摘要： 針對(duì)汽車以不同車速行駛在不同路況時(shí)對(duì)駕駛舒適性的影響，本文采用多人車輛模型，對(duì)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(jìn)行研究。推導(dǎo)該模型的運(yùn)動(dòng)微分方程，并采用Simulink對(duì)方程進(jìn)行搭建。同時(shí)，根據(jù)GB7031—86道路不平度譜，建立路面不平度模型，對(duì)多人乘車平順性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，當(dāng)坐在車內(nèi)的人較少時(shí)，駕駛員頭部的加速度均方根響應(yīng)更加明顯，而在車上同是坐著兩個(gè)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(yīng)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(yīng)隨路面不平度的增加而增加，汽車質(zhì)心處的加速度響應(yīng)比駕駛員頭部的加速度響應(yīng)高很多，因此不能用汽車質(zhì)心的加速度響應(yīng)來(lái)代替乘員頭部的加速度響應(yīng)。該研究為提高駕駛舒適性提供了一定的理論依據(jù)。

　　關(guān)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(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、輔助系統(tǒng)、氣流等產(chǎn)生的激振力有關(guān)[1] 。頻率范圍為0.5～25 Hz的垂直振動(dòng)稱為平順性振動(dòng)和搖晃振動(dòng)，也被認(rèn)為是造成車輛不適感的重要因素[2] 。C.J.Dodds等人[3] 開(kāi)發(fā)了一種新的自相關(guān)函數(shù)，它提供了足以進(jìn)行多軌道車輛響應(yīng)分析的路面描述。Liu X D等人[4] 介紹了一種直接通過(guò)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(zhì)心的垂向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)不能真實(shí)反映乘員的反應(yīng)，而且與車內(nèi)乘員相比，車輛質(zhì)心的響應(yīng)有時(shí)可能非常高。此外，座位占用率對(duì)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(duì)汽車行駛和駕駛員舒適性的影響;Soliman[8] 使用半主動(dòng)懸架系統(tǒng)研究了路面不平度對(duì)車輛乘坐舒適性的影響。在另一項(xiàng)工作中，A.Soliman[9] 研究了路面不平度對(duì)乘坐舒適性和滾動(dòng)阻力的影響;P.E.Uys等人[10] 進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)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(shè)置;M.G.Griffin[11] 對(duì)汽車的行駛動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的論述;O.P.Joshi等人[12] 通過(guò)一個(gè)七自由度車輛模型，研究了路面不平度和車速對(duì)汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(duì)駕駛員舒適性的影響進(jìn)行研究，但該研究考慮的是前右位置駕駛員，而中國(guó)的駕駛員在前左位置，顯然該數(shù)據(jù)在中國(guó)沒(méi)有代表性，且論文采用的人體集總參數(shù)模型，考慮的是腹部直接與座椅接觸，而在實(shí)際乘車過(guò)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(duì)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(gè)質(zhì)量塊組成，各個(gè)質(zhì)量塊之間通過(guò)彈簧和阻尼器連接，代表各個(gè)質(zhì)量塊間的剛度和阻尼特性。圖1中，質(zhì)量塊m4是頭部和頸部，m3是上部軀干，m2是內(nèi)臟，m1是下部軀干，mt是汽車座椅。每個(gè)身體部位在垂直方向各有一個(gè)自由度。在當(dāng)前模型中，包括一名兒童乘員在內(nèi)的5名乘員，結(jié)果總共得到20個(gè)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(xiàn)[13]的模型，整車模式(包括座椅)如圖2所示。該模型由簧上質(zhì)量，簧下質(zhì)量，5個(gè)乘員座椅和1個(gè)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(gè)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(shí)的路面不平度?；上沦|(zhì)量Mufl ，Mufr ，Murl ，Murr 分別安裝在車身的四個(gè)角落的位置，在垂直方向各有一個(gè)自由度。車身有縱向，側(cè)向，垂向，俯仰，側(cè)傾和橫擺等6個(gè)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(gè)自由度。

　　1.3 輪胎模型

　　輪胎建模采用Pacejka的魔術(shù)公式[15] ，該公式通過(guò)給定的輪胎與滑移率和滑移角的關(guān)系，分別計(jì)算縱向力和側(cè)向力。目前模型中，在車輛模型的四個(gè)拐角位置考慮了四個(gè)輪胎，每個(gè)輪胎在縱向有一個(gè)自由度。輪胎模型如圖3所示。

　　2 路面不平度模型

　　隨機(jī)道路縱斷面是根據(jù)GB7031—86基于諧波疊加法擬合不平路面[16] 。設(shè)路面高程為平穩(wěn)的、遍歷的均值為0的高斯過(guò)程，則可以用正弦波進(jìn)行模擬。隨機(jī)正弦波疊加法采用以離散譜逼近目標(biāo)隨機(jī)過(guò)程的模型，是一種離散化數(shù)值模擬路面的方法。手冊(cè)建議根據(jù)空間頻率和角頻率的功率譜密度對(duì)路面不平度進(jìn)行分類。給出手冊(cè)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(jí)的道路，被認(rèn)為是最好的道路，而不平度大于H級(jí)的道路，被認(rèn)為是最差的道路。

　　對(duì)以上介紹的道路不平整信息，采用Matlab編程，生成A，B，C，D級(jí)4條長(zhǎng)度為25 m的道路，其路面不平度系數(shù)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(lán)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(jí)的增加而增加。

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