摘要： 針對汽車以不同車速行駛在不同路況時對駕駛舒適性的影響，本文采用多人車輛模型，對汽車駕駛員在不同車速、不同路面及不同座位占用率情況下的駕駛舒適性進行研究。推導該模型的運動微分方程，并采用Simulink對方程進行搭建。同時，根據GB7031—86道路不平度譜，建立路面不平度模型，對多人乘車平順性進行仿真分析。仿真結果表明，當坐在車內的人較少時，駕駛員頭部的加速度均方根響應更加明顯，而在車上同是坐著兩個乘員的情況下，乘員坐在后右位置與坐在前右位置相比，駕駛員頭部的加速度響應要小;在相同的路面上，汽車的行駛速度越快，駕駛員的頭部加速度越小，駕駛員頭部的加速度響應隨路面不平度的增加而增加，汽車質心處的加速度響應比駕駛員頭部的加速度響應高很多，因此不能用汽車質心的加速度響應來代替乘員頭部的加速度響應。該研究為提高駕駛舒適性提供了一定的理論依據。
關鍵詞： 駕駛舒適性; Simulink建模; 路面不平度; 車速; 座位占用率
隨著人們對汽車駕駛舒適性要求的日益提高，研究駕駛舒適性的影響因素也變得尤為重要。車輛乘員的駕駛舒適性主要與路面不平度、發動機、傳動系、輔助系統、氣流等產生的激振力有關[1] 。頻率范圍為0.5～25 Hz的垂直振動稱為平順性振動和搖晃振動，也被認為是造成車輛不適感的重要因素[2] 。C.J.Dodds等人[3] 開發了一種新的自相關函數，它提供了足以進行多軌道車輛響應分析的路面描述。Liu X D等人[4] 介紹了一種直接通過PSD獲得精確路面不平度的新方法。D.Joshi等人[5 6] 研究了車輛質心的垂向動力學響應不能真實反映乘員的反應，而且與車內乘員相比，車輛質心的響應有時可能非常高。此外，座位占用率對車輛的整體平順性有顯著影響。A.Sattaripour[7] 研究了路面不平度對汽車行駛和駕駛員舒適性的影響;Soliman[8] 使用半主動懸架系統研究了路面不平度對車輛乘坐舒適性的影響。在另一項工作中，A.Soliman[9] 研究了路面不平度對乘坐舒適性和滾動阻力的影響;P.E.Uys等人[10] 進行了一項調查，以確定在不同道路剖面和不同速度下，確保越野車最佳乘坐舒適性的彈簧和阻尼器設置;M.G.Griffin[11] 對汽車的行駛動力學進行了詳細的論述;O.P.Joshi等人[12] 通過一個七自由度車輛模型，研究了路面不平度和車速對汽車動態響應的影響;D.Joshi等人[13] 建立了十三自由度整車模型和六自由度人體模型，在不同路面、不同速度、不同乘客上座率的情況下，對駕駛員舒適性的影響進行研究，但該研究考慮的是前右位置駕駛員，而中國的駕駛員在前左位置，顯然該數據在中國沒有代表性，且論文采用的人體集總參數模型，考慮的是腹部直接與座椅接觸，而在實際乘車過程中，座椅直接接觸的是下部軀干。基于此，本文建立了十三自由度的整車模型和四自由度的人體模型相耦合，研究了路面不平度、車速及不同的座位占用率對汽車平順性的影響。該研究可以改善車輛乘員的駕駛舒適性。
1 人體汽車組合模型
1.1 人體模型
人體模型也就是乘員模型，人體模型采用四自由度模型[14] ，四自由度人體模型如圖1所示。該模型由4個質量塊組成，各個質量塊之間通過彈簧和阻尼器連接，代表各個質量塊間的剛度和阻尼特性。圖1中，質量塊m4是頭部和頸部，m3是上部軀干，m2是內臟，m1是下部軀干，mt是汽車座椅。每個身體部位在垂直方向各有一個自由度。在當前模型中，包括一名兒童乘員在內的5名乘員，結果總共得到20個自由度(4×5人=20)。
1.2 汽車模型
汽車模型是汽車與座椅的組合模型，汽車模型采用文獻[13]的模型，整車模式(包括座椅)如圖2所示。該模型由簧上質量，簧下質量，5個乘員座椅和1個兒童乘員座椅組成，兒童座椅安裝在后中座椅的上方。車輛模型和座椅模型由16個自由度組成(5+1+4+6)。
圖2最下端的Zrfl ，Zrfr ，Zrrl ，Zrrr 分別表示前左，前右，后左，后右輪胎與路面接觸時的路面不平度。簧下質量Mufl ，Mufr ，Murl ，Murr 分別安裝在車身的四個角落的位置，在垂直方向各有一個自由度。車身有縱向，側向，垂向，俯仰，側傾和橫擺等6個自由度。座椅分別分布在前左，前右，后左，后右，后中和兒童座椅，各有垂直方向的一個自由度。
1.3 輪胎模型
輪胎建模采用Pacejka的魔術公式[15] ，該公式通過給定的輪胎與滑移率和滑移角的關系，分別計算縱向力和側向力。目前模型中，在車輛模型的四個拐角位置考慮了四個輪胎，每個輪胎在縱向有一個自由度。輪胎模型如圖3所示。
2 路面不平度模型
隨機道路縱斷面是根據GB7031—86基于諧波疊加法擬合不平路面[16] 。設路面高程為平穩的、遍歷的均值為0的高斯過程，則可以用正弦波進行模擬。隨機正弦波疊加法采用以離散譜逼近目標隨機過程的模型，是一種離散化數值模擬路面的方法。手冊建議根據空間頻率和角頻率的功率譜密度對路面不平度進行分類。給出手冊中道路不平度分類的變化情況，路面不平度分類如表1所示。表1中，平整度小于A級的道路，被認為是最好的道路，而不平度大于H級的道路，被認為是最差的道路。
對以上介紹的道路不平整信息，采用Matlab編程，生成A，B，C，D級4條長度為25 m的道路，其路面不平度系數分別為16×10-6 m3/rad，64×10-6 m3/rad，256×10-6 m3/rad和1 024×10-6 m3/rad。路面不平度隨行駛路程變化曲線如圖4所示，左輪胎(藍色顯示)和右輪胎(紅色顯示)生成25 m的路面輪廓。由圖4可以看出，道路縱斷面的高度隨著路面不平度等級的增加而增加。
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