摘要
车辆振动信息在时间和空间上具有多种分布特点时,传统的乘坐舒适性评价方法不能同时给出与人的真实舒适感一致的评价结果,为此提出局部冲击和人体感知窗口的概念以特征化振动信息,从而准确反映人体只对主要振动信息敏感和对振动之间的邻近性敏感。通过正交试验优化了基于特征振动信息构造的特征振动剂量值。在设计的试验场景中,特征振动剂量值与频率加权加速度均方根值、最大瞬时振动值和振动剂量值这三个指标相比,能得到与人的真实感受更为一致的结果。
车辆在实际行驶中产生的振动不仅仅影响乘客的体验,还影响乘客的身心健
本文提出了局部冲击的概念,使得主要的振动信息能被表征的同时不受总测试时长本身的影响。本文提出人体感知窗口的概念,用于表达局部冲击之间的交互作用,从而不使最大振动信息以外的信息被完全忽略。本文还面向振动信息在时空中的多种分布特点设计了多个对比试验场景,并对基于上述两个概念设计的乘坐舒适性评价指标特征振动剂量值(characteristic vibration dose value, CVDV)进行了优化与验证。结果表明,新建立的指标较传统指标展现了对更广泛场景的适用性。
本文设计了用于表达人的真实感受的主观评分标尺,如

图1 评分标尺
Fig.1 Rating scale

图2 数据采集系统布置示意图
Fig.2 Layout of data acquisition system
共设计了13个试验场景,每个场景中的主轴加速度时间历程如

图3 设计场景中的主轴加速度时间历程
Fig.3 The acceleration time history of the main axes in the designed scenarios

图4 试验场景中的减速带
Fig.4 Speed bump in the test scenario

图5 试验场景中的玻璃钢格栅板
Fig.5 GRP grid plates in the test scenario
参与试验的总人数为33人,其中,男性21人,女性12人,人员的年龄范围为19~50岁,身高范围为153~183 cm,体重范围为45~105 kg。
本文以目前流行的国际标准化组织(International Standard Organization, ISO)在ISO 2631‒1中提供的三大指标,RMS、MTVV和VDV分别作为按平均值整合、按最大值整合、按累计值整合三种整合形式的代表,对当前乘坐舒适性评价所面临的问题进行分析。考虑到当前的研究趋势是使用多轴的振动信
将设计的试验场景分为5个对比组,其主观评分结果与主要振动轴上RMS、MTVV、VDV指标的计算结果箱线图分别如

图6 各对比试验场景组中的主评分结果和RMS、MTVV、VDV的计算结果
Fig.6 Rating results and RMS, MTVV, VDV in each comparison test scenario group
由
一个固定的时间都是不合适的。由
局部化的振动信息对于乘坐舒适性的评价是十分重要的,因为它经常是最主要的影响因
(1)按
(1) |
式中:kx =1.4、ky =1.4、kz =1,分别为ISO 2631-1中规定的x轴、y轴、z轴轴向权重;awx(t)、awy(t)、awz(t)分别为x轴、y轴、z轴上的按频率加权加速度在时刻t的值。
(2)按式
(2) |
(3) |
(4) |
(5) |
式
(3)将Ei所对应的振动信息从当前时间轴上剪除。
(4)如果且
(5)终止运算,第i个被剪除的部分为第i个局部冲击。
步骤(4)中使用了贝勃定律,即人如果经历了一个强烈的刺激,那么,再经历低于该刺激某个程度的刺激时,其感受可被忽略。
(6) |
式中:Ei,k为局部冲击i分享给局部冲击k的能量;Θ为轴向指示符,代表x轴、y轴或z轴;VΘ,i,k为在Θ轴上局部冲击i分享给局部冲击k的振动信息;aw是主轴上的按频率加权加速度;n是整合的阶数;wi(t)是对应第i个局部冲击的窗函数。
(7) |
式中:Li为局部冲击i对应的窗函数的宽度;k1、k2>0,为尺度参数。
为了表达
(8) |
式中:h(t)为浴盆曲线函数;α和β为形状参数;λ为故障率参数;η为区间参数。
为了表达
(9) |
式中:为h(t)达到最低点时的时刻;σ为正态分布的标准差;p为截距项,p在(0, 1)上;R为修正系数。
(10) |
(11) |
将特征振动剂量值指标中的待确定参数初始化为kx=1、ky=1.3、kz=1、τ=1.3、d=0.4、k1=1、k2=1.5、n=1.6、λ=0.4、σ=0.04、p=0.8,则对于

图7 若干场景中的振动信息整合情况可视化
Fig.7 Visualization for interactive Vibration information integration in several designed scenarios
优化结果显示,kx=1.4、ky=1.4、kz=1、τ=1、d=0.4、k1=0.8、k2=1.4、n=1.6、λ=0.4、σ=0.03、p=0.8为CVDV的最优参数,此时NMSE为0.289,低于RMS的0.472、MTVV的0.348、VDV的0.510,显示CVDV较ISO 2631-1所规定的三大指标能取得更好的评价效果。将所有场景中的主观评分值从左至右排序,使左边组比右边相邻组的配对样本T检验的T值始终小于等于0,如

图8 最优配置下的特征振动剂量值评价结果与主观评分结果对比
Fig.8 Comparison between CVDV under the optimal configuration and subjective evaluation results
当振动信息在时空中存在多种分布特点时,RMS、MTVV、VDV不能取得与乘坐者的主观感受一致的结果,而本文设计的特征振动剂量值指标在其参数经过正交试验优化后则可以。特征振动剂量值指标中的局部冲击使用的是累计算符,可以避免平均化算符需要标准化的问题;使用窗函数的形式进行交互,可以避免MTVV只能考虑1 s内最大的振动信息而忽略其他振动信息影响的情况;窗函数的宽度与局部冲击的振动剧烈程度正相关可以避免VDV无条件地整合时空中的所有振动信息,从而造成过度整合的问题;窗函数中引入浴盆曲线可以表征局部主要激励在时空上一定范围内波动不会显著影响人的总体不舒适性的特征;窗函数中引入正态分布曲线可以表征高度集中的振动会显著增加人的总体不舒适感的特点。
特征振动剂量值通过对局部振动信息的量化与对局部化振动之间的交互作用的定义良好地平衡了对振动信息的过度整合和欠整合,使它可以适用于振动信息在时空中具有多种分布特点的更广泛场景,提升了乘坐舒适性评价的准确性,可以作为一种新的乘坐舒适性评价方法。
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