蒋美华 王国军 贾楠 李慧梅 陈欣
摘要：为了提高越野汽车的平顺性，针对越野汽车的使用环境和特点，参照发达国家的相关规范，对越野汽车平顺性的工况确定及评价指标进行讨论，分析我国目前在该领域存在的不足，并提出相关建议。在对某一越野汽车进行理论分析和试验的基础上，验证了采用多工况方法进行平顺性分析和考核的可行性。采用多体动力学分析的方法建立了整车平顺性分析模型，结果表明理论分析与试验结果的误差较小，对改善越野汽车的平顺性具有重要的指导意义。
关键词：越野汽车；平顺性；评价方法；评价指标
中图分类号：U461.4
文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.04.08
消费者多样化的需求促使汽车种类也越来越趋于多样化，越野汽车就是其中重要的一种，具有一定越野能力的运动型多功能车（Sports UtilityVehicle，SUV）越来越多地走入人们的家庭。在军队大量装备的汽车中，越野汽车也占有十分重要的地位。
如何对越野汽车性能进行评价和考核是我们不得不面临的问题。长期以来，我国并没有形成完整和科学的考核体系，相关企业不是照搬普通汽车的考核方法，就是各生产企业内部盲目地对有关汽车进行一些经验性的试验检测。这种状况往往会导致对越野汽车的性能，尤其是在特殊工况下的行驶考核不到位，无法全面知晓汽车的越野性能，更谈不上改进和提高。同发达国家相比，市场上我国自主研制的越野汽车性能表现并不乐观，其中的一个重要原因就是我国在这一领域的研究还相对滞后。
本文结合国内外学者多年来在越野汽车方面的研究成果，以提高越野平顺性为目标，借鉴发达国家的经验，探讨了越野汽车平顺性的评价与分析考核方法的问题。文中实例采用的是一种军民通用的轻型越野汽车。
1.行驶工况确定及评价指标
在考虑如何建立越野汽车平顺性评价体系之前，必须了解普通汽车与越野汽车的区别。首先，两者的行驶地域和条件不同，前者以道路行驶为主，因此主要考虑不同道路的行驶条件；而后者除了道路行驶外，还要考虑非道路行驶条件，即行驶的地面条件具有广谱特征。其次，普通汽车的平顺性主要考虑长途行驶的舒适性和安全性，而越野汽车通常更加强调在限定的时间内，在多样性的地域上，如何以安全的行驶速度可持续地发挥其动力性能和通过性能。此外，还要考虑越野汽车在一些特殊极限情况下的性能。可以说，越野汽车面临的实际工况通常要比普通汽车复杂多样，行驶条件的严酷程度也要高得多。在结构设计上，为了满足这些要求，越野汽车通常采用了较为特殊的设计，如特殊的外型（高离地间隙、大通过角和离去角等）、高性能全轮驱动动力系统、高性能悬架系统、特殊越野轮胎等等。虽然这些结构的采用，往往牺牲了一些舒适性能，如侧向稳定性，但大大提高了汽车的越野机动性能。在对越野汽车进行考核之前，首先要确定其行驶工况及评价方法。
1.1行驶工况
由于越野汽车的实际行驶条件十分复杂，为了便于研究，往往要根据实际的行驶条件和状况，经过科学合理的提炼和归纳后形成典型的行驶条件和工作状态，即所谓的“工况”。我国现有的平顺性标准GB/T5902-1986《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》和GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》中就规定了汽车在随机输入和脉冲输入下的工况。其中，包含了汽车在在良好道路（B级道路）上以50km/h车速行驶的工况以及汽车通过突起的工况。显然，这没有包含典型的越野行驶工况，没有对越野汽车的平顺性能进行较全面的考核。
典型工况应该从越野汽车的实际使用条件和状况中，经过大量的统计分析后来确定。这里给出美国军用越野汽车的技术要求，该技术要求是美军提高车辆机动性能的重要内容。
美军越野汽车的要求如下（在满载情况，轮胎中央充放气系统位于越野模式下）。通过随机地面时，轻型越野汽车相应车速和地面不平度条件是：分别以30 mph（48.3 km/h）、16 mph（25.7km/h）的车速在地面不平度均方根值为1.0in（25.4mm）、1.5in（38.1mm）的地面上行驶。中型汽车相应车速和地面不平度条件是：分别以25mph（40.2km/h）、17mph（27.4km/h）、12mph（19.3km/h）的车速在地面不平度均方根值为0.7in（17.8mm）、1.0in（25.4mm）、1.5in（38.1mm）的地面上行驶。而脉冲试验的规定为汽车以一定车速通过突起。轻型汽车的相应车速和地面不平度条件是：分别以45mph（72.4km/h）、12.3mph（19.8 km/h）、7.1mph（11.4km/h）的车速通过4in（101.6mm）、8in（203.2mm）、10in（254mm）高的半圆障碍；中型汽车的相应车速和地面不平度条件是：分别以12.3mph（19.8km/h）、7.1mph（11.3km/h）的车速通过8in（203.2ram）、10in（254mIn）高的半圆障碍。
这里要指出的是，美国将道路不平度分为：良好铺装路的不平度范围在均方根值2.54～7.62mm；一般铺装路的不平度范围在均方根值7.62～25.4mm；而越野地面不平度范围在均方根值38.1～122mm。
从中可以看出，在工况的设定上，至少要包括车辆质量、轮胎气压、车辆行驶状态（车速）、地面不平度、突起高度等，同时不同类型的车也有所不同。相比而言，我国在相关要求上，无论在考核条件的多样性还是严谨程度上都存在相当大的差距，不仅省略了一些影响平顺性的重要因素，甚至没有包含越野行驶的工况。
1.2评价指标
平顺性具体评价指标主要包括在随机地面上的行驶平顺性，以及在模拟脉冲输入下的行驶平顺性两方面的指标。前者主要采用作用在乘员身体不同方向上的加权加速度均方根值（衍生指标为加权振级和暴露时间或人体的吸收功率）作为评价指标；后者采用作用在乘员身体上的冲击加速度（峰值）。我国颁布的QC/T474-1999《客车平顺性评价指标及限值》中规定了舒适性界限值，如加速度均方根值小于0.315为舒适，大于1.25为不舒适等。然而，这些规定只是针对在良好道路（B级道路）上长时间行驶的客车平顺性的限值，侧重点是对乘坐舒适性的提高，对于越野车显然是不合适的。
美国在大量的试验基础上，认为对于普通汽车，由于更加侧重于长时间行驶的舒适性，可容忍的吸收功率上限值为0.2～0.3W，超过该值就会在一定时间后感到不舒适。对于越野汽车，追求高舒适性是不现实的，应更加侧重越野条件下的人体承受能力，可容忍的吸收功率上限值应控制在6～10W，如果在0.5～1W之间，则平顺性最佳。这些数值一般是指较短时间内可容忍的指标，对于较长时间的情况，人体所能容忍的数值离散度较大，其中一个原因就是人类在较长的时间内保持一定的姿势时，即使没有振动发生也会疲劳或不舒适。因此，美国认为6W（相当于加速度均方值2m/s2）是越野车在随机地面上行驶的界限值，这一指标一直沿用至今。式中：F（t）为人体输入力，N；v（t）为人体输入速度，m/s。
对于随机响应，我国一直采用的是加权加速度均方根值aw（m/s2），为了对比方便，这里给出它与吸收功率P（W）之间的近似关系：
P=0.5591a 2+1.826 5a
-0.29989。
（2）
而在脉冲激励下，人体在汽车行驶时所获得的加速度是造成人体生理损伤的重要因素。为了方便，常将该加速度表示为重力加速度g（9.8m/s2）的倍数。在静止情况下，人体重力为人体的质量乘以g，所以如果人体所受垂直加速度为n个g的话，也就相当于重量增加（或减少）了n倍。加速度对人体生理的影响还与作用的时间有关，作用时间越短，人体所能承受的加速度越高。作用时间很短，加速度值很高，相当于对人体作用了冲击载荷，这种情况在汽车高速过凸块、紧急加速和减速、悬架被“击穿”等时候会发生。大量试验表明，人体在不同方向承受加速度的能力也是不同的。在短暂的加速时间内，人体组织将可能受到损伤或无法恢复的损坏。最常发生的伤害是挫伤、骨折、软组织破裂以及脑振荡等。仅以正常的坐姿为例，在最好的坐姿下，人体上部的重量主要靠人体背部下方凹陷处的脊椎来承受。试验表明，健康的青年在有准备的情况下可以承受大约以每秒小于4900ms2的速率施加的高达343m/s2的垂直加速度；但当背部弯向前方时，则只能承受147m/s2的垂直加速度。在垂直加速度向上时，血液向下移动，脑部将缺血，加速度超过大约147m/s2时，将会导致知觉丧失和视觉丧失，如果再持续3min以上将造成脑部不可恢复的损伤；在垂直加速度向下时，血液向上移动，脑部血液和血压将增加，会引起慌乱、疼痛和出血现象，人体可以承受持续大约30s的29.4～49m/s2的向下加速度。据此，美国用24.5m/s2作为汽车过突起时人体承受冲击的评价值。
特别应该指出的是，在评价指标的表述方法上，越野汽车与普通汽车有很大的区别。普通汽车一般是在指定工况下，考察其平顺性指标（加速度均方根值或峰值加速度值）是否达到要求；而越野汽车是将随机输入或脉冲输入的人体承受极限作为约束条件，考察在指定工况下汽车的速度是否达到或超过指定的速度。例如，图l为某中型越野汽车的平顺性脉冲试验结果，从中可以看出不同突起下加速度冲击与车速的关系。从图2中可以看出汽车在通过不同高度突起时的速度达标情况，有箭头的两个点为大于规定的速度，而带点的圆形符号表示速度不达标。可以注意到，冲击的大小并不一定随车速的增加而增加，在通过较低突起时试验曲线出现所谓“驼峰”现象，这对提高汽车的机动性往往是有利的（高速平顺性好）。因此，在设计越野汽车的时候，不仅要控制其振动的冲击载荷，而且要控制其变化走向，悬架的行程参数以及弹性元件和阻尼元件力学参数的合理匹配至关重要。
2.分析方法及实例
目前，汽车平顺性分析模型的建立与分析方法己经日渐成熟，尤其是随着计算机技术的飞速发展，在复杂机械系统动力学的研究方面出现了新的理论方法，从而形成了一门新的学科——多体系统动力学。其主要特征是采用计算机进行建模和求解，使动力学的分析无论在计算规模和计算精度等方面都有了大幅度的提高。
至于采用何种模型进行平顺性分析，并无统一规定。建议在设计的初始阶段采用较为简单的力学模型进行分析，主要保留悬架系统力学参数和质量参数，此时参数的影响清晰明确，可以很快确定参数的取值范围。而采用复杂的多体模型会遇到大量的初始数据准备的困难，此时许多参数还未确定，在这一阶段使用多体动力学进行分析既不经济也很难达到理想的精度和效果。在整车各主要零部件计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）图形建立起来，并且相关零部件（尤其是悬架零部件及轮胎）的力学参数准备充分后，采用多体动力学软件可以进行更加精细的分析。
当讨论的汽车振动系统近似为线性系统时，在路面随机输入下，车身某处加速度均方根值可由式（3）计算。
以下为采用多体分析软件对某轻型越野车进行平顺性分析的实例。该汽车总质量为2850kg，前悬架采用了双横臂扭杆弹簧加减振器的独立悬架（模型如图3所示），后悬架采用整体式螺簧加减振器的非独立悬架（模型如图4所示），图5为整车多体分析模型，经过必要的简化，模型共有57个运动部件，107个自由度。为了更加全面地分析汽车的动态响应情况，在驾驶员、副驾驶员、后排坐椅左、中、右各处分别设置了5个输出点。随机振动响应是在B、C、D、E四种道路下，以不同车速通过的工况下进行。
图6为正驾驶位置不同路况（B、C、D、E级路面）下人体吸收功率与车速之间的关系，图中还给出了人体吸收功率为6W的限值。仿真结果表明，车辆以lO～120 km/h的速度在B级路面行驶时，吸收功率小于6 W，平顺性良好；车辆在C级路行驶，当车速达到80km/h左右时，吸收功率达到6W；在D级路行驶，当车速超过23km/h左右时，吸收功率就达到6W；在E级路行驶，车速达到12km/h左右时，吸收功率就达到6W。以此可以判断汽车在不同道路上行驶的平顺性优劣。显然，在不同的道路上行驶时，上述曲线的交点越靠前，则平顺性越好。当然，图中的纵坐标也可以按照前面给出的公式转换成加速度均方根值进行分析。
在本研究的脉冲激励输入下，仿真和试验所采用的不同工况见表1。为了便于与仿真结果比较，表中的速度值采用了试验中测得的数值。
图7～10为表l中部分工况（gkl、gk13、gk21、gk26）的仿真结果。图中红色实线、蓝色虚线、玫红虚线、黑色实线、绿色实线分别为正驾驶、副驾驶、后排左侧、后排中间、后排右侧位置座椅底板的振动响应。
可以看出，各个位置的振动响应大体一致。由于车体在受到冲击后，前后车轮瞬时离地，然后又回落地面，所以会引起多次冲击，随着时间的推移恢复到正常状态。
表2所示为在各个工况下仿真分析的冲击加速度，表中还给出了在相应工况下的试验结果。通过对比各工况下所有测点仿真与试验的结果可知，仿真模型在高速通过低凸块路面下能够较好地反映试验结果，综合误差≤8%；随着凸块高度的增加，仿真与试验误差逐渐增大，但在大部分工况下仍能较好地反映各测点冲击加速度与车速的变化关系。因此该模型可用于该越野汽车的平顺性分析。
3.结论
本文参照发达国家对越野汽车平顺性的要求，从越野汽车实际工况出发提出了多工况的平顺性分析及考核思路，指出了我国目前在越野汽车平顺性方面的不足以及改进方向，通过实例分析证明了采用多工况分析评价的可行性。由于篇幅所限，大量的试验验证结果内容有待今后发表。这些工作不仅对建立一套科学合理的评价体系进行了有益的探索，也为我国未来相关标准的制订积累了经验。今后还将不断研究总结，为建立针对不同类型车辆（如越野车、SUV、高机动军用汽车等），按任务需求不同而有区别的，科学合理并且可操作性强的平顺性标准而努力。
