汽車平順性,是指汽車在一般行駛速度范圍內行駛時,避免因汽車在行駛過程中所產生的振動和沖擊,使人感到不舒服、疲勞,甚至損害健康,或者使貨物損壞的性能。由于平順性主要是根據乘員的舒適程度來評價,所以又稱為乘坐舒適性,它是現代高速汽車的主要性能之一。
研究汽車平順性的主要目的就是控制汽車振動系統的動態特性,使振動的“輸出”在給定工況的“輸入”下不超過一定界限,以保持乘員的舒適性。
評價方法
汽車平順性評價方法大致可分為主觀評價法和客觀評價法。主觀評價法依靠評價人員乘坐的主觀感覺進行評價,其主要考慮人的因素。客觀評價法是借助于儀器設備來完成隨機振動數據的采集、記錄和處理,通過得到相關的分析值與對應的限制指標相比較,作出客觀評價。近年來,綜合運用主、客觀評價方法進行平順性評價的研究取得了很大進展。
主觀評價
進行汽車平順性主觀評價時,由其有經驗的駕駛員和乘客組成的專門小組按預定方式駕駛或乘坐一組車輛來主觀評價行駛平順性的水平或特征;然后完成相應的主觀評價表,最后綜合確定車輛的乘坐舒適性。
現行的主觀評價方法主要是模糊層次分析法。
主觀評價法需要根據經驗認真規劃、需要統計上的無偏見采樣,但實際上人們對振動感覺的復雜性使得到的數據存在差異。一般來說,僅使用定性的說明或描述不容易確定行駛平順性。
客觀評價
目前,世界上主要有四種汽車平順性客觀評價方法,分別是吸收功率法(Average AbsorbedPower)、總體乘坐值法(BS 6841-1987)、VDI 2057(2002)和ISO 2631(1997)。
吸收功率法具有明確的物理意義,但是沒有明確規定的舒適界限。因此,只適合現有車型間的平順性比較,對產品的開發預測及汽車具體結構參數的改進不能提出指導意見。該標準適用的頻率范圍是1~80 Hz。
總體乘坐值法由英國標準組織在1987年頒布,并被國際標準化組織采納。該標準使用具有 12 個振動輸入的人體坐姿受振模型,如下圖所示。在進行舒適性評價時,需要考慮座椅支承面處輸入點3個方向的線振動和該點3個方向的角振動,以及座椅靠背和腳支承面兩個輸入點各3個方向的線振動,共3個輸入點12個軸向的振動。
圖1 人體坐姿受振模型
總體乘坐值法是迄今為止較全面、適合場合較廣的振動舒適性評價方法,但由于該法涉及到的自由度數目較多,具體考察時需要的要素也較多,操作上較為復雜。該標準適用的頻率范圍是0.5~80 Hz。
德國工程師協會(VDI)發布的 VDI2057是世界范圍內最早的平順性評價標準。該標準是在分析了大量人員在不同頻率和強度的正弦振動下的反應得出的。通過定義合適的平順性指標K系數(K-factor),結合主觀感受表進行平順性評價。該標準適用的頻率范圍是1~80 Hz。
國際標準化組織(ISO)在綜合大量關于人體全身振動的研究成果基礎上,并于1997年公布了ISO2631-1:1997(E)《人體承受全身振動評價——第1部分:一般要求》,我國的GB/T 4970-2009標準就是據此并進行修正而得的。
ISO2631-1:1997(E)在進行平順性評價時根據振動波形峰值系數是否小于9分別使用基本評價方法和輔助評價方法。
峰值系數<9時,使用基本評價方法,即使用加權加速度均方根值評價;
峰值系數>9時,使用輔助評價方法,即使用振動劑量值(Vibration Dose Value,VDV)評價。
振動劑量值評價主要針對瞬態振動或間歇性瞬態振動,適用于越野路況下的平順性評價
該標準適用的頻率范圍是0.5~80 Hz。
盡管國際上已經出現很多種平順性評價方法,但國內外學者和學術團體在平順性評價問題上所持觀點不盡相同,存在很大爭議。正因如此,近些年來,許多新的理論方法引入到平順性評價中來,實現了對主觀、客觀因素的綜合評價。其中較典型的包括汽車綜合振動舒適度法、模糊評價法和煩躁率分析法。
影響因素
影響汽車平順性的因素比較多,其中最為關鍵的是輪胎、懸架和座椅系統的結構參數。
輪胎
對于平順性而言,路面凹凸不平是造成平順性變差的主要原因而輪胎是與路面直接接觸的部件,所以輪胎的特性對平順性的因素非常明顯。
輪胎由于本身的彈性,在很大程度上吸收了因路面不平所產生的振動,它是保證了汽車平順性的關鍵部件之一。輪胎性能的好壞,是用輪胎在標準氣壓和載荷下的壓縮系數來表示。 在最大允許負荷作 用下,普通輪胎的壓縮系數為10%~12%,為了乘坐舒適,客車輪胎的壓縮系數稍大些12%~14%。輪胎的緩沖性能好一些,有助于提高汽車的平順性。
車輪旋轉質量的不平衡,對汽車的行駛平順性和穩定性都有不利影響,所以需要對車輪進行靜平衡和動平衡測試,改善其平衡性能。
懸架
懸架是保證汽車平順性的另一個關鍵部件。懸架中的彈性元件、減振裝置,以及簧載質量與非簧載質量都對平順性有較大影響。
彈性元件主要起到緩沖作用,減振裝置用來消耗振動能量。減少懸架剛度 ,可降低車身的固有頻率,可以減小車身加速度,但是這會帶來以一個問題:懸架動撓度會增加,可能導致頻繁撞擊限位塊,另外,也可能有損汽車的操縱穩定性。減振裝置可以有效地衰減車身 的振動和抑制車身、車輪的共振,以減小車身的垂直振動加速度和車輪的振幅。非簧載質量小一些對于提高平順性是有利的。
座椅
由于人體與座椅直接接觸,因而長途行駛時,汽車座椅極大地影響著乘員的乘坐舒適性。從平順性及減振要求看,座椅設計應保證有良好的阻尼和剛度特性。
提高平順性的途徑
提高平順性的途徑也有多種,主要從上述影響因素中考慮。
輪胎
如前所述,提高輪胎的緩沖能力,減小其不平衡性,都有利于提高汽車的平順性。提高輪胎緩沖性能的方法如下 :
(1)增大輪胎斷面、輪胎寬度和空氣容量,并相應降低輪胎氣壓。
(2)改變輪胎結構形式 ,如采用子午線輪胎。它因輪胎徑向彈性大,可以緩和不平路面的沖擊,并吸收沖擊能量,使汽車平順性得到改善,如下圖所示。
(3)提高簾線和橡膠的彈性,要用較柔軟的胎冠。
圖2 子午線輪胎
懸架
通過懸架提高平順性的手段較多,比如:
(1)采用獨立懸架,減小非簧載質量。采用半主動、主動懸架,實時調整懸架參數,以使懸架性能接近最優,兼顧操縱穩定性與平順性。
(2)選用具有非線性特性的彈性元件,如空氣彈簧、油氣彈簧、橡膠彈簧和硅油彈簧,如下圖所示。
圖3 空氣彈簧
(3)在線性懸架中,加入輔助彈簧、復合彈簧,采用適當的導向機構,以及與車架的支承方式等。
(4)改進減振器的性能,采用可調式減振器,比如機械可調式減振器、磁流變減振器、電流變減振器等。
圖4 磁流變減振器
座椅懸置系統
在原有的普通座椅座墊的基礎上,增加由彈簧和減振器所組成的座椅懸置系統,它可以顯著改善汽車的乘坐舒適性,如下圖所示。
道路平順性(road smoothness)是指線形幾何要素組合與沿線設施的誘導性、駕駛人員視覺柔和度及線路布置與汽車行駛軌跡吻合度的綜合量度 。為道路線形組合設計的評價標準之一,設計過程中的評價手段主要是透視圖。
平順性的評價
1.ISO2631的評價方法。國際標準ISO 2631用加速度均方根值給出了在1-80Hz振動頻率范圍內人體對振動反應的三個不同界限 。
2.國家標準對行駛平順性的評價方法。GB4970—1985《汽車平順性名詞術語及定義》規定,用平順性隨機輸人行駛試驗測定汽車在隨機不平的路面上行駛時振動對乘員及貨物的影響來評價汽車的平順性。因為隨機輸入是汽車行駛中遇到的最基本情況,所以這種試驗是評定汽車平順性最主要的試驗。
汽車行駛時偶爾會遇到凸塊或凹坑,盡管遇到的概率并不多,但過大的沖擊會嚴重地影響平順性,甚至會損害人體健康,會使運輸的貨物損壞。GB5902—1986《汽車平順性單脈沖輸入行駛試驗方法》規定,采用單凸塊作為脈沖輸入,讓汽車駛過規定尺寸單凸塊,測定坐墊上和座椅底部地板加速度的最大值作為評價指標。
影響側偏特性的因素
影響側偏特性的因素很多,如輪胎的尺寸、形式和結構參數對側偏剛度影響較明顯。尺寸較大的輪胎有較高的側偏剛度。子午線輪胎接地面寬,一般側偏剛度較高。鋼絲子午線輪胎比尼龍子午線的側偏剛度還要高些。輪胎斷面高于輪胎斷面寬之比×100%稱為扁平率。早期輪胎的扁平率為100%,現代輪胎的扁平率逐漸減小,不少轎車已采用扁平率為60%或稱60系列的寬輪胎。扁平率對輪胎側偏剛度影響很大,采用扁平率小的寬輪胎是提高側偏剛度的主要措施。扁平率為60%的60系列輪胎的側偏剛度有大幅度提高。當扁平率為50%時,側偏力即側偏剛度比扁平率為80%的輪胎提高了70% [1] 。
汽車行駛中,輪胎的垂直載荷常有變化。如轉向時內側車輪輪胎的垂直載荷減小,外側車輪輪胎的垂直載荷增大,垂直載荷的變化對輪胎側偏特性影響較大。輪胎的充氣壓力對側偏剛度也有影響。隨著氣壓的增加,側偏剛度增大,但氣壓過高后剛度不再變化。
汽車平順性試驗
1.汽車振動系統結構參數測定。測定輪胎、懸架、坐墊的彈性特性,求出規定載荷下,輪胎、懸架、坐墊的剛度。由加、卸載曲線包圍的面積,可以確定輪胎、懸架、坐墊的阻尼。另外還要測定懸掛質量、非懸掛質量、車身質量分配系數等。
2.懸掛系統部分固有頻率和阻尼比的測定。將汽車前、后輪分別從一定高度拋下,記錄車身和車輪質量的衰減振動。可以得到稱身質量振動周和車輪質量振動周期 。
3.實際路面隨機輸入行駛試驗。此項試驗是評定汽車平順性的最主要試驗。按照GB4970—85《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》進行。各種車輪因工作條件不同,試驗要求的路況、車速、傳感器安裝位置等也有所不同。
4.脈沖輸入試驗。汽車行駛時偶爾會遇到凸塊或凹坑,其沖擊會影響汽車平順性,嚴重時會損害人體健康,破壞運載的貨物。此項試驗按GB5902—86《汽車平順性單脈沖輸入行駛試驗方法》進行,汽車以一定車速駛過規定尺寸的三角形凸塊得到脈沖輸入。評價指標用坐墊上和地板上加速度最大值或加權速度最大值。
汽車行駛平順性
行駛平順性是指保持汽車在行駛過程中乘員所處的振動環境下具有一定舒適度的性能。評價現代高速、高效率汽車的一項主要使用性能指標。對于載貨汽車還包括保持貨物完好的性能。由于主要根據乘坐者的舒適程度來評價,因此又稱“乘坐舒適性”。
汽車行駛時路面激起的振動不僅會縮短有關零部件的疲勞壽命,還會引起車輪與路面之間的載荷波動,影響到路面對車輪的附著效果,并關聯到操縱穩定性的狀況,因此是汽車的一項主要使用性能。但其評價指標在國際上尚無一致結論。中國國家標準GB4970規定了轎車、客車用降低舒適性界限,貨車用疲勞-降低工作效率界限與車速的關系曲線加以評價。如對于上下振動,人體的敏感頻率為4?8HZ,對水平振動則在2HZ以下。同一振動方向,人體的忍耐限度隨著受振時間的增長而降低。汽車道路行駛平順性,汽車平順性,道路平順性,行駛平順性
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