高勝輝，趙 旭，李 林，蔣 欣

（1.廣東白云學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510450；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和生活水平的提高，汽 車作為短距離代步和中長距離旅行的主要交通工具，其乘坐舒適性尤為重要。整車平順性和車內(nèi)噪聲是乘坐舒適性的重要評價(jià)指標(biāo)，良好的舒適性是家用轎車的首選。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對汽車舒適性的研究不計(jì)其數(shù)，大多搭建整車多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，通過虛擬仿真計(jì)算來研究底盤各零部件對整車平順性的影響，從而對整車平順性進(jìn)行優(yōu)化[1]；通過噪聲傳感器對路噪進(jìn)行系統(tǒng)測試、分析及改進(jìn)，從而提高車內(nèi)噪聲性能[2]。

汽車副車架是連接底盤懸架和車身的紐帶，同時(shí)也傳遞來自路面的振動(dòng)和噪聲。目前，為了減少路面帶來的振動(dòng)和噪聲，副車架主要是通過襯套軟連接的方式連接到車身上，從而使副車架和車身的連接具有一定的柔性。高晉等通過分別搭建副車架剛性和柔性整車模型，在隨機(jī)路面和脈沖路面對整車模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，副車架柔性連接整車平順性更好[3]。副車架硬度高，質(zhì)量大，為了控制汽車研發(fā)成本同時(shí)又不損失整車舒適性能，本文考慮用機(jī)加工鐵塊代替襯套連接，通過實(shí)車道路試驗(yàn)研究副車架軟硬連接兩種方案對汽車平順性和路噪的影響，以此來滿足現(xiàn)階段汽車研發(fā)過程中更高舒適性和更低成本兼具的要求。

1 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

測試設(shè)備包括PCB Piezotronics的三向振動(dòng)加速度傳感器及信號連接線、噪聲傳感器（麥克風(fēng)）、LMS公司的測試分析系統(tǒng)及測試用PC機(jī)，采集車身各測點(diǎn)振動(dòng)加速度信號和底盤各結(jié)構(gòu)件傳遞路面到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲信號，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)某企業(yè)整車平順性試驗(yàn)方法，對某車型副車架軟硬連接方案進(jìn)行平順性和路噪實(shí)車試驗(yàn)，測試兩種方案下車身測點(diǎn)位置的三向振動(dòng)加速度和車內(nèi)前后排噪聲信號。同時(shí)選擇合適的評價(jià)指標(biāo)對比兩種連接方案在不同路面下的平順性和路噪情況，為滿足汽車研發(fā)過程中降本增效的要求積累一定的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.3 試驗(yàn)條件

實(shí)車平順性和路噪測試對試驗(yàn)路面和環(huán)境條件有一定的要求，汽車振動(dòng)噪聲測試路面眾多，本文乘坐舒適性測試路面主要考慮隨機(jī)路面和脈沖路面。對于隨機(jī)路面，要求干燥平直，路面不平度均勻無突變，縱向坡度不大于1%的瀝青路面；對于脈沖路面，在光滑干燥路面固定布置一定尺寸的減速帶作為脈沖輸入，減速帶前后各保持一段距離的平整路面；對于試驗(yàn)環(huán)境，要求瞬時(shí)風(fēng)速不大于5 m/s，溫度不高于38 ℃，按照某企業(yè)整車平順性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)整備試驗(yàn)車輛[4]。本文采用某試驗(yàn)場的粗糙路面60 km/h車速和光滑路面100 km/h車速進(jìn)行隨機(jī)路面振動(dòng)噪聲測試，采用減速帶路面20 km/h車速進(jìn)行脈沖振動(dòng)測試，減速帶橫截面尺寸如圖1所示。

圖1 減速帶橫截面尺寸

1.4 試驗(yàn)測點(diǎn)

試驗(yàn)采用麥克風(fēng)噪聲測試設(shè)備和PCB Piez- otronics的三方向振動(dòng)加速度傳感器對路噪和整車平順性進(jìn)行測試。車內(nèi)噪聲測試受測試環(huán)境和測點(diǎn)位置的影響較大，根據(jù)測點(diǎn)的位置不同，測試得到的噪聲也會有差別。為了盡可能地結(jié)合乘員對車內(nèi)噪聲主觀感受，前排測點(diǎn)布置在駕駛員右耳位置，后排測點(diǎn)布置在右后乘客左耳位置。整車平順性主要研究路面振動(dòng)激勵(lì)對車內(nèi)乘員舒適性的影響，因此，平順性試驗(yàn)的測點(diǎn)應(yīng)該盡可能布置在與乘員相接觸的地方。本文在方向盤、駕駛員座椅導(dǎo)軌和駕駛員左腳地板位置布置振動(dòng)加速度傳感器，測量各測點(diǎn)在不同車速和路面下的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。其中方向盤測點(diǎn)是以方向盤法平面向內(nèi)為x向，管柱軸向?yàn)閦向，根據(jù)右手法則平穩(wěn)地布置在方向盤十二點(diǎn)位置。

2 整車舒適性評價(jià)指標(biāo)

乘坐舒適性的影響因素較多，影響程度也不盡相同，在評價(jià)整車舒適性時(shí)應(yīng)該考慮車內(nèi)路噪、行駛平順性、沖擊強(qiáng)度及余振等情況。因此，考慮到評價(jià)指標(biāo)要能夠客觀地反映舒適度與不同路面平順性及路噪的關(guān)系，本文主要使用聲壓級評價(jià)方法，選擇A計(jì)權(quán)聲壓級評價(jià)指標(biāo)來評價(jià)隨機(jī)路面車內(nèi)前后排噪聲；使用總加權(quán)加速度均方根值來評價(jià)隨機(jī)路面的平順性[5]；使用四輪沖擊振動(dòng)有效值并結(jié)合沖擊時(shí)振動(dòng)加速度峰峰值和半周期振動(dòng)衰減率來評價(jià)減速帶脈沖輸入路面的沖擊平順性。

2.1 基本評價(jià)方法

為根據(jù)ISO2631舒適性評價(jià)國際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)振動(dòng)峰值系數(shù)小于9時(shí)，可以使用基本評價(jià)方法對整車平順性進(jìn)行評價(jià)[6]。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的時(shí)域加速度信號加權(quán)濾波的理論依據(jù)，通過MATLAB編程設(shè)計(jì)加速度信號加權(quán)濾波網(wǎng)絡(luò)，對采集的各軸向振動(dòng)加速度時(shí)域信號a(t)進(jìn)行濾波和加權(quán)，得到加權(quán)加速度時(shí)間歷程aw(t)。同時(shí)對數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)加權(quán)加速度信號進(jìn)行積分，得到加權(quán)加速度信號aw。最后根據(jù)總的采樣點(diǎn)數(shù)求得加權(quán)加速度均方根值[7]：

式中，RMS為加權(quán)加速度均方根值，m/s2；n為總的采樣點(diǎn)數(shù)；aw為加權(quán)加速度值，m/s2。

各軸向加權(quán)加速度計(jì)算方法為

式中，T為用于振動(dòng)數(shù)據(jù)分析的時(shí)間，一般取T≥ 50 s；aw(t)為各軸向加權(quán)加速度時(shí)間歷程。

對于某些測點(diǎn)，單軸向的加權(quán)加速度往往不能清楚地表達(dá)乘員整體的舒適性感受，需要根據(jù)各軸向振動(dòng)對人體舒適性的影響程度，來計(jì)算測點(diǎn)的總加權(quán)加速度[8]?？偧訖?quán)加速度av計(jì)算方法為

式中，kx、ky、kz分別為各軸向加權(quán)系數(shù)；awx、awy、awz分別為各軸向加權(quán)加速度，m/s2。

方向盤和座椅導(dǎo)軌測點(diǎn)三個(gè)方向的軸加權(quán)系數(shù)取1，腳地板x、y、z三個(gè)方向的軸加權(quán)系數(shù)分別取0.25、0.25、0.40。

2.2 減速帶脈沖路面評價(jià)方法

減速帶脈沖輸入工況對各測點(diǎn)的振動(dòng)評價(jià)指標(biāo)選取四輪沖擊振動(dòng)有效值作為平順性的主要評價(jià)方法，加權(quán)加速度的峰峰值和半周期衰減率作為輔助評價(jià)方法，主要評價(jià)減速帶脈沖路面的沖擊強(qiáng)度和振動(dòng)衰減。

在減速帶脈沖輸入工況中，前后車輪通過減速帶視作一次沖擊，車輛行駛通過減速帶時(shí)的移動(dòng)平均振動(dòng)有效均方根值與通過減速帶前行駛在光滑路面的振動(dòng)有效均方根值的最大差值，即為四輪沖擊振動(dòng)有效值，計(jì)算如下：

式中，ΔRMSG為四輪沖擊振動(dòng)有效值，m/s2；dM移動(dòng)間隔點(diǎn)數(shù)；aw為振動(dòng)加權(quán)加速度值；MG為汽車通過減速帶的采樣點(diǎn)數(shù)（前后車輪通過減速帶視作一次沖擊），計(jì)算如下：

式中，Round為取整計(jì)算；fs為采樣頻率，Hz；L為軸距，m；V為車速，m/s；W為時(shí)間窗系數(shù)，取W=1.05。

峰峰值是指加權(quán)后的加速度時(shí)間歷程的最大值與最小值之間的差值，計(jì)算如下：

式中，Peak為峰峰值，m/s。

前輪過脈沖時(shí)的振動(dòng)衰減曲線如圖2所示。

圖2 前輪過脈沖振動(dòng)衰減曲線

圖中，A1為脈沖振動(dòng)加速度第二個(gè)峰值至第三個(gè)峰值的峰峰值，m/s2；A2為脈沖振動(dòng)加速度第三個(gè)峰值至第四個(gè)峰值的峰峰值，m/s2。脈沖振動(dòng)工況常用半周期衰減率作為評價(jià)指標(biāo)評價(jià)沖擊振動(dòng)的衰減程度[9]，半周期衰減率τ計(jì)算如下：

3 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

3.1 路噪試驗(yàn)結(jié)果

人耳對聲音所感覺的強(qiáng)度取決于聲壓的大小和聲音的頻率，國際上評價(jià)噪聲的主要指標(biāo)為A計(jì)權(quán)聲壓值，它能夠較好地反映人耳對噪聲的強(qiáng)度與頻率的主觀感覺[10]。對隨機(jī)路面噪聲進(jìn)行采樣頻域內(nèi)的A計(jì)權(quán)聲壓值計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 副車架軟硬連接路噪對比結(jié)果

由圖4可知，粗糙路和光滑路副車架硬連接方案車內(nèi)前后排噪聲均差于軟連接方案；粗糙路面噪聲相差在1 dB以內(nèi)，光滑路面噪聲相差在2 dB左右，主要表現(xiàn)在100 Hz～130 Hz范圍內(nèi)。因此，副車架硬連接會使隨機(jī)路面車內(nèi)噪聲變差，并且隨著車速的增加，噪聲越差，副車架襯套軟連接能夠有效的改善隨機(jī)路面行駛時(shí)車內(nèi)噪聲，從而提高舒適性。

3.2 隨機(jī)路面平順性試驗(yàn)結(jié)果

以各測點(diǎn)的加權(quán)加速度均方根值作為隨機(jī)路面各測點(diǎn)平順性評價(jià)指標(biāo)，分析副車架軟硬連接對整車平順性的影響。在LMS后處理模塊中進(jìn)行頻域分析，得到各測點(diǎn)的振動(dòng)頻域響應(yīng)曲線。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在試驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，隨機(jī)路面上，副車架軟硬連接對平順性的影響不大，但是從頻域來看，方向盤z向在80 Hz時(shí)硬鏈接方案的振動(dòng)明顯變大。因此，采用副車架硬連接方案，還應(yīng)考慮降低方向盤的振動(dòng)。

圖4 各測點(diǎn)振動(dòng)頻域響應(yīng)曲線

3.3 減速帶脈沖路面平順性結(jié)果

根據(jù)上文對減速帶脈沖路面平順性指標(biāo)分析，有效值、峰峰值及衰減率的結(jié)果如表1所示。

表1 減速帶脈沖路面試驗(yàn)結(jié)果

在MATLAB中將采集的時(shí)域加速度信號進(jìn)行加權(quán)濾波處理得到振動(dòng)加權(quán)加速度值，從而計(jì)算汽車前軸過減速帶時(shí)的振動(dòng)衰減率，腳地板z方向的振動(dòng)曲線如圖5所示。

由表1和圖5可知，副車架硬連接方案四輪沖擊振動(dòng)有效值和峰峰值稍小于軟連接，且振動(dòng)衰減稍好于軟連接，因此，采用副車架硬連接方案不會降低減速帶脈沖工況的沖擊平順性和余振衰減。

圖5 腳地板z方向振動(dòng)加速度曲線

4 結(jié)論

本文從研究整車舒適性的目的出發(fā)，基于某試驗(yàn)場粗糙、光滑和減速帶脈沖路面，對車內(nèi)前后排噪聲、方向盤及前排導(dǎo)軌和腳地板測點(diǎn)的振動(dòng)平順性進(jìn)行實(shí)車測試，研究副車架襯套軟連接和機(jī)加工鐵塊硬連接兩種方案對整車平順性及噪聲的影響，結(jié)論如下：

1）副車架軟硬連接對路噪影響較為明顯。硬連接方案噪聲明顯增加，并且隨著車速增加噪聲增大。因此，對于高速行駛的車輛，采用副車架襯套軟連接方案能夠有效降低車內(nèi)噪聲。

2）副車架軟硬連接對整車振動(dòng)平順性影響不大。在隨機(jī)路面上，軟硬連接方案的整體平順性相差不大，但硬連接使方向盤z向80 Hz處的振動(dòng)變差。在脈沖路面上，副車架硬連接方案的沖擊平順性及余振衰減情況與軟連接方案相差不大。

3）整車舒適性評價(jià)復(fù)雜且影響因素眾多。本文通過實(shí)車試驗(yàn)對整車平順性和路噪進(jìn)行測試，研究副車架軟硬連接對整車舒適性的影響程度，但實(shí)車試驗(yàn)很難保證兩次試驗(yàn)環(huán)境情況完全相同，實(shí)車數(shù)據(jù)處理也會存在一定誤差，因此，在試驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果存在小數(shù)值反向結(jié)果。副車架軟硬連接實(shí)車試驗(yàn)為汽車研發(fā)過程 中更低成本和更高性能兼具的開發(fā)要求提供了一些借鑒，但在實(shí)際工程應(yīng)用中采用副車架硬連接方案還需要綜合考慮整車的可靠性及耐久性能。