陳達亮，王 東，顧燦松，李洪亮，田涌君

(中國汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300)

0 引言

汽車在起步過程中車身有時會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為車身前后方向的縱向振動。車輛起步抖動產(chǎn)生的原因主要為離合器主、從動盤之間發(fā)生摩擦引起的劇烈的自激振動[1]，及其與動力傳動系統(tǒng)在扭矩發(fā)生較大變化時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動的綜合作用。起步抖動現(xiàn)象嚴重削弱了車輛的乘坐舒適性，同時還會大大降低傳動系統(tǒng)部件的使用壽命。

國內(nèi)外學(xué)者針對車輛起步抖動的研究較多，大多數(shù)集中在離合器接合過程中的動力學(xué)分析及其影響因素研究。施一敏等人[2]建立了4自由度傳動系模型，分析了離合器自激振動產(chǎn)生機理和離合器相關(guān)參數(shù)對起步抖動的影響。上官文斌等人[3]建立了摩擦離合器接合過程中的傳動系統(tǒng)動力學(xué)特性分析模型，說明了離合器從動盤扭轉(zhuǎn)剛度對于起步抖動的影響。張洪琪[4]利用Carsim針對某微型客車建立了整車動力學(xué)特性分析模型，對各工況仿真分析進行了影響因素分析和優(yōu)化分析，成功地減小了該車的縱向沖擊振動。文獻[5]基于試驗對離合器踏板進行了振動特性和振源分析，同時實施了相應(yīng)的控制方案，有效地改善了離合器的接合平順性，從而提高了車輛的乘坐舒適性。但是，現(xiàn)已見諸報端的文獻中幾乎沒有涉及關(guān)于駕乘人員主觀感受與車輛起步抖動程度映射關(guān)系的研究和相關(guān)評價指標分析。雖然文獻[6]通過大量試驗測試總結(jié)出了一套離合器接合抖動的評價方法，但是該方法僅僅局限于離合器部件本身，而對整車起步抖動的評價效果欠佳。文獻[7]將車身縱向振動加速度幅值作為起步抖動的評判指標，但是當車身縱向振動加速度幅值受到較大異常峰值干擾時，該指標就可能出現(xiàn)誤判。因此，提出能夠衡量整車起步抖動程度與主觀評價的普適性客觀分析指標具有重要的工程價值。

1 起步抖動評價指標

車輛起步抖動劇烈程度總是隨離合器接合過程的進行而變化。離合器從動盤剛與飛輪接觸的一小段時間內(nèi)，車內(nèi)人員幾乎感受不到抖動；隨著摩擦力矩逐漸增大，抖動劇烈程度也隨之增大；當離合器與飛輪間轉(zhuǎn)速差趨于零時即離合器接合過程完成，此時車輛完成起步，抖動程度逐漸降低至消失。這個過程的變化程度可以通過數(shù)據(jù)的離散度進行衡量，即離散度越大抖動越劇烈。前已述及，如果以車身縱向振動加速度幅值作為起步抖動評價指標，那么當車身縱向振動加速度幅值受到較大異常峰值干擾時容易引起誤判。因此，為了更穩(wěn)定、準確地反映起步抖動劇烈程度，引入車身縱向振動加速度標準差(S指標)來評價車輛起步時車身縱向振動的劇烈程度，如式(1)所示：

(1)

其中：an為Δt=nh時刻的車身縱向振動加速度，h為仿真時間步長或采樣時間間隔；N為車身縱向振動加速度時間序列個數(shù)。標準差的計算可以規(guī)避加速度幅值奇異點對于起步抖動劇烈程度的誤判，S指標越大說明車身縱向振動加速度離散程度越大，即起步抖動越劇烈。

S指標根據(jù)車身縱向振動加速度的離散程度來評價車輛起步過程中車身縱向抖動的劇烈程度，從而合理地避開了縱向振動加速度異常幅值對于客觀評價的不利影響。

2 起步抖動試驗

為驗證前文所提評價指標的有效性，針對某車型在不同駕駛員且多工況下進行汽車起步抖動試驗測試。試驗使用噪聲振動測試設(shè)備LMS Test lab采集車身縱向振動加速度信號，并選取多名具有經(jīng)驗的技術(shù)人員對不同起步工況下的車身縱向抖動進行主觀評價。

2.1 主觀評價

起步抖動劇烈與否來自于車內(nèi)人員的主觀感受，所以駕乘人員的主觀評價對于起步抖動的后續(xù)研究起到了相當重要的作用。常用的主觀評價方法主要有成對比較法和等級評分法[8]。成對比較法對于數(shù)據(jù)量較小的樣本評價效果甚佳，但隨著樣本數(shù)量的增多，工作量也呈指數(shù)式上升；根據(jù)振動強弱程度將抖動劃分為若干等級的評價方法稱為等級評分法，評價人員根據(jù)各自的主觀感受在規(guī)定的范圍內(nèi)對感受到的振動進行評分，起步抖動的主觀評價得分為對應(yīng)抖動樣本的全部評分取算數(shù)平均值，該評價方法的關(guān)鍵在于確定合適的評分刻度。由于車輛起步抖動的特殊性，主觀評價采用5等級刻度的等級評分法(見表1)，為了使客觀評價參數(shù)跟主觀評價評分呈正相關(guān)，令主觀評價得分越高表示起步抖動越嚴重。評價人員由受過專業(yè)訓(xùn)練的6人組成，其中男性3人，女性3人，年齡均在20歲～50歲。

表1 起步抖動主觀評分表

2.2 實車試驗

車輛起步抖動主要表現(xiàn)為車身的縱向振動，其傳遞路徑為：動力總成傳動系—車身—座椅—人體。座椅是駕乘人員感受起步抖動最直接的載體，也是振動傳遞路徑上最靠近人體、最易于布置測點的位置。另外，因為人體能直接感受到車身加速度，且加速度傳感器一般體積和質(zhì)量都較小，對于被測物體的影響幾乎可以忽略，所以選擇將加速度傳感器布置在駕駛員座椅右側(cè)導(dǎo)軌處，用于采集車身縱向振動加速度信號，測試設(shè)備信號采集前端及傳感器布置分別如圖1和圖2所示。測量場地應(yīng)平整而空曠，至少有20 m以上的瀝青路面或水泥路面，該路面盡可能平滑、干燥，不可有接縫、凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)，交通流量應(yīng)較小，能夠滿足試驗要求。在測試中心以30 m為半徑的范圍內(nèi)，不應(yīng)有大的振動源。試驗車輛須是空載(除駕駛員、測量人員和測試設(shè)備外，不得有其他載荷)，只有滿足測試的儀器設(shè)備和必不可少的人員方可留在車內(nèi)，人員不得超過2人(駕駛員和測量人員)。另外，測試車輛應(yīng)使用廠商規(guī)定的標準尺寸輪胎，胎壓為廠商推薦值。測試時車輛發(fā)動機應(yīng)處于正常使用溫度。駕駛員座椅應(yīng)盡可能調(diào)節(jié)到中間位置，如果座椅的靠背也是可調(diào)的，則應(yīng)盡可能使其處于垂直位置。試驗車輛及路面如圖3所示。

為了使測試樣本盡量覆蓋不同駕駛?cè)巳汉筒煌鸩焦r，在試驗測試中，試驗司機分別選取新手司機男女各一名，一年駕齡司機男女各一名，三年及以上駕齡司機男女各一名。車輛起步時在確保車輛不熄火的前提下，保證離合器踏板全行程勻速運動，分別進行緩慢起步、正常起步和快速起步，油門踏板與離合器踏板配合操作如表2所示，其中每種工況采集三組有效數(shù)據(jù)，試驗測試工況見表3。

圖1 測試設(shè)備 圖2 測點位置

圖3 試驗車輛及路面

起步狀態(tài)松離合時間(s)油門踏板行程(%)緩慢起步10～120正常起步7～910快速起步4～630

表3 試驗工況

2.3 測試結(jié)果

將試驗得到的駕駛員座椅導(dǎo)軌處加速度信號原始數(shù)據(jù)進行后處理，三種起步狀態(tài)典型結(jié)果如圖4所示。從試驗測試結(jié)果時域信號可知，車身縱向振動加速度先后經(jīng)歷了從0逐漸增大再逐漸減小最終趨于穩(wěn)定的過程，此變化過程正好與離合器逐漸接合、摩擦力矩逐漸增大所經(jīng)歷的過程相吻合；車輛快速起步時縱向振動持續(xù)時間最長且加速度幅值也最大，正常起步時相對次之；從頻域信號可知起步抖動發(fā)生的頻率大約集中在5 Hz～30 Hz。

3 結(jié)果分析

表4匯總了不同工況下S指標的計算結(jié)果與主觀評分結(jié)果?；谠囼灲Y(jié)果對車輛起步抖動評價指標與其相應(yīng)的主觀評價進行了相關(guān)性分析，詳細的相關(guān)性散點圖見圖5，其中實線為線性回歸模型的擬合結(jié)果。由相關(guān)性結(jié)果可知，車輛起步抖動S指標與主觀評價的相關(guān)性高達95.13%，由此可知，車身縱向振動加速度S指標與起步抖動主觀評價是相互契合的。在此基礎(chǔ)上，對起步抖動客觀評價指標與主觀評分結(jié)果進行了誤差分析，結(jié)果表明S指標與線性擬合曲線的均方根誤差(RMSE)為0.166，該誤差值在可接受范圍內(nèi)，說明S指標對于起步抖動縱向振動的評價是準確有效的。

圖4 車身縱向振動加速度測試結(jié)果

測試序號S指標主觀評分測試序號S指標主觀評分10.148 23.5100.149 93.620.187 83.9110.254 94.230.264 24.3120.292 74.540.120 73.1130.120 0350.154 63.5140.150 13.460.172 13.8150.169 83.870.087 02.5160.090 22.680.121 33170.119 7390.136 53.3180.142 73.5

圖5 S指標與主觀評價相關(guān)性散點圖

4 結(jié)論

(1) 提出了反映車輛起步時車身縱向抖動劇烈程度的評價指標(S指標)，即起步抖動感受越劇烈，S指標值越大。S指標利用信號標準差對車身縱向振動加速度進行衡量，能夠準確、有效地對汽車起步抖動劇烈程度進行評價。

(2) 起步抖動集中發(fā)生于離合器接合中段，隨著離合器接合過程的進行，車身縱向抖動先后經(jīng)歷了逐漸增大再逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定的過程，且頻率大約集中在5 Hz～30 Hz。

(3)S指標與主觀評分的相關(guān)性高達95%，且與線性擬合曲線的均方根誤差在0.17以內(nèi)，表明所提出的起步抖動縱向振動評價指標對于起步抖動的評價是有效的。

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