行車舒適性評價方法綜述

周振宇，萬華森 ZHOU Zhenyu,WAN Huasen

（昆明理工大學 交通工程學院，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著我國公路的大規(guī)模建設以及汽車企業(yè)的快速發(fā)展，交通可達性不斷擴大，人們對車輛行駛過程中的舒適性提出了更高的要求。行車舒適性是指汽車在一定的行駛速度范圍內，乘客不會因為汽車的行駛而產生不舒適和疲勞的感覺，又稱為乘坐舒適性[1]。傳統(tǒng)的行車舒適性評價方法主要是研究汽車的振動對乘客的影響，幾乎沒有考慮到道路線形等因素對車輛行駛中的乘客產生的影響。影響行車舒適度的因素較多，現如今對行車舒適性的研究還沒有一個統(tǒng)一的評價標準，行車舒適性的評價方法也存在著諸多差異。本文結合人、車、道路交通3大要素，針對人與車、車與路兩個方面對行車舒適性評價方法進行總結歸類。

1 基于人與車的舒適性評價方法

在車輛行駛過程中，由于受到道路平整度等原因造成車輛振動，振動從車輛傳遞到車內乘客身上，繼而對乘客身體產生一定的影響，影響嚴重者可能會發(fā)生暈車、惡心、頭痛等癥狀。但振動在車輛行駛的過程中是不可避免的，車輛在研發(fā)過程中要對汽車減震等功能進行測試，盡量減少汽車振動對乘客的影響。以下為基于人體對振動的承受極限發(fā)展而來的主要行車舒適性評價方法。

1.1 Janeway舒適性評價方法

美國學者Janeway在1948年基于車輛振動提出影響人體舒適度主要因素在不同的振動頻率上是不同的，在此基礎上建立Janeway準則舒適性評價標準。

其中：A為振幅；f為頻率。

他認為振動頻率不同對應的影響因素也不同，并且將振動頻率分為了3種情況，并給出了對應3種情況的主要影響因素[2]，如表1所示。

Janeway通過公式計算出了Janeway準則臨界曲線，若計算所得的J值在曲線之上則會引起不適，行車舒適性較差。這一標準現在廣泛運用于日本鐵路的評價之中。

表1 不同頻率對應的主要影響因素

1.2 斯佩林舒適性評價方法

斯佩林（Spering）舒適性評價指標是由德國鐵路車輛試驗研究所斯佩林等人提出的，主要是對車輛運行中的穩(wěn)定性進行評價[3]。斯佩林等人提出了舒適性評價的經驗公式如式（1）所示，舒適性評價指標用Wz來表示。

式中：Z為振動幅值；f為強震頻率；F（f）為與振動頻率有關的函數，稱為頻率修正系數。

斯佩林等人在此公式的基礎上測算出了Wz的舒適性評價標準，如表2所示。斯佩林舒適性評價方法主要在歐洲各國應用較為廣泛。

1.3 國際舒適性評價方法

1974年國際化標準組織（ISO）在將大量有關人體振動的研究工作和文獻匯總的基礎上頒布了國際標準《人體承受全身振動的評價指南》，這是國際標準組織首次將振動對人體的影響進行標準化，但這本指南評價標準被限制在了短時間的簡諧振動為基礎的運動中[4]。國內外學者對于長時間的振動環(huán)境中此標準能否適用進行了大量的研究，在1978年、1985年、1997年等都在不同程度上對《人體承受全身振動的評價指南》進行補充修訂，成為國際普遍認可的通用標準。其評價方法主要分為三分之一倍頻帶法和總加權值評價法。在最新的舒適性評價標準ISO2631-1:1997（E）中，給出了人體坐、立、臥3種姿勢的受振模型，其通過對內臟、人體脊椎等部位敏感振動范圍的界定采用加權加速度方均根aw來反映人體對振動的敏感程度。標準規(guī)定，當振動波形峰值系數＜9（峰值系數是加權加速度的時間歷程aw（）t的最大值與加權加速度均方根值aw的比值）時用基本方法來評價，單軸加權加速度均方根值aw按式（2）進行計算[5]，aw與人體主觀舒適度關系如表3所示。

式中：aw（t）為加權加速度時間歷程；T為測量時間長度。

表2 斯佩林舒適度評價標準

國際標準ISO2631通過對之前人體振動研究進行總結歸納，并且在之后不斷進行補充、修訂，使其成為現在被大多數國家認可并且應用最為廣泛的行車舒適性評價方法。

1.4 其他舒適性評價方法

其他舒適性評價方法見表4。

2 基于車與路的行車舒適性評價方法

車輛在路面行駛時，行車舒適性還會受到道路自身屬性的影響，道路線形是否符合人體對于車輛行駛中自由度變化的感知閾值，是影響行車舒適度的關鍵。一般來說道路線形一般采用直線—緩和曲線—圓曲線—緩和曲線—直線的形式，緩和曲線作為直線和圓曲線的漸變線段，它起到了連接直線與圓曲線曲率的作用，使人們在行駛的過程中不會感受到明顯的轉折變化。麥克康奈爾（Mcconnell）緩和曲線是現有的考慮到行車舒適性而設計的緩和曲線。麥克康奈爾曲線主要是W.A.Mcconell等人將在彎道上行駛的汽車采用6自由度（包括車輛縱向、側向、轉向的移動和車身縱傾、側傾、橫向的旋轉，如圖1所示）進行行車舒適性的研究[6]，研究成果表明：人體的感覺器官對不同運動自由度的變化感知度不同，只有當這些運動自由度的變化達到人體感覺開始閾限值時才會被人體感覺到，并且得到了6個自由度各自對應的閾值，如表5所示。

表4 其他舒適性評價方法

圖1 車輛6自由度示意圖

麥克康奈爾等人對人體運動感覺的研究促進了行車舒適性的發(fā)展，我們可以從這6個自由度中進行選擇對行車舒適性進行科學合理的定量分析?，F在應用較為廣泛的行車舒適性評價方法主要分為以下幾種。

2.1 橫向力系數評價方法

橫向力系數為橫向力與豎向力的比值，用μ表示。橫向力系數可以反映車輛在曲線行駛過程中的穩(wěn)定性和舒適程度[7]。將車輛看做剛體，根據車輛在彎道上的受力分析可以得到橫向力系數μ的計算方法如式（3） 所示：

式中：V為汽車行駛速度；R為圓曲線半徑；ih為路面橫坡度。

表5 人體對運動的感覺開始的閾值

通過計算可以得知μ值越大舒適性越差，μ值越小舒適性越好。根據實驗研究得出了橫向力系數μ與行車舒適性的關系，如表6所示。

通過橫向力系數進行行車舒適性評價的方法計算簡單，有明確的規(guī)范作為理論依托，但橫向力系數是車輛運行的過程中的一個隨機變量，車輛型號、路面情況、行駛軌跡等都會對橫向力系數產生不同程度的影響[8]，從而對計算結果產生一定的影響。

2.2 橫向加速度評價方法

汽車橫向加速度（ah）指的是汽車行駛與行駛方向水平垂直方向上的加速度，一般是在車輛進行轉彎時由向心加速度而產生的[9]。在高等級公路建設時往往用減少道路的超高來降低橫向加速度對人們的影響。根據大量的試驗數據研究，得到了橫向加速度與行車舒適性的關系。橫向加速度與行車舒適性的關系如表7所示。

在橫向加速度研究的基礎上，有學者進一步對橫向加速度變化率來進行研究，目前還沒有一個統(tǒng)一的標準，長安大學的楊少偉教授在他的文章中介紹橫向加速度變化率一般控制在0.6m/s3以內較為舒適。

表6 橫向力系數μ與行車舒適性的關系

表7 橫向加速度與行車舒適性的關系

2.3 加速度干擾評價方法

車輛在道路上行駛容易受到道路自身線形、駕駛員操作技術以及道路的路況等級的影響，所以車輛在行駛的過程中車速是在不停變化的。為了能夠描述車速在一定范圍內的變化，20世紀50年代Hermann提出了加速度干擾的概念，并且將其定義為車輛加速度與平均加速度的標準差，即對車輛速度擺動的描述，用δ表示。并且通過研究測試得到了加速度干擾與行車舒適性之間的關系[10]，如表8所示。

式中：T為觀測總時間；a（t）為t時刻的加速度；為平均加速度。

2.4 豎向加速度評價方法

當車輛在豎曲線上行駛時，會產生豎向加速度as（）并作用在車內駕駛員及乘客身上。駕駛員及乘客在離心力的作用下會在凸形豎曲線上產生失重的感覺，在凹形豎曲線上產生增重的感覺，這些感覺都會對行車舒適性產生影響。目前豎向加速度對行車舒適性的評價并沒有一個統(tǒng)一的標準。長安大學碩士牛兆霞[11]通過對《公路與城市道路幾何設計》、《汽車理論》等書籍的整理總結中得到滿足舒適性的豎向加速度指標的取值，如表9所示。

表8 加速度干擾與行車舒適性的關系

表9 加速度干擾與行車舒適性的關系

3 總結

本文將行車舒適性與交通3大要素人、車、路有機結合起來，通過人與車、車與路兩方面對行車舒適性評價方法進行匯總整理。關于環(huán)境對行車舒適性的影響在本文中并未涉及，其對行車舒適性的影響還需要進一步研究。在今后行車舒適性評價中可以將車與路結合起來進行綜合評價，為未來行車舒適性評價方法提供參考。