提下，保證離合器踏板全行程勻速運(yùn)動(dòng)，分別進(jìn)行緩慢起步、正常起步和快速起步，油門踏板與離合器踏板配合操作如表2所示，其中每種工況采集三組有效數(shù)據(jù)，試驗(yàn)測試工況見表3。

圖1 測試設(shè)備 圖2 測點(diǎn)位置

圖3 試驗(yàn)車輛及路面

起步狀態(tài)松離合時(shí)間(s)油門踏板行程(%)緩慢起步10～120正常起步7～910快速起步4～630

表3 試驗(yàn)工況

2.3 測試結(jié)果

將試驗(yàn)得到的駕駛員座椅導(dǎo)軌處加速度信號原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，三種起步狀態(tài)典型結(jié)果如圖4所示。從試驗(yàn)測試結(jié)果時(shí)域信號可知，車身縱向振動(dòng)加速度先后經(jīng)歷了從0逐漸增大再逐漸減小最終趨于穩(wěn)定的過程，此變化過程正好與離合器逐漸接合、摩擦力矩逐漸增大所經(jīng)歷的過程相吻合；車輛快速起步時(shí)縱向振動(dòng)持續(xù)時(shí)間最長且加速度幅值也最大，正常起步時(shí)相對次之；從頻域信號可知起步抖動(dòng)發(fā)生的頻率大約集中在5 Hz～30 Hz。

3 結(jié)果分析

表4匯總了不同工況下S指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果與主觀評分結(jié)果?；谠囼?yàn)結(jié)果對車輛起步抖動(dòng)評價(jià)指標(biāo)與其相應(yīng)的主觀評價(jià)進(jìn)行了相關(guān)性分析，詳細(xì)的相關(guān)性散點(diǎn)圖見圖5，其中實(shí)線為線性回歸模型的擬合結(jié)果。由相關(guān)性結(jié)果可知，車輛起步抖動(dòng)S指標(biāo)與主觀評價(jià)的相關(guān)性高達(dá)95.13%，由此可知，車身縱向振動(dòng)加速度S指標(biāo)與起步抖動(dòng)主觀評價(jià)是相互契合的。在此基礎(chǔ)上，對起步抖動(dòng)客觀評價(jià)指標(biāo)與主觀評分結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明S指標(biāo)與線性擬合曲線的均方根誤差(RMSE)為0.166，該誤差值在可接受范圍內(nèi)，說明S指標(biāo)對于起步抖動(dòng)縱向振動(dòng)的評價(jià)是準(zhǔn)確有效的。

圖4 車身縱向振動(dòng)加速度測試結(jié)果

測試序號S指標(biāo)主觀評分測試序號S指標(biāo)主觀評分10.148 23.5100.149 93.620.187 83.9110.254 94.230.264 24.3120.292 74.540.120 73.1130.120 0350.154 63.5140.150 13.460.172 13.8150.169 83.870.087 02.5160.090 22.680.121 33170.119 7390.136 53.3180.142 73.5

圖5 S指標(biāo)與主觀評價(jià)相關(guān)性散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

(1) 提出了反映車輛起步時(shí)車身縱向抖動(dòng)劇烈程度的評價(jià)指標(biāo)(S指標(biāo))，即起步抖動(dòng)感受越劇烈，S指標(biāo)值越大。S指標(biāo)利用信號標(biāo)準(zhǔn)差對車身縱向振動(dòng)加速度進(jìn)行衡量，能夠準(zhǔn)確、有效地對汽車起步抖動(dòng)劇烈程度進(jìn)行評價(jià)。

(2) 起步抖動(dòng)集中發(fā)生于離合器接合中段，隨著離合器接合過程的進(jìn)行，車身縱向抖動(dòng)先后經(jīng)歷了逐漸增大再逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定的過程，且頻率大約集中在5 Hz～30 Hz。

(3)S指標(biāo)與主觀評分的相關(guān)性高達(dá)95%，且與線性擬合曲線的均方根誤差在0.17以內(nèi)，表明所提出的起步抖動(dòng)縱向振動(dòng)評價(jià)指標(biāo)對于起步抖動(dòng)的評價(jià)是有效的。

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