爱华网第六章 汽车舒适性
摘要
随着人们生活水平的提高，人们对汽车性能的要求除在动力性、经济性、安全性方面之外，在车辆的舒适性、可靠性、耐久性和安全性等方面的要求也越来越高。良好的驾驶操作性能、舒适的驾乘环境、低振动和低噪声渐渐成为现代汽车的重要标志。同时，从提高工作效率和降低事故发生率的要求出发，汽车的乘坐及工作环境必须具有一定的舒适性。为提高汽车的舒适性，本章主要从汽车平顺性、汽车空气调节性能、汽车乘坐环境和驾驶操作性能四个方面进行了具体分析，并针对每一方面都提出了具体的评价指标，影响因素及实验方法。
引言
汽车舒适性是指为乘员提供舒适、愉快的乘坐环境、货物的安全运输和方便安全的操作条件的性能。汽车舒适性包括：汽车平顺性、汽车噪声、汽车空气调节性能、汽车乘坐环境及驾驶操作性能等；它是现代高速、高效率汽车的一个主要性能。 汽车平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能。 对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。汽车行驶时，由于路面不平等因素激起汽车的振动。振动影响人的舒适、工作效率和身体健康，并影响所运货物的完好；振动还在汽车上产生动载荷，加速零件磨损，导致疲劳失效。因此，减少汽车振动是汽车平顺性研究的主要问题。
汽车空气调节性能是指对车内空气的温度、湿度和粉尘浓度实现控制调节，使车室内空气经常保持使乘员舒适的状态。汽车空调是改善工作条件、提高工作效率的重要手段。
汽车乘坐环境及驾驶操作性能是指乘坐空间大小、座椅及操纵件的布置、车内装饰、仪表信号设备的易辨认性等。
随着现代文明进程，汽车越来越多地介入了社会的各个方面，成为与人们工作和生活紧密相关的、大众化的产品，汽车作为“活动房间”的功能日趋完善。与汽车其它性能不同，汽车舒适性各方面的评价都与人体主观感觉直接相关。本章将结合汽车人体工程学研究成果，适当介绍必要的相关知识．以期帮助大家树立“人－车－环境”系统研究新概念。
第一节 汽车平顺性
一、 人体对振动的反应和平顺性的评价
机械振动对人体的影响，既取决于振动频率与强度、振动作用方向和暴露时间，也取决于人的心理、生理状态、而且心理品质和身体素质不同的人，对振动敏感程度有很大差异：因此，人体对振动作用的反应是一个十分复杂的过程。
为了评价振动对人体的影响，在振动心理学试验中，一般是将人对振动的感受分为数个不同的感觉等级，如: “无感觉”、“稍有感觉”、“感觉”、“强烈感觉”、“非常强烈感觉“等。取某一频率的正弦振动作为基准。其振动加速度有效值和振动持续时间是一定的，并规定在此条件下的人体承受振动的感觉。然后，在相同持续对间下，改变振动频率和振动加速度有
效值，与基准振动比较，当感觉相同时，记录振动频率与振动有效值。如果把产生同样感觉的备点连接起来，即可绘制出人体对振动反应的等感度曲线。20世纪70年代，国际标准化组织(ISO)在综合大量有关人体全身振动的研究成果的基础上，制定了国际标准ISO 26314《人体承受全身振动的评价指南》。目前许多国家参照ISO 263l4来制定汽车平顺性的评价方法。
1．随机振动有关概念
图6—1 是汽车车厢地板上测得的振
动加速度波形。可以看出，振动加速度随
时间的变化是不确定的。这种随时间变化
的不规则振动叫随机振动。随机振动的规律不能用简单函数或简单函数的组合来表示，只能用概率和统计的方法来描述其内在特性。
(1)加速度均方值
2&&加速度均方值&其数学z&ms是加速度瞬时值z(t)的平方对时间域求平均值。图6-1 车厢地板垂直加速度时间历程
表达式为： 2?ms ?z?1t2??(t)dt （6-1） zt?0
均方值有平均功率的含义，它是与平均功率成比例的表征振动强度的一个物理量。
(2)加速度均方根值 将均方值开方后得到均方根值。加速度均方根值??z? 的数学表达式为：
s&z&加速度均方根值通常亦称为加速度有效值。
(3)功率谱密度 G(f
)
随机振动的时间历程是由无限多个频率、相位、强度各不相同的谐振叠加而成的。将随机过程时间域上的一些数字特征转化为频率域上的数字特征来表示，并进行分析，研究振动能量随频率的分布情况，称为频谱分析。
随机过程在频率域上常用功率谱密度G(f)来描述。其数学定义为： 11t2??(t,f,?f)dt （6-3） G(f)?limz0t???ft??f?0
?在频率f～f＋Vf间隔内的分量； (t,f,Vf)——?式中 &zz&
f——频率；
Vf——频带宽度。
实际测量分析中，时间t不可能无限长，频
带宽度Vf也不可能无限窄。通常只能取有限时
间和带宽。故： 2??msz G(f)= （6-4） Df
图6-2连续的功率谱密度
由式(6—4)知，G(f)表示频率f～f＋Vf间隔内
均方值密度。由于均方值有平均功率含义，所以称G(f)为曲线功率谱密度，其单位为(m／s2)2/Hz。 功率谱密度是随机过程最重要的特征之一。如果知道了功率谱密度曲线(见图6—2)， 则G(f)曲线与f轴所围的总面积就是振动的均方值或平均能量。对某一频率范围内的均方值可按下式计算：
t2
12 &z&òtG(f)df ms(f1,f2)=
（6-5）
2．ISO 2631标准
ISO 2631标准用加速度均方根值 给出了在l～80Hz振动频率范围内人体对振动反应的三个不同界限。
① 暴露极限。当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。通常把此极限作为人体可以承受振动量的上限。
② 疲劳－工效降低界限。这个界限与保持工作效能有关。当驾驶员承受的振动强度在此界限之内时，能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶。
③ 舒适降低界限。此界限与保持舒适有关，在这个界限之内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利完成听、读、写等动作。
图6—3是ISO 2631给出的用双对数坐标绘制的“疲劳一工效降低界限”。另外两个不同反应界限的振动允许值随频率变化趋势与图6—3曲线形状完全相同，只是振动的允许值不同。“暴露极限”的值为“疲劳一工效降低界限”的2倍，“舒适降低界限”为“疲劳一工效降低界限”的1／3.15倍。从振动心理学角度来看，这三个反应界限相当于人体对振动的感觉的三个等级，三个界限曲线实际上就是三种等感度曲线。
图6-3 疲劳－工效降低界限（1） （ISO）
图6－3的纵坐标用振动加速度均方根值代表振动强度，横坐标为振动频率，用1/3倍频带中心频率表示。有关1/3倍频带的概念可参见本章第二节中的有关内容。实线曲线和虚线曲线分别表示垂直方向和水平方向振动时的“疲劳－工效降低界限”。曲线上的任一点代表了“疲劳－工效降低”的一个时间限值，如4h曲线上的一点，表示对应于该振动频率时的振动加速度均方根值若等于或稍小于该限位时，将容许人体暴露在此振动下4小时而不会出现疲劳和工效降低。由图6—3可以看出，“疲劳－工效降低界限”的振动加速度允许值的大小与振动频率、振动作用方向和暴露时间这三个因素有关，下面分别加以讨论。
① 振动频率。从图6－3可以看出人体承受全身振动时，有一个最敏感的频率范围。对于垂直振动，最敏感的频率范围为4～8Hz，而对于水平振动，最敏感的频率范围为1～2Hz。
②振动作用方向。从图6－3可以看出，垂直振动与水平振动的“疲劳一工
效降低界限”是不一样的。在同一暴露时间下，频率在3.15Hz以下时易感受到水平振动，高于此频率时，对垂直振动更敏感，达到8Hz以上的频率范围时，垂直振动允许值只是水平振动允许值的1/2.8。比较各自最敏感频率范围内同一暴露时间的振动允许值，垂直方向却是水平方向的1.4倍。 ③暴露时间。人体达到一定反应的界限，如“疲劳”、“不舒适”等，都是由人体感觉到的振动强度大小和暴露时间长短二者综合的结果。它们之间的关系可由图6—3看出，在一定频率下，随暴露时间加长，“疲劳一工效降低界限”曲线向下平移，即振动加速度允许值减小。
3．平顺性评价方法
(1) 1/3倍频带分别评价法
用这个方法评价时，首先将传至人体的振动加速度进行频谱分析，得到功率谱密度Gf，
再按式(6—5)求出各1/3倍频带内传至人体的振动加速度均方根值分量s&&： pi
轾G(f)df s&òf&&=犏&pipfui臌li
（6－6）
式中fui和fli分别是各1/3倍频带的上、下限截止频率，其确定方法参见本
章第二节有关内容。
1/3倍频带分别评价法认为,同时有许多个1/3倍频带都有振动能量作用于人体时，各频带振动的作用无明显联系，对人体产生影响的，主要是由人体感觉的振动强度最大的一个1/3倍频带所造成。具体评价方法是直接将某一振动方向上的各加速度均方值标在“疲劳一工效降低界限”的图
上，找出某个??p?i确定的最短的暴露时间TFD，也可以用查表方法确定丁TFD。 用这种方法评价时，要改善汽车平顺性就得减小某个感觉特别的??p?i值，希望振动能量按频率分布不要过于集中，尤其在人体敏感的频带内不要有突出的尖峰。
(2)总加速度加权均方根值评价法
这种方法是用频率加权因子，将人体敏感的频率范围以外的各频带振动加速度均方根值??p?i折算为等效于人体敏感频率范围内的振动加速度均方
?p?w。即 根值s&&后，再求出总加速度加权均方根值?pwi
s&&pw轾2=犏s&&邋pwi犏i臌轾2=犏(s& w(f))&pici犏i臌 （6-7） 式中 fci——第i个1/3倍频率带的中心频率，Hz。
ì1＃fci4?
14＃fci8垂直方向WN(fci)
=? í?8/fci8￡fci??
ì1水平方向WN(fci) =?í??2/fci1＃fci2￡fci2
w(fci)——频率加权函数，并且：
在1～80Hz范围内，共有20个1/3频带，所以i＝1,2,～,20。ISO2631/1给出??p?w与允许的“疲劳－工效降低界限”暴露时间TFD之间的对应关系，可直接用作平顺性评价。请参见文献[1]。若要同时考虑三个方向的振动对人体的影响，常采用将三个方向的总加速度加权均方根值进一步加权的方法，求得联合加速度加权均方根值?w。
?w???2
??wz?(1.4??x?w)?(1.4??y?w)22 （6-8）
上述两种评价方法，1/3倍频带评价是IS O2631标准的基础，它可
以根据人对不同频率振动的敏感性较精确地评价振动激励。总加速度加权均方根值评价可以全面地评价振动激励的强度。
(3) 吸收功率评价 “吸收功率”概念认为人体是一弹性体，在输入力为0～314N，人体变形为0～10.16mm时，人体是一线性系统。当人体承受振动时，振动能量被人体吸收并沿全身传递，这一振动能量随时间的变化率称为吸收功率。人体系统吸收的功率越大，所受到的干扰就越大，就会感到愈不舒适。按照功率的概念，吸收功率Pav为： 1lim Pav?T??T?T
0F(t)v(t)dt
（6-9）
式中 F（t）——振动输入点上的作用力
v(t)——振动输入点上沿作用力方向的速度
式（6－9）是时间域内确定Pav的方法。对于频率域Pav，按下式计算：
i Pav?1035.2444??KiGi
（6-10）
式中 Gi——第i个频带的输入加速度自谱值；
Ki——考虑人体特性的频率函数，不同振动方向有不同值，其确定
方法请参阅GB4970—85《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》
人体受到机械振动的总干扰是所有方位上各个频率吸收功率的总和。 吸收功率评价方法有明显的物理意义，且各方位的振动具有可累加性，并可用一个数值评价受振动强度。但是，目前尚未提出允许的吸收功率忍受界限值。另外，人对振动的反应并不简单取决于机械的动力作用，还包
括复杂的生理和心理影响。所以，吸收功率目前主要作为一项辅助性评价指标，用它可作同类型车辆之间的比较。
二、汽车振动
1．汽车振动系统的简化
汽车是一个复杂的振动系统，应根据究所
分析的问题进行简化。图6—4是一个将汽车车
身质量车的悬挂质量为m2，它由车身、车架及
其上的总成所构成。该质量绕通过质心的横轴
y的转动惯量为Iy，悬挂质量通过减振器和悬
立体模型
架弹簧与车轴、车轮相连接。车轮、车轴构成
的非悬挂质量为m1。车轮再经过具有一定弹性
和阻尼的轮胎支承在不平的路面上。这一立体
模型，车身质量在讨论平顺性时主要考虑垂直、
俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量有4个
图6-5 双轴汽车简化的平面模型 垂直自由度，共7个自由度。
当汽车对称于其纵轴线．且左、右车辙不平度近似相等时，可暂不考虑车身侧倾振动。汽车振动系统就可简化为图6—5所示的4个自由度的平面模型。这时车身只有垂直振动Z和俯仰振动φ。，而这两个自由度的振动对乎顺性的影响最大。在这个模型中。又因轮胎阻尼较小而予以忽略，同时把质量为m2、转动惯量为Iy的车身按动力学等效的条件分解为m2f,m2r,m2c。这三个质量由无质量的刚性杆连接，它们的大小由下述三个条件决定。
(1)总质量保持不变
m2f＋m2r＋m2c＝m2 （6-11）
(2)质心位置不变
m2fa－m2rb＝0 （6-12）
2 (3)转动惯量Iy的值保持不变 Iy?m2?y?m2fa2?m2rb2
（6-13）
式中 ?y——绕横轴y的回转半径；
a，b——车身质量部分的质心至前、后轴的距离。
由上式（6-11）、（6-12）、（6-13）得出三个集中质量的值为： m2f
m2r
(6-14)
m2c?m2(1?
式中 L——轴距
通常，令??2?y2?y
?m2 aL?m22?y bL2?yab)
ab并称为悬挂质量分配系数。
由式(6—14)知，当??1对，联系质量m2?0，前、
m2r的垂直方后轴上方车身部分的集中质量m2f，
向运动是相互独立的。也就是说，在??1的情
况下，质量m2f的振动不引起质量m2r的振动，
反之亦然。
根据统计，大部分汽车ε=0.8～1.2。由于汽车平顺性的需要，现代汽车图6-6 车身单质量系统模型
质量分配系数ε≈1。因此，可以分别讨论图6—5上的m2f和前轮轴以及m2r和后轮轴所构成的两个双质量系统的振动。
汽车非悬挂质量只是悬挂质量的几分之一，而且轮胎的刚度比悬架的刚度大得多。因此，非悬挂质量的振动对车身振动的影响较小，可将其忽略，得到图6—6所示的分析车身垂直振动的最简单的单质量系统。
2．单质量系统的自由振动
在图6—6中， m2为车身质量，K为弹簧刚度，C为减损器阻力系数，q是输入的路面不平度函数。车身垂直位移坐标z的原点取在静力平衡位置。根据牛顿第二定律，得到描述系统运动的微分方程：
?)?K(z?q)?0 （6-15） ??q??C(zz m2?
此方程的解由自由振动齐次方程的解与非齐次方程特解之和组成。令2n?KC；?02?，则齐次方程为： m2m2
2???2nz???0zz?0 （6-16）
?0称为系统固有圆频率，而阻尼对运动的影响取决于n与?0的比值ζ，
ζ称为阻尼比。
??n
?0?C2m2K
(6-17)
汽车悬架系统阻尼比ζ属于小阻尼，微
分方程（6－16）的解为：
2z?Ae?ntsin(0?n2t?a)
（6-18）
图6-7 衰减振动曲线
这个解说明，有阻尼自由振动时，质量m2以有阻尼固有频率?r?02?n2振动，其振幅按e?nt衰减，由图6—7所示。 阻尼比ζ对衰减振动有两方面影响。 (1)对有阻尼固有频率?r的影响。
?r?02?n2??0??2 (6—19)
由式(6—19)知，ζ增大， ?r下降。当ζ＝1时，?r=0，此时运动失去振荡特征。汽车悬架系统阻尼比ζ在0.25左右，?r比?0只下降3％左右，在工程上近似认为?r??0，单位为rad/s。
?0?
K
（6-20） m2
（2）对振幅衰减程度的影响
图6－7上两个相邻的振幅A1与A2之比称为减幅系数，以d表示
Ae?nt1A1
d??
A2Ae?n(t1?T2)?enT1?e
2????2
（6－21）
可以由实测的衰减振动曲线得到减幅系数d，再由下式求出阻尼比。
??
1?4?/lnd
2
2
（6－22）
3．单质量系统的频率响应特性
对于单质量系统运动微分方程(6—15)，其通解部分由于阻尼作用随时间
减小，稳态条件
下系统的响应z由特解确定，它取决于激励q和系统的频率响应持性。 为了描述线性系统的频率响应特性，通常把系统的输出 z(t)和输入
q(t)的傅里叶变换
Z(ω)与Q(ω)的比值或用输出、输入谐量复振幅 z和 q的比值定义为该系统的频率响应函
数，记为H(j?)z~q。
H(j?)z~q＝Z(w)z= （6－23） Q(w)q
通常H(j?)z~q为复数形式，可以将其表示成
H(j?)z~q＝H(j?)z~qej?(?)
（6－24）
式中 H(j?)z~q?z，称为幅频特性，它是输出量与输入量在某频率成q
分下的幅值比； ?(?)?称为相频特性，是输出量与输入量在某频率成分下的相位差。
式（6－23）表示的是输出位移z与输出位移q之间的频响函数。对于输出输入量为速度
或加速度时，根据频响函数定义和傅里叶变换运算性质，可得到各频响函数间的相互关系。
H(jw)z~qzq= 1+j2Vl1-l2+j2Vl （6
－25）
H(jw)z~q= 1+j2Vl1-l2+j2Vl
（6－26）
仅举两例，其他可同理推得。
对式(6—15)进行傅里叶变换可推得单质量系统的频响函数。
H(jw)z~q=
此式的模即为幅频特性。
H(jw)z~q轾1+(2zl)=222犏(1-l)+(2zl)臌2121+j2Vl （6－27） 21-l+j2Vl （6－28）
式中 l=w，为频率比
w0
图6-8 单质量系统的幅频特性
图6－8是式（6－28）表示的幅频特性曲线，由图可知
（1）低频段(0＃l0.75)。z略大于1，不呈现明显的动态特性，阻尼比q
对这一段影响不大。
l(2)共振段(0.75＃2)。z出现峰值，将输入量放大，加大阻尼比ζ可使q
共振峰明显下降。
(3)
高频段(l3
。在l=zz＝1，与?无关。在?＞2，＜1qq对输入量起衰减作用，阻尼比ζ减小对减振有利。
4．单质量系统对路面随机输入的响应
? 是评价汽车平顺性的主要指标。另外悬架的动挠度 fd 车身加速度 ?z
与其限位行程[fd]配合不当时，会经常撞击限位块，使平顺性变坏。车轮与路面间的动载 Fd影响车轮与路面的附着效果，影响操纵稳定性。在进行平顺性分析时，要在路面随机输人下对汽车振动系统这三个振动响应量进行分析计算，以综合选择悬架系统的设计参数。
对于所讨论的简化的汽车振动系统，路面只经一个车轮对系统输人时，振动响应的功率谱密度 Gx(f)与路面输入量的功率谱密度G（qf)之间有如下简单关系：
Gx(f)=H(f)x~qGq(f) （6－29） 2
式中 H(f)x~q——系统响应量x对输入q的响应函数H(f)x~q的模，即幅频特
性；
f??为频率，单位为Hz。 2?
?、fd、Fd的均方根值?x都可按式（6－5）求得。即 振动响应量?z
Gx(f)df= sx2=蝌0ゥ0H(f)x~qGq(f)df （62
－30）
进行平顺性分析时，通常根据路面不平度系数与车速共同确定的路面输入谱 Gq(f)和由悬架系统参数确定的频率响应函数 H(f)x~q， 按式(6—
29)、(6—30)计算振动响应量的功率谱Gx(f)和均方根值 ?x。由此可以分
析悬架系统参数对振动响应的影响，反过来也可根据汽车平顺性评价指标来优化悬架系统设计参数。
路面输入除了式(6—29)中的位移谱 Gx(f)，还可以采用速度谱 Gq?(f)和加速度谱Gq和H(f)x~q的平方相乘，同样可??(f)与相应的幅频特性H(f)x~q???
以得到振动响应量的功率谱Gx(f)。
路面统计分析结果表明，路面速度功率谱在整个频率范围内为一常数，即为“白噪声”，且常数只与路面不平度系数和车速有关，而与频率无关。即 Gq?(f) 恒为某个常数。这给平顺性计算分析带来极大方便。用 Gq?(f) 作为输人谱代入式(6—29)并两边开方，得到输入输出均方根值谱之间的关系：
=H(f)x~q?
（6－31）
?的 由式(6—31)可知，响应量的均方根值谱与响应量x对速度输入 q
幅频特性H(f)x~q?的图形完全相同，只差某常数倍。可以用响应量对速度输
入的幅频特性来定性分析响应量的均方根值谱。讨论悬架系统参数对平顺性的影响。
?的幅频特性 （1）车身加速度对q??z
由式（6－26）、（6－28）可得 轾1+(2xl)??zz =w=w222犏?qq(1-l)+(2xl)臌212
（6－32）
由式（6－32）知，随固有圆频率?0提高，??z在共振段和高频段都成比例提?q
高。在共振时，
??z
?ql=
1=v （6－33）
?的均方根值谱与圆频率?0成正比。即在共振点，?在共振段，阻尼比ζ增大，z
????zz减小，在高频段，ζ增大，也增大，故ζ对共振段与高频段的效果相??qq
应，综合考虑，ζ取0.2～0.4比较合适。
(2)车轮与路面间相对动载Fd? 的幅频特性 对 qG
车轮与路面间的动载 Fd与车轮作用于路面的静载G之比值Fd/G称为相对动载。Fd/G＞1时，车轮会跳离地面完全失去附着，影响汽车操纵稳定性。
对于单质量系统，
Fd?G=z/g （6-34） 可见Fd??z?的幅频特性与只相差系数1/g，振动系统参数?0，?的影响对q?Gq..
与上面讨论??z完全一样，不再重复。 ?q
(3)悬架动挠度fd对q的幅频特性
由车身平衡位置起，悬架允许的最大压缩行程就是其限位行程[fd]。动挠度[fd]与限位行程[fd]应适当配合，否则会增加行驶中撞击限位的概率，使平顺性变坏。
由图6—6知，fd=z-q，所以fd对q的频率响应函数为
将式（6－27）代入得 fdz-qz==-1 qqq
fd?2 ? q1??2?j2??
于是，fd对q的幅频特性为 fd?2 ?222q(1??)?(2??)
（6－35）
由上式知，在低频段，当?<<1时，
在高频段，当?>>1时，fd对输入位移起衰减作用；?l2 ，qfd?1，此时车身位移z?0，弹簧变形与路面输q
入趋于相等；在共振段，当l?1时，fd
q?
??1f1。阻尼比ζ对d只在共振q2?
段起作用，而且当 ??0.5时已不呈现峰值。
比较式(6—28)与式(6—35)，可以看出，悬架系统对于车身位移z来说，是将高频输入衰减的低通滤波器；对于动挠度fd来说，是将低频输入衰减的高通滤波器。
?的幅频特性 fd对q
（6－36） fd1fd =?qwq
由式(6—36)知，随固有圆频率?0下降，
比例提高。在共 fd在共振段与低频段均与?0成反q
振时，
fd1
，所以，共振点上fd的均方根值谱与?0成反比。 w=w0=
l=1?q2xw0
三、影响汽车平顺性的结构图素 1．悬架结构
悬架结构影响平顺性的主要因素有三个，弹簧刚度K、悬架弹性特性、减振器阻尼系数C。悬架刚度K决定的悬架系统固有频率f0[见式(6—20)，
?[见式(6—ω0=2πf]平顺性影响最大，降低f0可以明显减小车身加速度?z
33)]，这是改善平顺性的一个基本措施。但随着f0降低，动挠度fd增大[见式(6—36)]，限位行程[fd]也就必须与f0成反比而相应增大。但[fd]受结构布置限制，不能太大，所以降低f0是有限度的。
表6－1是目前大多数汽车悬架系统的固有频率f0、静挠度fs、限位行程[fd]的实用范围。
表6－1 悬架系统f0、fs、[fd]的实用范围
前后悬架系统刚度的匹配对汽车平顺性也有较大影响。一般希望前、后悬架系统的固有频率接近相等，这可以通过选择前、后悬架刚度使
K1?来实现。为了减小车身纵向角振动，一般将前悬架的固有频率选2的略低于后悬架的固有频率。
悬架系统的弹性特性指悬梁变形与所受载荷之间对应关系，分为线性与非线性两种。具有线性弹性特性的悬架刚度K为常数。由式(6—20)知，其车身振动固有频率f0将随装载质量多少而改变，尤其是后悬架载质量变化较大的货车和大客车。这种变化使汽车空载或部分载荷时前、后悬架振动固有频率过高或失配，导致车身猛烈颠簸，平顺性变差。为此，可采用具有非线性弹性特性的悬架，即悬架的刚度K可随载荷的改变而变化，以保持汽车各种载荷情况下，f0基本不变或变化不大，从而达到改善平顺性的目的。这种悬架也称为变刚度悬架。
悬架的非线性弹性特性可以通过下述办法来实现：
(1)在线性弹性特性悬架中加入辅助弹簧、复合弹簧．采用适当曲导向机构以及与车架的支承方式，等等。
(2)选用具有非线性弹性特性的弹簧，如空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧和硅油弹簧。
为衰减车身的自由振动和抑制车身的共振，以减小车身振动加速度，汽车悬架系统中应有适当的阻尼。正确选择阻尼比ξ对汽车平顺性至关重要。ξ取值大，能使振动迅速衰减，但会将较大的路面冲击传递到车身。反之，ξ取值小，振动衰减缓慢，受一次冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒适。为使减振的阻尼效果好，又不传递较大的冲击力，常把压缩行程的阻力和伸张行程的阻力取的不同。压缩行程中，为减少传递的路面冲击力，ξ应选择小些；而伸张行程中，为迅速衰减振动，ξ 应选择大些。
对于不同的悬架固有频率f0和不同的使用条件，满足平顺性要求的阻尼比ξ值大小应有所不同。当f0较低．行驶路面又较差时，动挠度fd会相当大，为减少悬架撞击限位块的概率，ξ 应取偏大值。
2．轮胎
轮胎由于本身的弹性在很大程度上吸收了因路面不平所产生的振动，因此它和悬架共同保证了汽车的平顺性。近年来随着车速提高，希望轮胎的缓冲性能越来越好。提高轮胎缓冲性能的方法有：
(1)增大轮胎断面、轮胎宽度和空气容量，并相应降低轮胎气压。
(2)改变轮胎结构型式，如采用子午线轮胎，它因胎体的径向弹性大，可以缓和不平路面的冲击并吸收大部分冲击能量，使平顺性得到改善。
(3)提高帘线和橡胶的弹性，采用较柔软的胎冠。
车轮旋转质量的不平衡会引起汽车振动，影响平顺性和行驶稳定性，这在高速时尤为突出，所以必须对每一车轮(含装好的轮胎)进行静平衡和动平衡，以保证高速行驶时的舒适性。
3．非悬挂质量
非悬挂质量的振动对悬挂质量振动加速度有较显著的影响，减小非悬挂质量，可以减小传给悬挂质量(即车身)的冲击力。因此，提高悬挂质量与非悬挂质量的比值，有利于改善汽车的平顺性。另外，悬挂质量的布置应尽量使悬挂质量分配系数ε≈1。以减少前、后悬挂质量振动的联系。
4．“人体—座椅”系统的参数选择
为了改善汽车平顺性，使传至人体的振动比较小，在选择“人体一座椅”系统参数时，首先要保证人体垂直方向最敏感的频率范围4～8Hz处于减振
区，按“人体一座椅”构成单质量系统来考虑，其固有频率fs?4Hz/2?3Hz(参见图6—8)。在选择fs时，还要避开与车身固有频率f0重合，防止传至人体的振动加速度谱出现突出的尖峰对平顺性不利。f0一般在1.2～2HZ之间，于是fs一般可选在3Hz左右。“人体一座椅”系统的阻尼比ζs一般达到0.2以上才能有较好的减振数果。顺便指出，若考虑人体自身的减振数果，研究成果表明，fs值可以选得高一些，达到5～6Hz，在适当ζs配合下，仍可保证4～8Hz处于减振区。
四、汽车平顺性试验
汽车平顺性试验主要是为汽车平顺性评价提供依据。同时还要测定影响平顺性的汽车结构参数和持性参数，探索改善汽车平顺性的各种途径。平顺性试验主要包括以下内容。
1．汽车振动系统结构参数测定
测定轮胎、悬架、坐垫的弹性特性(载荷与变形的关系曲线)，求出规定载荷下，轮胎、悬架、座垫的刚度。由加、卸载曲线包围的面积，可以确定轮胎、悬架、座垫的阻尼，另外还要测定悬挂质量、非悬挂质量、车身质量分配系数等。
2．悬挂系统部分固有频率（偏频)和阻尼比的测定
将汽车前、后轮分别从一定
高度抛下，记录车身和车轮质量
的衰减振动曲线，见图6－9。可
以得到车身质量振动周期T和车
轮质量振动周期T
'，按下式求得
图6-9 悬挂系统衰减振动曲线
(a)车身振动 (b)车轮振动
各部分固有频率。
车身部分固有频率f0=w01= 2pT
wt1='2pT车轮部分固有频率ft= A1'A1',代入到式（6－22）、d'=A2A2由车身和车轮部分的减幅系数d=可以求ζ，ζ'。
用同样的方法可以求得：人体－座椅“系统的固有频率fs和阻尼比ζs。
3．汽车振动系统的频率响应函数的测定
根据频响函数的定义，记录振动系统的输出和输入信号后。可用专门的数据统计分析仪处理得到振动系统的频响函数。
试验常在电液振动台上进行，给车轮0.5～30Hz范围的随机或简谐振动输入，记录车轴、车身、坐垫上各对应测点的振动响应，按车轴／输入、车身／车轴、坐垫/车身可相应得到轮胎、悬架、座椅各环节的频率响应函数。其幅频特性的峰值所在频率即为各环节的固有频率，峰值幅值可用于近似求出各环节的阻尼比ζ。请参见文献[1]。
4．实际路面随机输入行驶试验
此项试验是评定汽车平顺性的最主要试验。按照GB 4970—85 《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》进行。各种车辆因工作条件不同．试验要求的路况、车速、传感器安装位置等也有所不同。
平顺性随机输入试验主要以总加权加速度均方根值??p?w (也可相应给
出TFD,TCD)来评价。根据试验中记录的振动加速度时间历程，通过数据处理
设备得到加速度功率谱密度．并可计算各1/3倍频程带宽中心频率fci的加速度均方根值?i进而可求得了TFD和TCD以及??p?w。这些评价指标随车速的变
化曲线称为“车速特性”，可用于整个使用车速范围内全面地评价汽车平顺性。
5．脉冲输入试验
汽车行驶时偶尔会遇到凸块或凹坑，其冲击会影响汽车平顺性，严重时会损害人体健康，破坏运载的货物。此项试验按GB 5902—86《汽车平顺性单脉冲输入行驶试验方法》进行，汽车以一定车速驶过规定尺寸的三角形凸块得到脉冲输入。评价指标用坐垫上和地板上加速度最大值或加权加速度最大值。
第二节 汽车空气调节性能
一、概述
汽车空气调节性能是影响汽车舒适性的重要因素之一。
为了达到热舒适的要求，必须对车室内空气的质量和数量进行调节。从而使车室内空气经常保持使乘员感到舒适的状态，以提高汽车舒适性和安全性。汽车空气调节包括制冷、采暖、通风、除霜、空气净化等内容。这与普通建筑物空气调节系统并无本质区别，但由于汽车是一种“移动房间”，所以它的使用条件比普通建筑物更为严酷，因而要求汽车空气调节系统具有更高的性能。其特点为：
(1)因车室内空间小，乘员多，所以要求有更大的换气量；
(2)汽车使用条件(运行状况)和所处环境变化急剧，且变化幅度大，随机性
强，故要求有快速制冷和快速采暖能力；
(3)为使驾驶员前方保持清晰的视野，汽车前窗玻璃应具有除霜功能；
(4)在提高汽车空气调节性能的同时，强调不降低或少降低汽车动力性，并尽可能地减少燃油消耗；
(5)追求运行可靠、操作自动化、低制造成本、维修简便。表6-2示出汽车空调系统基本功能。
表6-2 汽车空调系统基本功能
二、汽车空气调节评价
对汽车空气调节性能的评价通常是出乘员和驾驶员对车室内的温度、湿度、空气流速、空气压力、气味、空气洁净度，甚至包括噪声和振动等指标的感受和反映来决定的。研究表明，从影响空气调节性能重要性角度出发，温度、湿度和空气流速三个因素最为重要。同时，对于一个给定的空调车室，每个人对上述三因素组合的某种状况感受和反映并不一致，这又与每个人的年龄、性别、民族、衣着、个人活动量、身体素质以及季节、昼夜等因素有关。总之，舒适感是很多因素综合效果决定的，准确定量地描述人体对空气调节性能的感受相反映是非常困难的。几十年来，人们围绕这一问题在不断地进行研究与试验。现对汽车空气调节性能的评价简述如下。
1．人体的温度感觉
人的身体在不断地产生和散发热量，以维持体温恒定不变的热平衡。热量的大部分是由人的皮肤散发的。在一年四季中，人的皮肤温度不尽相同．如果能获得体温恒定不变的热平衡，便可以认为人是处于舒适状态。
(1)不适指数
当对温度进行感性评价时，常用“不适指数”这个指标。它是通过温度与湿度的关系，得出适宜与否的评价。
不适指数＝（气温＋湿球温度）30.42＋40.6 该指数如果超过80，则对大多数人来说是不适的。从生理学观点看，所谓“不适酷热”就是意味着为维持36℃体温的多余热量不能充分散发(就像汽车发动机的过热)。不适酷热将导致人的植物神经失调，使判断和操作机能迟钝，如一个人在这种状态下驾驶汽车，则将使事故率显著增高。
(2)人体的热特性
人体的放热约有80％是通过皮肤进行的。皮肤以及与其相关连的血管对温度变化的反应非常敏感，当外界气温下降时，血管和皮肤便收缩，使其向体外散发的热量减少，结果使得离心脏较远的手、脚等部位的血液流量显著减少，所以容易感到冷。因此，手、脚较头部和胸部等处要求有更高的温度。故冬季舒适温度条件应是“头寒足热”。
空气的流动也可以增加人的舒适感。人在1m/s的风速下，会觉得温度下降约1℃。风速不同，人的舒适感也会有变化，一般不希望风速过大，因为它会使人体局部过度散热而感到难受。因此，最好使大部分流量的风遍及全身，并尽量减低风速。
当环境变化时，例如乘员从房间进入车室内，由于人体具有一定的热容量，故实现新环境下的人体热平衡是需要一定时间的。为缩短这段时间，在开启汽车主调的最初时间里，提供稍许过度的冷或热风，便会增加人的舒适感。所以评价汽车空气调节性能时特别重视达到室温稳定的时间这一指标。
2．舒适的空气调节参数
(1)车室温度
一般认为控制车室内温度在22～30℃较舒适，人们在冬季比春季更喜欢室温高一点。但对夏季高温时室温不宜太低．以防温差太大导致感冒。气流不宜直接吹向人体。
(2)空气湿度
在—般情况下，人体每小时释故25g汗水，出汗量随环境温度升高而增加。皮肤的舒适感与环境的蒸汽压力和湿度有关。如果车室太干燥，乘员将非常难受。相对湿度一般应在30％～70％左右，其具体值应根据当地环境湿度、季节、太阳辐射、乘员身体状况调节。
(3)气流速度
人对静止空气的感觉和运动汽车空气的感觉是不一样的。当环境温度低于人体皮肤温度时，若增加室温，则同时也应增加气流速度，这样才能使人有舒适感。在炎热的夏季，下吹气流对身体更舒适，吹向脑部的气流可达3m/s，但臂部和喉部最好别直吹，面部特别是眼部也别用高速气流直吹。头部气流温度应比胸部气流湿度低7℃。
(4)车内换气
人体吸入的氧气将有30％变成二氧化碳而排出，如果车内换气不良，就会使二氧化碳浓度上升。二氧化碳浓度—般应控制在0.1％以下。因此必须保证每位乘员有20～30m3/h的换气量。同时还应考虑吸烟、道路上污染、尘埃等侵入车厢内而必须增加的通风换气量。
再者，人呼吸会有大量水蒸气排出，使车内湿度上升．夏天感到闷热，
冬天会使车窗结霜。因此防止车内湿度上升也是换气的重要任务。除此之外，换气还有这样两个功效：吸入车外冷空气、使室内温度下降；室内有适量的风在流动，提高了乘员的舒适感。
表6-3 舒适的空气调节参数
3．PMV和PPD指标
根据热舒适理论，国际标准化组织在大量试验调查研究的基础上，制订了ISO 7730—1984“适中热环境的PMV和PPD指标的计算及热舒适条件的规范”。
该标准用于分析室内环境的热舒适性时，提出六个要素。其中四个与环境有关，即：空气的干球温度、室内的平均辐射温度、空气中水蒸气分压力、空气的相对流动速度。另外两个要素与人有关，即：人体的新陈代谢率和服装的热阻值。
该标准使用热舒适PMV－PPD指标体系。PMV( Predicted Mean Vote)为平均预测数。它表示大多数人对环境热感觉的表决的平均预测数。它是利用热平衡原理，收集被测对象的热感觉
表决票后，求得PMV，从计算关系式
看出，PMV是上述六要素的函数。
PPD(Predicted Percentage of
图6图6-10 PPD与PMV指标之间的数量关系 Dissatisfied)为对热环境表示不满意的
百分比的预测数。
PPD与PMV之间的定量关系如图6-10所示。此曲线形状像一条例置的标准正态分布曲线，在PMV＝0处，PPD＝5％，就是说，即使室内环境为最佳热舒适状态时，由于人与人之间的生理、心理差异，还是有可能5％的人感到不满意。同理，PMV＝0.37时，PPD＝8％，有8％的人感到不舒适。
三、汽车空气调节试验
我国汽车空气调节试验还没有建立国家标准。一般参考国际汽车空调协会试验标准IMACA和日本JISDl618—1986标难。
汽车空气调节试验以换气性能、采暖性能和制冷性能为研究对象，主要测定项目是风量、风速、温度、湿度。根据所测数据，对汽车空气调节系统的性能作出定量的评价。此外还必须进行主观评价，以作出全面的综合判断。
上述试验与评价要在实际道路和环境实验室内进行。环境实验室可随意给定温度、湿度、日照等条件，可获取高重复性的试验数据。通常试验控制条件的范围是：温度－30～50℃；湿度20％～80％；日照量0～
1.16KJ/(m22s)。
1．换气性能试验
换气性能是汽车空调的最基本性能。它的主要试验有：车内空气换气量、车内风速风向，进、排通气孔位置影响等。
(1)换气量
进出车内的空气量是由空调装置的进风量、车身缝隙的空气渗漏量平衡决定的。空调装置进风量的测定分静态和动态两种测定方法。静态测定法是在车辆静止状态下，改变空调装置的鼓风机电压，测定各出口的风量；动态测定法可在汽车运行中进行风量测定，也可在风洞室内测定，更简便的方法是利用鼓风机送与车速相当的风量，进行测定。不管采用什么方法，都必须确保空气入口→车内→空气出口的压力变化与汽车行驶状态相同。逐个测定车身每个缝隙的渗漏量是十分困难的．一般只测总渗漏量。从车身缝隙向外渗漏的空气量，要由外界向车内补充。总渗漏量可通过测定车内某一定压时的补充空气量来代替。
(2)风速、风向
“体感风速”’是风速的主要试验内容，应在相当于人体各部位处装微型风速传感器，以测定身体感受到的风速。风向测定可采用“气流可见化”试验方法，最简便的是“丝丛法”，在细木棍的尖部贴附丝线或毛线，受气流作用后便随风飘动，可判断气流的方向和强度。
(3)空气入口和出口
根据车身表面压力分布，在正压大的部位设置空气入口，在负压大的部位设置空气出口．其换气效率较高。但必须考核尘埃、水分、发动机废气进入的问题。 对于水浸入问题，可选洗车或暴雨状况下试验。类似地．尘埃问题可选特定工况下试验。而对于发动机排气渗入问题，可让空调装置
以车内空气自循环的方式运行来进行试验。另外，若出气口的排气效果差，则关闭车门时会使车内压力瞬时增高，给乘员带来不快感，甚至还会成为关不上车门的原因之一。
2．采暖、制冷性能试验
在采暖和制冷性能试验中，最基本的内容是温度测量。热电偶传感器能够做得很小，而且对温度变化反应灵敏，所以得到越来越广泛的应用。
(1)采暖性能
对于采暖性能来说，最重要的是温度分布。测量内容包括足部附近的温度分布、足部和面部空间的温度差、左右坐席的温度差、前后坐席的温度差等。另外，还应测量温度。
发动机冷却水温也是采暖性能的重要评价项目。测量车内温度分布的同时，也要测量发动机散热器的进出口水温，并研究发动机发热量和散热器散热量的热平衡问题。
试验气温一般选择－20℃左右，试验车速应选择负荷小的情况(即发动机发热量少)，如40～50km/h，还要选发热量急剧变化的工况，如80 km/h以上的车速和发动机怠速两种工况编成一定组合进行试验。
试验前汽车停放，当发动机水温、机油温、车内各部位温度与外界气温相等时，方能开始试验。试验时测定从开始到达到规定温度时所需时间和温升过程。车内温度上升越快，则性能越好。经过40min左右，车内温度趋于稳定。达时，如果足下温度达到30℃左右，面部温度达到25℃左右．则认为加热器的性能良好。
(2)制冷性能
与采暖性能一样，制冷性能的主要试验项目也是温度测量。此外，出风口的风量和风速也是制冷性能的重要测试参数。为了掌握空调系统工作是否正常，还应测定冷媒气体的压力。
试验条件因地区而异，我国可选气温36～42℃，湿度30％～70％，试验运行工况应包括40～50 km/h中速行驶、100km／h左右高速行驶以及怠速等适当组合。
在试验环境下，将汽车停放l～2h后，待车内温度稳定时使开始试验，测定温降过程。经过40～50min左右，车内温度趋于稳定。此时，如果面部温度为20℃左右，足下温度为25℃左右，则认为制冷性能良好。
试验中测定冷媒气体压力，若高压为1.27～1.47MPa，低压为0.1～0.15 MPa，则认为制冷系统工作正常。试验中还应考核蒸发器上的水分有无冻结现象。
(3)温度控制性能
温度控制性能是指温度调节杆的动作量和吹出空气温度变化的关系。如果调节杆能使吹送空气温度呈直线变化，则认为温度控制性能良好。试验时，将温度调节杆的动作行程分为4～10等份，置于各等份点时送吹空气，测定车内各部位温度。试验气温在-20～＋40℃范围内，每隔10℃或15℃进行一次试验。试验车速为50～80km∕h，并能保证冷却水温能使节温阀处于开启状态。在所有吹口处同时测定吹送空气温度，由此对左右侧温差作出评价。
3．主观评价试验
主观评价试验主要是对车内整体温度分布和风量(风感)进行评价。另
外，鼓风机响声、坐席触感、空调控制杆的操纵性等也应列入评价内容。主观评价分为综合评价和头、足等身体局部感受评价，在规定时间里，将各部位的感觉记录在评价卡上。
试验条件与制冷、采暖性能试验基本相向，但主观评价试验要求在实际行驶状态下进行，并要求有更多的人参与试验评价。由于难于找到适宜的试验条件，主观评价试验也多在环境试验室内进行。试验前，评价人员必须在试验室内的试验条件下停留30min，并按规定着装。
第三节 汽车乘坐环境与驾驶操作性能
汽车乘坐环境是指活动空间、内部设备、脚踏板高度、车门及通道宽度等；汽车驾驶操作性能是指驾驶操作的轻便性和各种信息的接受能力等。 研究汽车与人的相互关系是汽车舒适性的重要课题。在调查众多人的体格素质、体力状况、工作技能的基础上，研究如何给乘员提供舒适的乘坐环境，减轻疲劳感，同时保证驾驶员易于操作和接受信息的方便，以利长时间安全行驶，是本节讨论的主要内容。
一、与人体工程学有关的知识
汽车舒适性研究中，往往需要进行许多项有关人体的基础数据测量。
百分位是人体工程学中常用的一个谱．它表示人体的某项基础数据对于使用对象中有百分之多少的人可适用。这是人体工程学中一条基本的设计原则。目前人体基础数据标准均以百分位形式公布，这种表达方式已在国际上通用。
我国地域辽阔，自然环境复杂，人体差异较大，1989年7月1日起正
式实施的国家标准《中国成年人体尺寸》，分7档公布数据。表6—8和表6—9分别是我国成年人立姿和坐姿的人体尺寸。
汽车驾驶员的眼睛、头部、胯部、膝部及胃
腹部等一些与车身设计有关的特殊点称为驾驶员
的人体特征点。驾驶员以自己的意愿将座椅调整
到适意位置、并以正常驾驶姿势入座后，人体上
的这些持征点在车内坐标系中的位置可以通过摄
影法测得。测得的位置数据经数理统计处理后，图6-11 车室设计用具性图形 便可得到各种百分位身材男女驾驶员的人体特征点的分布图形(图6—11)。它们包括驾驶员服椭圆(图中D)，头廓包络线(图中E)，左右膝包络线(图中C和B)，H点位置线(图中A)，胃部包络线(图中F)等。将图形制成样板可作为车室设计的工具，因此上述图形也称为车室设计用工具性图形。
汽车驾驶员手伸及界面是指驾驶员以正常姿势坐在座椅中，身系安全带，右脚支承于加速踏板上，一手握住方向盘时，另一只手所能伸及的最大的空间曲面。该曲面的形状及其在汽车中的位置见图6—12。驾驶室内的一切手操作钮件、杆件、开关等的位置均应在驾驶员手伸及界面之内，这是汽车理论的一条重要原则。
图6-12 汽车驾驶员的手伸及界面
此外，还应测定手的尺寸(手伸平长度、手指长度、“虎口”最大开度)、脚的尺寸、头的大小等等。
表6-4 我国成年人的立姿人体尺寸
mm
表6-5 我国成年人的坐姿人体尺寸
mm
2．H点人体模型
H点是人体身躯与大腿的连接点，即胯点(Hip Point)，汽车理论中常称它为H点。H点人体模型是一种用来确定汽车车身的实际H点位置的人体模型(图6—13)。我国采用的H点人体模型各部分的质量见表6—6。
汽车的实际H点是指当H点三维人体模型按规定步骤安放在汽车座椅中时，人体模型上左右两H点标记连线的中点。它表示驾驶员或乘员入座后胯点关节中点在车身中的实际位置。汽车实际H点在汽车舒适性中有重要作用。
(])汽车实际H点是与操作方便性及坐姿舒适性相关的车内尺寸的基准点。
(2)汽车实际H点是确定眼椭圆在车身中位置的基准点。
(3)汽车实际H点的位置影响到驾驶员的手伸及界面。
表6-6 H点人体模型各部分的质量 kg
