周振宇，萬華森 ZHOU Zhenyu,WAN Huasen

（昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著我國公路的大規(guī)模建設(shè)以及汽車企業(yè)的快速發(fā)展，交通可達(dá)性不斷擴(kuò)大，人們對車輛行駛過程中的舒適性提出了更高的要求。行車舒適性是指汽車在一定的行駛速度范圍內(nèi)，乘客不會(huì)因?yàn)槠嚨男旭偠a(chǎn)生不舒適和疲勞的感覺，又稱為乘坐舒適性[1]。傳統(tǒng)的行車舒適性評價(jià)方法主要是研究汽車的振動(dòng)對乘客的影響，幾乎沒有考慮到道路線形等因素對車輛行駛中的乘客產(chǎn)生的影響。影響行車舒適度的因素較多，現(xiàn)如今對行車舒適性的研究還沒有一個(gè)統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，行車舒適性的評價(jià)方法也存在著諸多差異。本文結(jié)合人、車、道路交通3大要素，針對人與車、車與路兩個(gè)方面對行車舒適性評價(jià)方法進(jìn)行總結(jié)歸類。

1 基于人與車的舒適性評價(jià)方法

在車輛行駛過程中，由于受到道路平整度等原因造成車輛振動(dòng)，振動(dòng)從車輛傳遞到車內(nèi)乘客身上，繼而對乘客身體產(chǎn)生一定的影響，影響嚴(yán)重者可能會(huì)發(fā)生暈車、惡心、頭痛等癥狀。但振動(dòng)在車輛行駛的過程中是不可避免的，車輛在研發(fā)過程中要對汽車減震等功能進(jìn)行測試，盡量減少汽車振動(dòng)對乘客的影響。以下為基于人體對振動(dòng)的承受極限發(fā)展而來的主要行車舒適性評價(jià)方法。

1.1 Janeway舒適性評價(jià)方法

美國學(xué)者Janeway在1948年基于車輛振動(dòng)提出影響人體舒適度主要因素在不同的振動(dòng)頻率上是不同的，在此基礎(chǔ)上建立Janeway準(zhǔn)則舒適性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

其中：A為振幅；f為頻率。

他認(rèn)為振動(dòng)頻率不同對應(yīng)的影響因素也不同，并且將振動(dòng)頻率分為了3種情況，并給出了對應(yīng)3種情況的主要影響因素[2]，如表1所示。

Janeway通過公式計(jì)算出了Janeway準(zhǔn)則臨界曲線，若計(jì)算所得的J值在曲線之上則會(huì)引起不適，行車舒適性較差。這一標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在廣泛運(yùn)用于日本鐵路的評價(jià)之中。

表1 不同頻率對應(yīng)的主要影響因素

1.2 斯佩林舒適性評價(jià)方法

斯佩林（Spering）舒適性評價(jià)指標(biāo)是由德國鐵路車輛試驗(yàn)研究所斯佩林等人提出的，主要是對車輛運(yùn)行中的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)[3]。斯佩林等人提出了舒適性評價(jià)的經(jīng)驗(yàn)公式如式（1）所示，舒適性評價(jià)指標(biāo)用Wz來表示。

式中：Z為振動(dòng)幅值；f為強(qiáng)震頻率；F（f）為與振動(dòng)頻率有關(guān)的函數(shù)，稱為頻率修正系數(shù)。

斯佩林等人在此公式的基礎(chǔ)上測算出了Wz的舒適性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。斯佩林舒適性評價(jià)方法主要在歐洲各國應(yīng)用較為廣泛。

1.3 國際舒適性評價(jià)方法

1974年國際化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）在將大量有關(guān)人體振動(dòng)的研究工作和文獻(xiàn)匯總的基礎(chǔ)上頒布了國際標(biāo)準(zhǔn)《人體承受全身振動(dòng)的評價(jià)指南》，這是國際標(biāo)準(zhǔn)組織首次將振動(dòng)對人體的影響進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，但這本指南評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)被限制在了短時(shí)間的簡諧振動(dòng)為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)中[4]。國內(nèi)外學(xué)者對于長時(shí)間的振動(dòng)環(huán)境中此標(biāo)準(zhǔn)能否適用進(jìn)行了大量的研究，在1978年、1985年、1997年等都在不同程度上對《人體承受全身振動(dòng)的評價(jià)指南》進(jìn)行補(bǔ)充修訂，成為國際普遍認(rèn)可的通用標(biāo)準(zhǔn)。其評價(jià)方法主要分為三分之一倍頻帶法和總加權(quán)值評價(jià)法。在最新的舒適性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ISO2631-1:1997（E）中，給出了人體坐、立、臥3種姿勢的受振模型，其通過對內(nèi)臟、人體脊椎等部位敏感振動(dòng)范圍的界定采用加權(quán)加速度方均根aw來反映人體對振動(dòng)的敏感程度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)振動(dòng)波形峰值系數(shù)＜9（峰值系數(shù)是加權(quán)加速度的時(shí)間歷程aw（）t的最大值與加權(quán)加速度均方根值aw的比值）時(shí)用基本方法來評價(jià)，單軸加權(quán)加速度均方根值aw按式（2）進(jìn)行計(jì)算[5]，aw與人體主觀舒適度關(guān)系如表3所示。

式中：aw（t）為加權(quán)加速度時(shí)間歷程；T為測量時(shí)間長度。

表2 斯佩林舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631通過對之前人體振動(dòng)研究進(jìn)行總結(jié)歸納，并且在之后不斷進(jìn)行補(bǔ)充、修訂，使其成為現(xiàn)在被大多數(shù)國家認(rèn)可并且應(yīng)用最為廣泛的行車舒適性評價(jià)方法。

1.4 其他舒適性評價(jià)方法

其他舒適性評價(jià)方法見表4。

2 基于車與路的行車舒適性評價(jià)方法

車輛在路面行駛時(shí)，行車舒適性還會(huì)受到道路自身屬性的影響，道路線形是否符合人體對于車輛行駛中自由度變化的感知閾值，是影響行車舒適度的關(guān)鍵。一般來說道路線形一般采用直線—緩和曲線—圓曲線—緩和曲線—直線的形式，緩和曲線作為直線和圓曲線的漸變線段，它起到了連接直線與圓曲線曲率的作用，使人們在行駛的過程中不會(huì)感受到明顯的轉(zhuǎn)折變化。麥克康奈爾（Mcconnell）緩和曲線是現(xiàn)有的考慮到行車舒適性而設(shè)計(jì)的緩和曲線。麥克康奈爾曲線主要是W.A.Mcconell等人將在彎道上行駛的汽車采用6自由度（包括車輛縱向、側(cè)向、轉(zhuǎn)向的移動(dòng)和車身縱傾、側(cè)傾、橫向的旋轉(zhuǎn)，如圖1所示）進(jìn)行行車舒適性的研究[6]，研究成果表明：人體的感覺器官對不同運(yùn)動(dòng)自由度的變化感知度不同，只有當(dāng)這些運(yùn)動(dòng)自由度的變化達(dá)到人體感覺開始閾限值時(shí)才會(huì)被人體感覺到，并且得到了6個(gè)自由度各自對應(yīng)的閾值，如表5所示。

表4 其他舒適性評價(jià)方法

圖1 車輛6自由度示意圖

麥克康奈爾等人對人體運(yùn)動(dòng)感覺的研究促進(jìn)了行車舒適性的發(fā)展，我們可以從這6個(gè)自由度中進(jìn)行選擇對行車舒適性進(jìn)行科學(xué)合理的定量分析。現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的行車舒適性評價(jià)方法主要分為以下幾種。

2.1 橫向力系數(shù)評價(jià)方法

橫向力系數(shù)為橫向力與豎向力的比值，用μ表示。橫向力系數(shù)可以反映車輛在曲線行駛過程中的穩(wěn)定性和舒適程度[7]。將車輛看做剛體，根據(jù)車輛在彎道上的受力分析可以得到橫向力系數(shù)μ的計(jì)算方法如式（3） 所示：

式中：V為汽車行駛速度；R為圓曲線半徑；ih為路面橫坡度。

表5 人體對運(yùn)動(dòng)的感覺開始的閾值

通過計(jì)算可以得知μ值越大舒適性越差，μ值越小舒適性越好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究得出了橫向力系數(shù)μ與行車舒適性的關(guān)系，如表6所示。

通過橫向力系數(shù)進(jìn)行行車舒適性評價(jià)的方法計(jì)算簡單，有明確的規(guī)范作為理論依托，但橫向力系數(shù)是車輛運(yùn)行的過程中的一個(gè)隨機(jī)變量，車輛型號(hào)、路面情況、行駛軌跡等都會(huì)對橫向力系數(shù)產(chǎn)生不同程度的影響[8]，從而對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

2.2 橫向加速度評價(jià)方法

汽車橫向加速度（ah）指的是汽車行駛與行駛方向水平垂直方向上的加速度，一般是在車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)由向心加速度而產(chǎn)生的[9]。在高等級公路建設(shè)時(shí)往往用減少道路的超高來降低橫向加速度對人們的影響。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究，得到了橫向加速度與行車舒適性的關(guān)系。橫向加速度與行車舒適性的關(guān)系如表7所示。

在橫向加速度研究的基礎(chǔ)上，有學(xué)者進(jìn)一步對橫向加速度變化率來進(jìn)行研究，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，長安大學(xué)的楊少偉教授在他的文章中介紹橫向加速度變化率一般控制在0.6m/s3以內(nèi)較為舒適。

表6 橫向力系數(shù)μ與行車舒適性的關(guān)系

表7 橫向加速度與行車舒適性的關(guān)系

2.3 加速度干擾評價(jià)方法

車輛在道路上行駛?cè)菀资艿降缆纷陨砭€形、駕駛員操作技術(shù)以及道路的路況等級的影響，所以車輛在行駛的過程中車速是在不停變化的。為了能夠描述車速在一定范圍內(nèi)的變化，20世紀(jì)50年代Hermann提出了加速度干擾的概念，并且將其定義為車輛加速度與平均加速度的標(biāo)準(zhǔn)差，即對車輛速度擺動(dòng)的描述，用δ表示。并且通過研究測試得到了加速度干擾與行車舒適性之間的關(guān)系[10]，如表8所示。

式中：T為觀測總時(shí)間；a（t）為t時(shí)刻的加速度；為平均加速度。

2.4 豎向加速度評價(jià)方法

當(dāng)車輛在豎曲線上行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生豎向加速度as（）并作用在車內(nèi)駕駛員及乘客身上。駕駛員及乘客在離心力的作用下會(huì)在凸形豎曲線上產(chǎn)生失重的感覺，在凹形豎曲線上產(chǎn)生增重的感覺，這些感覺都會(huì)對行車舒適性產(chǎn)生影響。目前豎向加速度對行車舒適性的評價(jià)并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。長安大學(xué)碩士牛兆霞[11]通過對《公路與城市道路幾何設(shè)計(jì)》、《汽車?yán)碚摗返葧恼砜偨Y(jié)中得到滿足舒適性的豎向加速度指標(biāo)的取值，如表9所示。

表8 加速度干擾與行車舒適性的關(guān)系

表9 加速度干擾與行車舒適性的關(guān)系

3 總結(jié)

本文將行車舒適性與交通3大要素人、車、路有機(jī)結(jié)合起來，通過人與車、車與路兩方面對行車舒適性評價(jià)方法進(jìn)行匯總整理。關(guān)于環(huán)境對行車舒適性的影響在本文中并未涉及，其對行車舒適性的影響還需要進(jìn)一步研究。在今后行車舒適性評價(jià)中可以將車與路結(jié)合起來進(jìn)行綜合評價(jià)，為未來行車舒適性評價(jià)方法提供參考。