王 偉，尹志浩，申富強(qiáng)，譚榮彬

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸業(yè)蓬勃發(fā)展，隨之而來的商用車領(lǐng)域發(fā)展水平越來越高，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。人們對(duì)商用車平順性要求也不斷提高，一部平順性好的卡車已成為用戶最基本的需求，直接影響用戶購(gòu)車意向。如何提升平順性，已成為各主機(jī)廠NVH 工作的重要內(nèi)容之一，建立基于用戶體驗(yàn)的平順性主客觀評(píng)價(jià)體系，也就成為當(dāng)務(wù)之急?；谏逃密嚠a(chǎn)品正向開發(fā)和用戶對(duì)平順性的主觀感受要求，研究了客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)及其相對(duì)應(yīng)的主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)，并通過分析大量主客觀評(píng)價(jià)樣本，得出客觀指標(biāo)值和主觀評(píng)分的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并推廣應(yīng)用。

1 平順性主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試概述

1.1 平順性主觀評(píng)價(jià)方法及體系

汽車的平順性是指汽車行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊對(duì)于乘員舒適度的影響，因此平順性評(píng)價(jià)主要依據(jù)乘員主觀感受來評(píng)價(jià)[1]。主觀評(píng)價(jià)一般是由有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員和乘員組成的評(píng)價(jià)小組，按預(yù)定的方案來駕駛、感受車輛在特定路況行駛時(shí)的表現(xiàn)，然后進(jìn)行主觀打分，最終得到車輛的評(píng)價(jià)結(jié)果。

平順性主觀評(píng)價(jià)體系是包括評(píng)價(jià)路況、駕駛方法、評(píng)價(jià)項(xiàng)目、打分標(biāo)準(zhǔn)等綜合評(píng)價(jià)體系。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)平順性主觀評(píng)價(jià)體系的研究較為深入，各主機(jī)廠、汽研中心均已有比較成熟的評(píng)價(jià)體系，主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目日趨繁多，評(píng)分體系也不盡相同，對(duì)試驗(yàn)人員、開發(fā)設(shè)計(jì)人員使用要求較高，適用性不佳。某主機(jī)廠平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。

表1 某主機(jī)廠平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 平順性客觀測(cè)試方法及指標(biāo)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631[2]明確給出了振動(dòng)頻率、振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)方向以及暴露時(shí)間對(duì)人體的感覺的影響，提出了用1/3 倍頻帶評(píng)價(jià)方法和總加權(quán)加速度均方根值的方法來計(jì)算客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，有一定的科學(xué)性和合理性，但不足以支撐產(chǎn)品正向開發(fā)，不能適應(yīng)概念設(shè)計(jì)階段的評(píng)價(jià)要求和優(yōu)化分析。我國(guó)在這方面的研究起步的晚，20 世紀(jì)80 年代初，清華大學(xué)、長(zhǎng)春汽車研究所等單位率先采用了ISO2631 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了汽車道路行駛平順性的研究，并于1985 年制定的“汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法”和“汽車平順性單脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法”[3]。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)在1986 年發(fā)布了GB/T 5902-1986 汽車平順性試驗(yàn)方法，經(jīng)過數(shù)次修改，形成了比較完整的平順性試驗(yàn)方法。

GB/T 4970-2009 汽車平順性試驗(yàn)方法[4]是參照ISO2631-1997“機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于整體振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1 部分：總要求”，規(guī)定了汽車在脈沖輸入行駛和隨機(jī)輸入行駛工況下的平順性測(cè)試方法，標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)說明了道路條件、數(shù)據(jù)處理方法。

1.2.1 脈沖輸入行駛試驗(yàn)

汽車脈沖輸入振動(dòng)屬于大振動(dòng)，會(huì)在瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊載荷，如果超過限值，必然會(huì)造成零部件損壞，對(duì)車輛安全性和可靠性產(chǎn)生影響。脈沖輸入行駛試驗(yàn)，即駕駛汽車以規(guī)定車速勻速通過障礙，考察車輛對(duì)單一沖擊激勵(lì)的表現(xiàn)。

國(guó)標(biāo)規(guī)定了脈沖輸入行駛評(píng)價(jià)方法，即當(dāng)振動(dòng)峰值波形系數(shù)小于9 時(shí)，用監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)Z¨max評(píng)價(jià)，當(dāng)振動(dòng)峰值波形系數(shù)大于9 時(shí)，增加振動(dòng)劑量值VDV的輔助評(píng)價(jià)方法，算式為（1）和式（2）。

式中：n為脈沖試驗(yàn)有效試驗(yàn)次數(shù)，n≥5；為最大（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)為第j次試驗(yàn)結(jié)果的最大（決定值）加速度響應(yīng)。

式中：（t）為加權(quán)加速度時(shí)間歷程；T為作用時(shí)間。

該評(píng)價(jià)方法所規(guī)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)與振動(dòng)峰值波形系數(shù)有關(guān)，當(dāng)振動(dòng)峰值波形系數(shù)小于9 時(shí)，僅用最大（絕對(duì)值）加速度響應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，無法反映車輛脈沖輸入行駛整個(gè)作用時(shí)間內(nèi)的表現(xiàn)，同時(shí)也缺少與客觀指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)，在工程應(yīng)用和指導(dǎo)設(shè)計(jì)方面有局限性。

1.2.2 隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)

汽車隨機(jī)輸入振動(dòng)是由隨機(jī)路面不平引起的振動(dòng)。隨機(jī)路面可視為較平穩(wěn)、可用頻域或時(shí)域模型來描述的路面[5]。我國(guó)平順性試驗(yàn)方法規(guī)定了隨機(jī)路面試驗(yàn)條件，將0.5～ 80 Hz 頻率范圍劃分為23 個(gè)頻率帶，各頻率帶對(duì)應(yīng)加權(quán)系數(shù)因位置、方向不同而不同，并給出了車輛隨機(jī)路面總的加權(quán)加速度均方根值及其與主觀感受之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該評(píng)價(jià)方法適用于不同車輛隨機(jī)輸入平順性總體水平對(duì)比，不適于指導(dǎo)平順性正向開發(fā)及工程應(yīng)用。

2 商用車平順性主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

現(xiàn)存的商用車平順性主觀評(píng)價(jià)體系項(xiàng)目多、專業(yè)性強(qiáng)，不適合普通設(shè)計(jì)工程師及實(shí)驗(yàn)人員使用；平順性客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)不能反映主觀感受和指導(dǎo)平順設(shè)計(jì)開發(fā)，急需一種可指導(dǎo)設(shè)計(jì)開發(fā)、適用于普通設(shè)計(jì)人員和試驗(yàn)人員使用的平順性主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)方法。

商用車主機(jī)廠平順性開發(fā)驗(yàn)證，一般選取典型的路況（城市道路、高速公路、二級(jí)公路、修補(bǔ)瀝青路面、粗糙瀝青路面、減速帶等）、以不同的車速和載荷狀況行駛來進(jìn)行評(píng)測(cè)，按路面分類可分為隨機(jī)路面評(píng)價(jià)和脈沖路面評(píng)價(jià)[6]。

2.1 隨機(jī)路面行駛平順性主客觀評(píng)價(jià)方法建議

隨機(jī)路面包括城市道路、高速公路、二級(jí)公路等較平穩(wěn)的道路。通常，商用車底盤懸架減振系統(tǒng)、駕駛室懸置減振系統(tǒng)的偏頻都較低，一般在0～ 6 Hz 范圍內(nèi)，車架彎扭以及其他局部模態(tài)一般在6～ 20 Hz范圍內(nèi)，因此商用車駕乘人員所感受到的振動(dòng)頻率在20 Hz 以內(nèi)。某牽引車隨機(jī)路面司機(jī)座椅處垂向振動(dòng)加速度頻域曲線如圖1 所示。

圖1 某牽引車司機(jī)座椅加速度頻譜

上圖中主要振動(dòng)頻率集中在1.5 Hz、2.5 Hz 和11.5 Hz 附近，其中1.5 Hz 與前懸架和駕駛室懸置偏頻接近，2.5 Hz 與后懸架偏頻接近，11.5 Hz 與車架Y向彎扭頻率和簧下偏頻接近。在商用車平順性開發(fā)過程中，根據(jù)商用車各減震系統(tǒng)的系統(tǒng)特性及駕乘人員所感受到的振動(dòng)響應(yīng)，從頻域上將振動(dòng)分為一階振動(dòng)和二階振動(dòng)，對(duì)應(yīng)頻率范圍分別為0～ 6 Hz 和6～20 Hz，來定義主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過分頻評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果快速找出故障頻率范圍，進(jìn)而確定需要改善的減震系統(tǒng)?？傮w思路如圖2 所示。

圖2 隨機(jī)路面主客觀評(píng)價(jià)思路

首先，測(cè)試人員駕駛車輛在隨機(jī)路面上行駛，通過加速度傳感器采集振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。然后，對(duì)采集到的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變化，得到加速度頻域數(shù)據(jù)[7]。再對(duì)加速度頻域曲線分頻（分頻點(diǎn)6 Hz）計(jì)算有效值，得到0～6 Hz 范圍內(nèi)的有效值和6～ 20 Hz范圍內(nèi)的加速度頻域有效值，即為客觀評(píng)價(jià)的兩個(gè)指標(biāo)。

測(cè)試人員在測(cè)試同時(shí)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)項(xiàng)包括一階振動(dòng)和二階振動(dòng)兩個(gè)方面。其中，一階振動(dòng)考察車輛0～ 6 Hz 的低頻振動(dòng)，可從振動(dòng)幅度大小、收斂快慢、是否突兀等方面評(píng)價(jià)；二階振動(dòng)考察車輛6～20 Hz 的振動(dòng)，可從路面隔絕感、振動(dòng)強(qiáng)度、柔和度等方面評(píng)價(jià)。

上述客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)0～ 6 Hz 范圍內(nèi)的有效值和6～ 20 Hz 范圍內(nèi)的有效值，與主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)一階振動(dòng)和二階振動(dòng)，相互對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)主客觀統(tǒng)一。

2.2 脈沖輸入行駛平順性主客觀評(píng)價(jià)方法建議

商用車脈沖輸入行駛情況是用戶的常用路況之一，包括路面減速坎、坑洼路況等。平順性開發(fā)中，通常以車輛過單一沖擊障礙來考察車輛在整個(gè)作用時(shí)間內(nèi)的表現(xiàn)，可從沖擊時(shí)刻表現(xiàn)和沖擊后的殘余響應(yīng)，兩個(gè)方面定義主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，總體思路沒區(qū)別圖3。

圖3 脈沖輸入行駛主客觀評(píng)價(jià)思路

首先，測(cè)試人員駕駛車輛進(jìn)行脈沖輸入行駛試驗(yàn)，通過加速度傳感器采集振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。然后，對(duì)采集到的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行ISO2631 加權(quán)，得到加權(quán)后的加速度數(shù)據(jù)。加權(quán)后的振動(dòng)加速度第一個(gè)波峰值的絕對(duì)值和第一個(gè)波谷值的絕對(duì)值之和，即為客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之一；求加權(quán)后的振動(dòng)加速度包絡(luò)線（可用MATLAB 等軟件繪制包絡(luò)線）[8]，包絡(luò)線所形成的包絡(luò)面積即為客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之二。加速度加權(quán)及包絡(luò)線案例見圖4 和圖5。

圖4 加速度ISO2631 加權(quán)

圖5 加權(quán)加速度包絡(luò)線

測(cè)試人員在測(cè)試同時(shí)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)項(xiàng)包括沖擊強(qiáng)度和殘余響應(yīng)兩個(gè)方面。其中，沖擊強(qiáng)度考察車輛脈沖輸入時(shí)刻的表現(xiàn)，可從沖擊大小、沖擊隔絕感等方面評(píng)價(jià)；殘余響應(yīng)考察車輛脈沖輸入后至車輛平穩(wěn)過程中的表現(xiàn)，可從殘余振動(dòng)大小、衰減快慢等方面評(píng)價(jià)。

上述客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)中，“加權(quán)后的振動(dòng)加速度第一個(gè)波峰值的絕對(duì)值和第一個(gè)波谷值的絕對(duì)值之和”與主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)中的“沖擊強(qiáng)度”對(duì)應(yīng)“包絡(luò)線所形成的面積”與主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)中的“殘余響應(yīng)”對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)主客觀對(duì)應(yīng)和統(tǒng)一。

3 商用車平順性主客觀一致性研究

3.1 商用車主觀評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)建議

商用車主機(jī)廠平順性評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括評(píng)分區(qū)間、區(qū)間含義、產(chǎn)品定義，以及給出是否需要整改的明確建議?；谟脩舾惺芎彤a(chǎn)品正向開發(fā)需要，制定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 給出了勉強(qiáng)接受區(qū)間及臨界評(píng)分點(diǎn)5 分，作為產(chǎn)品是否投放市場(chǎng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，低于5 分即必須進(jìn)行整改，不能投放市場(chǎng)?？山邮艿呐R界點(diǎn)為6 分，對(duì)于高端產(chǎn)品，必須達(dá)到6 分甚至更高的評(píng)分要求。

表2 商用車平順性主觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3.2 隨機(jī)路面平順性主客觀一致性

為實(shí)現(xiàn)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)與主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)的相互對(duì)應(yīng)，組織6 名經(jīng)驗(yàn)豐富的主觀評(píng)價(jià)人員，以某普通二級(jí)路為評(píng)價(jià)路面，對(duì)17 輛商用車進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，同時(shí)采集司機(jī)座椅導(dǎo)軌處客觀數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 隨機(jī)路面客觀數(shù)據(jù)與主觀評(píng)分結(jié)果

表3 中，主觀評(píng)分為各評(píng)價(jià)人員的綜合評(píng)分，客觀數(shù)據(jù)為司機(jī)座椅導(dǎo)軌處XYZ 各向振動(dòng)頻域有效值的均方根值。通過客觀數(shù)據(jù)和主觀評(píng)分的模糊對(duì)應(yīng)，可得到客觀數(shù)據(jù)區(qū)間和主觀評(píng)分區(qū)間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)主客觀統(tǒng)一，詳見表4。

表4 隨機(jī)路面主客觀對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 脈沖輸入平順性主客觀一致性

以車速20 km/h 勻速行駛通過單個(gè)減速帶[9]，主觀評(píng)價(jià)小組分別對(duì)各車輛沖擊強(qiáng)度和殘余響應(yīng)進(jìn)行評(píng)分，測(cè)試人員同時(shí)采集司機(jī)座椅導(dǎo)軌處客觀數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果見表5。

從表5 中可以看出，主觀評(píng)分為各評(píng)價(jià)人員的綜合評(píng)分，客觀數(shù)據(jù)為司機(jī)座椅導(dǎo)軌處Z 向加速度響應(yīng)處理后的數(shù)據(jù)。通過客觀數(shù)據(jù)和主觀評(píng)分的模糊對(duì)應(yīng)，得到客觀數(shù)據(jù)區(qū)間和主觀評(píng)分區(qū)間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系見表6。

表5 脈沖輸入行駛客觀數(shù)據(jù)與主觀評(píng)分結(jié)果

表6 脈沖輸入行駛主客觀對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 商用車平順性評(píng)價(jià)模型

4.1 評(píng)價(jià)模型建立

商用車（卡車）常用行駛路況因車輛種類不同而不同，按常用行駛路況分為三類。第一類自卸和專用車類，常用場(chǎng)景為工地、礦山等較為惡劣路況，二級(jí)公路、城郊路況等路況行駛頻次居中，高速路況等平直路面行駛較少；第二類輕卡載貨類，常用場(chǎng)景為二級(jí)公路、城郊路況，高速路況等平直路面行駛頻次居中，工地、礦山等較為惡劣路況行駛較少；第三類牽引和中重型載貨類，常用場(chǎng)景為高速路況等平直路面，二級(jí)公路、城郊路況行駛頻次居中，工地、礦山等較為惡劣路況行駛較少。工地、礦山等較為惡劣路況與脈沖輸入行駛對(duì)應(yīng)，二級(jí)公路、城郊及高速路況與隨機(jī)路面行駛對(duì)應(yīng)。

結(jié)合工程應(yīng)用，將商用車評(píng)價(jià)路況分為二級(jí)水泥路、二級(jí)瀝青路、高速水泥路、高速瀝青路、單減速帶，共5 種路況，其中單減速帶即脈沖輸入行駛路況，其他屬隨機(jī)路面工況。評(píng)價(jià)車速分別對(duì)應(yīng)為50 km/h、50 km/h、80 km/h、80 km/h 和20 km/h。定義不同類型車輛在不同路況下的加權(quán)系數(shù)，見表7。

表7 商用車平順性評(píng)價(jià)加權(quán)系數(shù)

表7 中各類車輛各路況權(quán)重之和均為1，同時(shí)適用于平順性主觀評(píng)價(jià)綜合評(píng)分計(jì)算和客觀評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)計(jì)算。

4.2 應(yīng)用案例

以某6X4 牽引車為評(píng)價(jià)樣車，樣車為帶掛滿載狀態(tài)，評(píng)價(jià)小組和測(cè)試人員同時(shí)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試。評(píng)價(jià)路況為二級(jí)水泥路、二級(jí)瀝青路、高速水泥路、高速瀝青路和單減速帶，所得到的主觀評(píng)分、客觀指標(biāo)及由客觀指標(biāo)對(duì)應(yīng)的主觀評(píng)分結(jié)果見表8、表9。

表8 隨機(jī)路面應(yīng)用案例

表9 脈沖輸入路面應(yīng)用案例

評(píng)價(jià)小組評(píng)分與由客觀指標(biāo)對(duì)應(yīng)的主觀評(píng)分基本一致，說明客觀指標(biāo)與主觀評(píng)分的對(duì)應(yīng)關(guān)系可靠，驗(yàn)證了主客觀統(tǒng)一。

基于評(píng)價(jià)模型計(jì)算得到的平順性主觀評(píng)價(jià)綜合評(píng)分為6.8 分，對(duì)應(yīng)評(píng)分體系表2 中的可接受、基本滿意范疇，符合實(shí)車情況。客觀評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)為1.59 m/s2，驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型可行性。

5 結(jié)論

綜上所述得出以下結(jié)論：

（1）分析現(xiàn)有的商用車平順性主客觀評(píng)價(jià)方法，提出在指導(dǎo)商用車平順性正向開發(fā)和工程應(yīng)用方面的不足。

（2）基于商用車平順性正向開發(fā)及工程應(yīng)用，將評(píng)價(jià)路況分為隨機(jī)路面和脈沖輸入行駛路面，提出相應(yīng)的商用車平順性試驗(yàn)方法和主客觀評(píng)價(jià)體系。

（3）開展商用車平順性和主客觀評(píng)價(jià)一致性研究，提出主客觀指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行主客觀一致性驗(yàn)證，對(duì)提升商用車平順性和主客觀一致性具有重要的指導(dǎo)意義。

（4）基于試驗(yàn)方法和主客觀評(píng)價(jià)體系，提出一種商用車平順性評(píng)價(jià)模型，并實(shí)車驗(yàn)證其可行性。