解析汽车平顺性试验

汽车的平顺性是指汽车在行使过程中乘员所处的振动环境具有一定的舒适度和保存货物完好的性能。汽车对人体的振动是通过方向盘、座椅和地板三个部位传递到人体，其中汽车方向盘振动通过方向盘传递到人的手和手臂系统，这种振动属于局部振动范畴，而座椅和地板将振动传到人体全身，属于全身振动范畴。根据ISO 2631或国标4970-2009，汽车的平顺性应按全身振动来评价。

1平顺性概述
汽车行驶过程中，由于路面不平、车速的变化等因素激起汽车振动，而乘员处于这样的振动环境中，振动影响着乘员的舒适性、工作效能和身体健康。保持振动环境的舒适性，以保证驾驶员在复杂的行驶和操纵条件下，具有良好的心理状态和准确灵敏的反应，它影响人车系统的操纵稳定性，对确保行驶安全起非常重要的作用。

分析与控制汽车的噪声与振动，可以将任何一个振动噪声系统按“源-路径-接受者”模型来表示，实际上，也可以称为“输入-振动系统-输出”模型，如图1所示。汽车的平顺性也可由图1所示的汽车振动系统模型来分析。汽车受到的“输入”主要是由汽车以一定的车速驶过随机的路面不平度所引起，这个输入经过由轮胎、悬架、车身、座椅等弹性阻尼元件和悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统，传递到悬挂质量或人体，这两部分的加速度就是“输出”的振动物理量（加速度）。然后根据人体对振动的反应：乘员的舒适程度，来评价汽车的平顺性。汽车振动系统的“输出”通常还要同时考虑车轮与路面之间的动载荷，它与车轮接地性有关，影响操纵稳定性。



图1 平顺性的“输入-振动系统-输出”模型

2数据采集要求
根据标准GB/T 4970-2009，汽车平顺性评价具有以下要求：

1. M类车辆：采集驾驶员及同侧后排座椅座垫上方、座椅靠背及脚步地板三个位置，每个位置测量三个方向的振动。对于N类车辆而言，除了测量驾驶员上述三个位置之外，还需要采集车厢地板中心以及驾驶员同侧距车厢边板、后板各300mm处的车厢地板垂向振动。

2. 评价汽车平顺性的1/3倍频程中心频率为0.5~80Hz，由于中心频率为80Hz的上限频率为90Hz，因此，要求采集的时域信号带宽不低于90Hz。

3. 对随机输入行驶评价指标采用自功率谱密度计算时，国标要求频率分辨率不高于0.2Hz。但由于1/3倍频程中心频率0.5Hz的下、上限频率为0.45Hz和0.57Hz，为了保证在这个频带内至少存在一条谱线，因此，频率分辨率不能高于0.19Hz。

4. 对于随机输入行驶独立样本数q≥25，独立样本数即数据帧数，因此，要求采集的时域信号长度应大于25帧（一帧数据长度为频率分辨率的倒数）。

5. 对于随机输入行驶，计算自功率谱密度时使用汉宁窗。

6. 每种车速的有效试验次数不少于5次。

3数据处理理论
平顺性评价可能需要考虑脉冲输入和随机输入两种工况，而对这两种工况数据处理方法截然不同。

对于脉冲输入而言，首先要计算加权加速度时域信号的峰值系数（也称为峰值因子）
峰值系数=峰值/有效值
如正弦信号的峰值系数为1.414。 注意，计算峰值系数不是用原始的加速度时域信号，而是用加权的加速度时域信号。

如果计算得到的峰值系数小于9，选取所有测量位置中最大加速度（绝对值）代数平均值（平均有效试验次数）来评价。

如果峰值系数大于9，则用振动剂量值VDV（单位m/s1.75）来评价



式中，aw是加权加速度时域信号，T是作用时间（从汽车前轮接触凸块到汽车驶过凸块且冲击响应消失的时间段）。

对于随机输入而言，计算单轴向加权加速度有效值āw可采用频域法或时域法。频域法计算思路：首先计算原始时域信号的自功率谱密度函数（PSD），然后计算每个1/3倍频程带（0.5-80Hz）的加速度有效值，再计算加权加速度有效值āw。


式中，aj是第j个1/3倍频带的加速度有效值，wj是第j个1/3倍频程带的加权系数，根据测点位置和方向不同取wk、wd、wc，见表1，三个加权系数具体取值见表2。

表1 不同测点、方向的倍频程带的加权系数



表2 1/3倍频程带的主要加权系数



如果采用时域方法，则对原始时域加速度信号按表2的频率加权滤波得到加权加速度时域信号，然后计算加权加速度有效值āw。

得到每个测点单向的加权加速度有效值āw之后，按以下公式计算各个测点的总加权加速度有效值āvj（j=1,2,3分别代表座椅座垫上方、靠背和地板三个测量位置），

kx,ky,kz为各个坐标方向的加权系数，见表3。

表3 各个坐标方向的加权系数



最后计算三个测量位置的总加权加速度有效值āv，

总加权加速度有效值āv，也可以按下式转换成分贝形式（基准a0=1×10-6m/s2）

总加权加速度有效值āv及分贝形式Lav与人的主观感受之间的关系见表4。
表4 总加权加速度有效值与人的主观感受之间的关系



4软件处理流程
当使用Test.Lab软件按标准GB/T 4970-2009计算平顺性评价指标时，需要使用插件Human Body Vibration和Time Signal Calculator。

首先，考虑脉冲输入类型的时域信号数据处理。需要计算加权加速度时域信号的峰值系数，以确定进一步的处理。在Time Signal Calculator模块中使用函数FILTER_ISO2631对原始时域信号进行加权处理，由于原始数据是座椅座垫Z向，因此加权系数为wk，FilterType设置为1（见表2），得到加权加速度时域信号如图2中绿色曲线所示，红色为原始的时域信号。从图中可以看出，在脉冲输出的时间段内，两个信号的有效值不同，峰值也不同，因而，得到的峰值系数是不相同的。原始时域信号的峰值为1.00098g，而加权后的峰值为0.63296g，得到的峰值系数分别为4.57和4.69。



图2 原始的时域信号与加权后的加速度信号

如果加权加速度的峰值系数小于9时，用所有测点中的单向加速度最大值来评价。如果峰值系数大于9，则需要用到加权加速度剂量值VDV来评价。计算VDV需要用到函数POWER和INTEGRATE。

接下来考虑随机输入类型的数据处理，计算单轴向加权加速度有效值āw时用时域方法。首先计算各个测量位置（j=1：座椅座垫上方；j=2：座椅靠背；j=3:驾驶室地板）的总加权加速度有效值āvj，在Time Signal Calculator中输入如下的公式：
SQRT(kx2*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<x>;<w>))*(CH<x>/CH<x>))^2+ky2*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<y>;<w>))*(CH<y>/CH<y>))^2+kz2*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<z>;<w>))*(CH<z>/CH<z>))^2)

函数FILTER_ISO2631()是对原始时域信号进行加权，RMS()是对函数求有效值。输入上述公式有两点注意事项：1）坐标加权系数k的平方，须输入平方之后的数值；2）(CH<x>/CH<x>)这一项看起来等于1，但是如果没有这一项，公式会报错。

如座椅座垫上方的三向加速度分别为CH18~20，座椅靠背的三向加速度分别为CH21~23，则计算āv1和āv2的公式分别为：
SQRT(1*(RMS(FILTER_ISO2631(CH18;2))*(CH18/CH18))^2+1*(RMS(FILTER_ISO2631(CH19;2))*(CH19/CH19))^2+1*(RMS(FILTER_ISO2631(CH20;1))*(CH20/CH20))^2)
和
SQRT(0.64*(RMS(FILTER_ISO2631(CH21;4))*(CH21/CH21))^2+0.25*(RMS(FILTER_ISO2631(CH22;2))*(CH22/CH22))^2+0.16*(RMS(FILTER_ISO2631(CH23;2))*(CH23/CH23))^2)

计算得到的座椅座垫上方和座椅靠背的总加权加速度有效值āv1和āv2如图3所示。最后计算三个测量位置的总加权加速度有效值āv，对比表4进行主观感受评价。



图3 总加权加速度有效值

参考：GB/T 4970-2009 汽车平顺性试验方法