汽車的平順性是指汽車在行使過程中乘員所處的振動環境具有一定的舒適度和保存貨物完好的性能。汽車對人體的振動是通過方向盤、座椅和地板三個部位傳遞到人體，其中汽車方向盤振動通過方向盤傳遞到人的手和手臂系統，這種振動屬于局部振動范疇，而座椅和地板將振動傳到人體全身，屬于全身振動范疇。根據ISO 2631或國標4970-2009，汽車的平順性應按全身振動來評價。

1. 平順性概述

汽車行駛過程中，由于路面不平、車速的變化等因素激起汽車振動，而乘員處于這樣的振動環境中，振動影響著乘員的舒適性、工作效能和身體健康。保持振動環境的舒適性，以保證駕駛員在復雜的行駛和操縱條件下，具有良好的心理狀態和準確靈敏的反應，它影響人車系統的操縱穩定性，對確保行駛安全起非常重要的作用。

分析與控制汽車的噪聲與振動，可以將任何一個振動噪聲系統按“源-路徑-接受者”模型來表示，實際上，也可以稱為“輸入-振動系統-輸出”模型，如圖1所示。汽車的平順性也可由圖1所示的汽車振動系統模型來分析。汽車受到的“輸入”主要是由汽車以一定的車速駛過隨機的路面不平度所引起，這個輸入經過由輪胎、懸架、車身、座椅等彈性阻尼元件和懸掛質量、非懸掛質量構成的振動系統，傳遞到懸掛質量或人體，這兩部分的加速度就是“輸出”的振動物理量（加速度）。然后根據人體對振動的反應：乘員的舒適程度，來評價汽車的平順性。汽車振動系統的“輸出”通常還要同時考慮車輪與路面之間的動載荷，它與車輪接地性有關，影響操縱穩定性。

圖1 平順性的“輸入-振動系統-輸出”模型

2.數據采集要求

根據標準GB/T 4970-2009，汽車平順性評價具有以下要求：

1. M類車輛：采集駕駛員及同側后排座椅座墊上方、座椅靠背及腳步地板三個位置，每個位置測量三個方向的振動。對于N類車輛而言，除了測量駕駛員上述三個位置之外，還需要采集車廂地板中心以及駕駛員同側距車廂邊板、后板各300mm處的車廂地板垂向振動。

2. 評價汽車平順性的1/3倍頻程中心頻率為0.5~80Hz，由于中心頻率為80Hz的上限頻率為90Hz，因此，要求采集的時域信號帶寬不低于90Hz。

3. 對隨機輸入行駛評價指標采用自功率譜密度計算時，國標要求頻率分辨率不高于0.2Hz。但由于1/3倍頻程中心頻率0.5Hz的下、上限頻率為0.45Hz和0.57Hz，為了保證在這個頻帶內至少存在一條譜線，因此，頻率分辨率不能高于0.19Hz。

4. 對于隨機輸入行駛獨立樣本數q≥25，獨立樣本數即數據幀數，因此，要求采集的時域信號長度應大于25幀（一幀數據長度為頻率分辨率的倒數）。

5. 對于隨機輸入行駛，計算自功率譜密度時使用漢寧窗。

6. 每種車速的有效試驗次數不少于5次。

3.數據處理理論

平順性評價可能需要考慮脈沖輸入和隨機輸入兩種工況，而對這兩種工況數據處理方法截然不同。

對于脈沖輸入而言，首先要計算加權加速度時域信號的峰值系數（也稱為峰值因子）

峰值系數=峰值/有效值

如正弦信號的峰值系數為1.414。 注意，計算峰值系數不是用原始的加速度時域信號，而是用加權的加速度時域信號。

如果計算得到的峰值系數小于9，選取所有測量位置中最大加速度（絕對值）代數平均值（平均有效試驗次數）來評價。

如果峰值系數大于9，則用振動劑量值VDV（單位m/s^1.75）來評價

式中，a_w是加權加速度時域信號，T是作用時間（從汽車前輪接觸凸塊到汽車駛過凸塊且沖擊響應消失的時間段）。

對于隨機輸入而言，計算單軸向加權加速度有效值ā_w可采用頻域法或時域法。頻域法計算思路：首先計算原始時域信號的自功率譜密度函數（PSD），然后計算每個1/3倍頻程帶（0.5-80Hz）的加速度有效值，再計算加權加速度有效值ā_w。

式中，a_j是第j個1/3倍頻帶的加速度有效值，w_j是第j個1/3倍頻程帶的加權系數，根據測點位置和方向不同取w_k、w_d、w_c，見表1，三個加權系數具體取值見表2。

表1 不同測點、方向的倍頻程帶的加權系數

位置	坐標軸名稱	頻率加權函數wj	FILTER_ISO2631輸入參數
座椅座墊上方	縱向	wd	2
橫向	wd	2
垂向	wk	1
靠背	縱向	wc	4
橫向	wd	2
垂向	wd	2
腳	縱向	wk	1
橫向	wk	1
垂向	wk	1

表2 1/3倍頻程帶的主要加權系數

如果采用時域方法，則對原始時域加速度信號按表2的頻率加權濾波得到加權加速度時域信號，然后計算加權加速度有效值ā_w。

得到每個測點單向的加權加速度有效值ā_w之后，按以下公式計算各個測點的總加權加速度有效值ā_vj（j=1,2,3分別代表座椅座墊上方、靠背和地板三個測量位置），

k_x,k_y,k_z為各個坐標方向的加權系數，見表3。

表3 各個坐標方向的加權系數

位置	坐標軸名稱	坐標加權系數
座椅座墊上方	縱向	kx=1.0
橫向	ky=1.0
垂向	kz=1.0
靠背	縱向	kx=0.8
橫向	ky=0.5
垂向	kz=0.4
腳	縱向	kx=0.25
橫向	ky=0.25
垂向	kz=0.4

最后計算三個測量位置的總加權加速度有效值ā_v，

總加權加速度有效值ā_v，也可以按下式轉換成分貝形式（基準a₀=1×10^-6m/s²）

總加權加速度有效值ā_v及分貝形式L_av與人的主觀感受之間的關系見表4。

表4 總加權加速度有效值與人的主觀感受之間的關系

總加權加速度有效值āv(m/s2)	Lav(dB)	人的主觀感受
<0.315	<110	沒有不舒服
0.315~0.63	110~116	有些不舒服
0.5~1	114~120	比較不舒服
0.8~1.6	118~124	不舒服
1.25~2.5	112~128	很不舒服
>2	>126	極不舒服

4.軟件處理流程

當使用Test.Lab軟件按標準GB/T 4970-2009計算平順性評價指標時，需要使用插件Human Body Vibration和Time Signal Calculator。

首先，考慮脈沖輸入類型的時域信號數據處理。需要計算加權加速度時域信號的峰值系數，以確定進一步的處理。在Time Signal Calculator模塊中使用函數FILTER_ISO2631對原始時域信號進行加權處理，由于原始數據是座椅座墊Z向，因此加權系數為w_k，FilterType設置為1（見表2），得到加權加速度時域信號如圖2中綠色曲線所示，紅色為原始的時域信號。從圖中可以看出，在脈沖輸出的時間段內，兩個信號的有效值不同，峰值也不同，因而，得到的峰值系數是不相同的。原始時域信號的峰值為1.00098g，而加權后的峰值為0.63296g，得到的峰值系數分別為4.57和4.69。

                                                                圖2 原始的時域信號與加權后的加速度信號

如果加權加速度的峰值系數小于9時，用所有測點中的單向加速度最大值來評價。如果峰值系數大于9，則需要用到加權加速度劑量值VDV來評價。計算VDV需要用到函數POWER和INTEGRATE。

接下來考慮隨機輸入類型的數據處理，計算單軸向加權加速度有效值ā_w時用時域方法。首先計算各個測量位置（j=1：座椅座墊上方；j=2：座椅靠背；j=3:駕駛室地板）的總加權加速度有效值ā_vj，在Time Signal Calculator中輸入如下的公式：

SQRT(k_x²*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<x>;<w>))*(CH<x>/CH<x>))^2+k_y²*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<y>;<w>))*(CH<y>/CH<y>))^2+k_z²*(RMS(FILTER_ISO2631(CH<z>;<w>))*(CH<z>/CH<z>))^2)

函數FILTER_ISO2631()是對原始時域信號進行加權，RMS()是對函數求有效值。輸入上述公式有兩點注意事項：1）坐標加權系數k的平方，須輸入平方之后的數值；2）(CH<x>/CH<x>)這一項看起來等于1，但是如果沒有這一項，公式會報錯。

如座椅座墊上方的三向加速度分別為CH18~20，座椅靠背的三向加速度分別為CH21~23，則計算ā_v1和ā_v2的公式分別為：

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)

計算得到的座椅座墊上方和座椅靠背的總加權加速度有效值ā_v1和ā_v2如圖3所示。最后計算三個測量位置的總加權加速度有效值ā_v，對比表4進行主觀感受評價。

                                                                                圖3 總加權加速度有效值

參考：GB/T 4970-2009 汽車平順性試驗方法

文章來源：模態空間 作者：譚祥軍