車輛人-椅系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)舒適度敏感性分析*

李 睿，郭立新

(1.大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院,大連 116600; 2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,沈陽 110004)

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2015015

車輛人-椅系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)舒適度敏感性分析*

李 睿1,2，郭立新2

(1.大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院,大連 116600; 2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,沈陽 110004)

建立了一個(gè)二維人-椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以研究其主要參數(shù)對(duì)乘坐舒適性的影響。利用軟件Matlab SimMechanics建立了相應(yīng)的非線性仿真模型，將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的路面激勵(lì)數(shù)據(jù)分別輸入非線性仿真模型和線性模型，比較輸出的加速度功率譜密度以驗(yàn)證線性模型的有效性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果表明，除了座椅的剛度和阻尼以外，人體身高、體質(zhì)量和乘坐姿態(tài)也對(duì)舒適性有重要影響。

前言

座椅的動(dòng)態(tài)舒適性一直是座椅舒適性研究的重點(diǎn)之一[1-2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量關(guān)于車輛承受沖擊載荷時(shí)座椅對(duì)駕駛員的保護(hù)作用和駕駛員動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的研究[3-5]。對(duì)于駕駛員來說，長(zhǎng)時(shí)間承受振動(dòng)作用，即使是低水平振動(dòng)，也會(huì)造成暫時(shí)的注意力不集中和感覺恐慌，并且會(huì)誘發(fā)腰背疼痛等生理疾病。

本文中建立了一個(gè)二維人-椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，旨在研究其參數(shù)對(duì)舒適度的影響。首先構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程，然后利用Matlab SimMechanics軟件建立非線性系統(tǒng)模型，將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的路面激勵(lì)分別輸入給仿真模型和動(dòng)力學(xué)模型以驗(yàn)證線性模型的有效性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行敏感性分析，由于人-椅系統(tǒng)模型中很多參數(shù)對(duì)平順性影響不大[6]，所以本文中重點(diǎn)分析幾個(gè)重要參數(shù)對(duì)舒適度的影響。

1 模型的創(chuàng)建

所研究的模型是基于文獻(xiàn)[7]中所創(chuàng)建的7自由度模型，將剛度k2的作用點(diǎn)位置由臀部轉(zhuǎn)移到人體模型的背部，定位尺寸為lm，如圖1所示。人體對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)的最主要部位是“胸—腹”，其固有頻率是2～12Hz，因頻率太高或過低對(duì)研究的實(shí)際意義不大，所以對(duì)此7自由度模型只研究固有頻率在2～19.5Hz的6組模態(tài)的固有頻率，見圖2。當(dāng)lm=0.167m時(shí)各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的振幅最小，即激振頻率等于人-椅系統(tǒng)固有頻率時(shí)所受振動(dòng)影響最小，故選取lm=0.167m作為本模型的受力位置[8]。

1.1 動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)建

人-椅系統(tǒng)的力學(xué)模型應(yīng)該包括幾何非線性、人體力學(xué)非線性、座椅剛度與阻尼的非線性等特性，只有在沒進(jìn)入到非線性區(qū)的平衡位置附近的小振幅的振動(dòng)時(shí)才可以進(jìn)行線性化處理[8-9]。7自由度模型動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行線性化處理后可表示為

(1)

其中

A1=M2sinθ1;A2=(M3+M4)sinθ2;

A3=(M5+M6)sinθ3;A4=M7sinθ4;

B1=-M2cosθ1;B2=-(M3+M4)cosθ2;

B3=-(M5+M6)cosθ3;B4=-M7cosθ4;

D1=M8cos(θ1-θ2);D2=M2sinθ1;

D3=-M2cosθ1;E1=M8cos(θ1-θ2);

E2=(M3+M4)sinθ2;

E3=-(M3+M4)cosθ2;

G1=M9cos(θ3-θ4);G2=(M5+M6)sinθ3;

G3=-(M5+M6)cosθ3;H1=M9cos(θ3-θ4);

H2=M7sinθ4;H3=-M7cosθ4;

M1=m1+m2+m3;M2=m1l2;M3=m1(l2+l3);

M4=m2l3;M5=m4(l4+l5);M6=m3l4;

M7=m4l6;M8=m1l1(l2+l3);M9=m4l6(l4+l5);

式中：ξ、ζ分別代表人體模型相對(duì)于座椅模型的水平位移和垂直位移；θ1、θ2、θ3、θ4和θs分別為頭部、軀干、大腿、小腿和座椅靠背相對(duì)于x軸的轉(zhuǎn)角；下標(biāo)0分別表示各個(gè)變量的初始值。[K]、[C]分別為剛度矩陣和阻尼矩陣；其余各參數(shù)的含義說明見文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]。剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的取值見表1。

表1 線性動(dòng)力學(xué)模型剛度和阻尼系數(shù)值

1.2 非線性仿真模型的建立

SimMechanics是動(dòng)力學(xué)軟件Matlab軟件的一部分，SimMechanics立足于Simulink之上，一切工作均在Simulink環(huán)境中完成，通過一個(gè)圖形用戶界面操作，且系統(tǒng)所有非線性都可以考慮進(jìn)去。進(jìn)入方式為：Matlab/Simulink/Simcape/SimMechanics。人體的每部分在SimMechanics中都有它的局部參考系統(tǒng),以確定它的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)。人體模型由代表小腿、大腿、軀干和頭部的4個(gè)質(zhì)量單元通過平面鉸鏈和彈性阻尼原件連接，模擬人體解剖學(xué)的關(guān)節(jié)和肌肉組織。該系統(tǒng)假定為在垂直矢狀面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。利用SimMechanics建立非線性人-椅系統(tǒng)模型如圖3所示。

人-椅系統(tǒng)模型的7個(gè)自由度分別是：人體模型相對(duì)于座椅模型的水平與垂直位移和頭部、軀干、大腿、小腿與座椅靠背的轉(zhuǎn)角。

1.3 模型的有效性驗(yàn)證

測(cè)試車輛以25km/h恒定速度在B級(jí)路面上行駛?？紤]到駕駛員的身體條件和駕駛技術(shù)的多樣性，本文中采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[10]，選取8名駕駛員進(jìn)行駕駛實(shí)驗(yàn)。將測(cè)量得到的座位底部加速度激勵(lì)分別輸入給線性模型和SimMechanics非線性模型，將人體與座椅之間的垂向加速度(坐墊處)Az和水平加速度(座位靠背處)Ax作為輸出，通過一個(gè)頻率平均值為f、帶寬為Δf的帶通濾波器濾波后取其平方，再對(duì)這個(gè)變化了的信號(hào)進(jìn)一步加工，先得到源信號(hào)通過濾波器后的部分功率ΔAxF2/ΔAzF2，將它除以帶寬Δf，就能得出功率譜密度(PSD)[11]，如圖4和圖5所示。系統(tǒng)的非線性因素對(duì)垂向加速度Az產(chǎn)生的影響不到0.6%，對(duì)水平加速度Ax影響不到1.2%,其中水平方向的影響更大，這是因?yàn)榭勘车膭偠群妥枘崾歉叨确蔷€性的。由此表明，運(yùn)動(dòng)的振幅限制在一定的范圍，非線性的影響可以忽略，線性模型的輸出可近似等于相應(yīng)的非線性模型的輸出。

2 參數(shù)靈敏度分析

最常用的舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是ISO 2631(24-27)。本文中采用測(cè)量身體和汽車座椅之間的頻率加權(quán)加速度值評(píng)估全身振動(dòng)的嚴(yán)重程度，見式(2)。對(duì)此有效的線性模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

(2)

在瀝青路面行駛時(shí)A值為0.2～1.0m/s2；崎嶇的道路A值為1.0～2m/s2；A值高于2m/s2為越野車輛[6]。許多實(shí)驗(yàn)表明[12]，垂向加速度主要影響乘坐者的脊柱，采用Az表示垂向加權(quán)加速度值；水平加速度主要影響乘坐者的肩膀，采用Ax表示水平方向加權(quán)加速度值。身體的姿勢(shì)對(duì)振動(dòng)加速度的傳遞函數(shù)的影響是復(fù)雜的、非線性的，駕駛員的乘坐姿勢(shì)會(huì)對(duì)承受振動(dòng)的程度產(chǎn)生影響。許多專業(yè)駕駛員表示,軀干幾乎垂直的姿勢(shì)將會(huì)提高乘坐舒適性。本文中旨在深入分析關(guān)于乘坐者的身體尺寸和質(zhì)量、乘坐姿態(tài)對(duì)加速度量級(jí)的影響程度。

因參數(shù)k5、c5、m1、l1、θ1對(duì)舒適性的影響很小[6]，故不對(duì)這些參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析。為了解人體(身高、體質(zhì)量)和座椅(坐墊和靠背的剛度與阻尼)等有顯著影響的參數(shù)對(duì)舒適度指數(shù)的影響，各個(gè)參數(shù)值的變化范圍從名義值的0.5倍變化到1.5倍，其中每個(gè)參數(shù)的名義值選自文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]。

3 結(jié)果分析

分析結(jié)果，即各參數(shù)對(duì)舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響如圖6～圖11所示。由圖6可見，隨著l2、l3和l4增加，Az值降低，表明垂向舒適度提高；Ax值略有升高，表明水平舒適度略有惡化。

由圖7可見，隨著m2、m3增加，Az值降低，垂向舒適性提高；而Ax升高，水平舒適性惡化。

由圖8(a)可見，隨著θ3的增加，Ax和Az值皆升高，表明大腿越偏離水平位置，水平和鉛垂兩方向的舒適性都越差；由圖8(b)可見，Ax和Az值皆隨θ2和θs的增加而升高，表明座椅靠背和人體軀干越不豎直對(duì)舒適性越不利。

由圖9可見，隨著k1、k2增加，Ax和Az值都降低，各個(gè)方向的舒適性都得到改善。

由圖10可見，隨著k3、k4的增加，Ax和Az值減小，表示k在名義值的0.5～1.5倍范圍內(nèi)變化時(shí)，剛度k越大，水平和垂向的舒適度都越高。這個(gè)結(jié)論之所以不同于傳統(tǒng)觀點(diǎn)所認(rèn)為的彈簧的k值越小越舒服的原因在于k3和k4的變化范圍是在名義值的一個(gè)有限的范圍內(nèi)，而不是無限的提高剛度k值。

由圖11可見，隨著c1、c2、c3和c4的增加，Ax和Az值減小，表示各個(gè)方向的振動(dòng)舒適度都有所改善。

4 結(jié)論

(1) 人體尺寸的增加，慣性相應(yīng)地增加，導(dǎo)致加速度降低，舒適性提高。

(2) 人體質(zhì)量大，通常水平舒適性變差，而對(duì)垂向加速度的影響不大，這可能是坐墊的泡沫材料起到的緩沖作用。

(3) 人體的姿勢(shì)與乘坐舒適性有關(guān)，參數(shù)θ2、θ3、θs定義了人體的乘坐姿態(tài)，這些參數(shù)不僅依賴于座椅的類型即靠背的角度，而且與人的坐姿有關(guān)。大腿越向上傾斜而座椅靠背和人體軀干越偏離豎直位置時(shí)，人體對(duì)振動(dòng)越敏感，尤其是縱向。相反，軀干接近于豎直位置和大腿呈水平姿態(tài)時(shí)，舒適性會(huì)更好。

(4) 增加座椅泡沫的阻尼值，舒適指數(shù)會(huì)提高。在名義值的0.5～1.5倍范圍，座椅坐墊剛度和靠背剛度的增加，可以改善各個(gè)方向的舒適性。

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Sensitivity Analysis of Ride Comfort to the Main Parametersof the Occupant-Seat System of a Vehicle

Li Rui1,2& Guo Lixin2

1.CollegeofElectromechanical&InformationEngineering,DalianNationalitiesUniversity,Dalian116600;2.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110004

A two-dimensional dynamics model for occupant-seat system is built for analyzing the effects of its main parameters on ride comfort with a corresponding non-linear simulation model also established by Matlab SimMechanics. The pavement excitation data obtained by experiment are input into non-linear simulation model and linear dynamic model respectively to compare their output in terms of acceleration power spectrum density for verifying the validity of linear model. On this basis, a sensitivity analysis is carried out. The results show that in addition to the stiffness and damping of seat, the height, mass and sitting posture of human body also have an important influence on ride comfort.

occupant-seat system; ride comfort evaluation; non-linear model; power spectrum density; sitting posture

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51275082)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(N130403009)資助。

原稿收到日期為2012年12月21日，修改稿收到日期為2013年4月10日。