崔陽文,張 明,傅耀宇,余永光,皮大偉

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.中國定遠(yuǎn)汽車試驗場,安徽 滁州 233210)

汽車是由多個系統(tǒng)組成的復(fù)雜振動系統(tǒng),在行駛過程中,因路面不平、車速和運動方向變化、齒輪沖擊以及車輪、發(fā)動機(jī)和傳動系不平衡等各種外部和內(nèi)部的激振極易產(chǎn)生整車或局部的強(qiáng)烈振動[1]。我國幅員遼闊,丘陵地帶較多。Park等[2]研究表明,長期暴露于苛刻的振動環(huán)境中,將會對身體造成不利影響,且該損傷將不斷累積并誘發(fā)多個部位的慢性病變。例如長期的振動會增加下腰椎和相關(guān)節(jié)段連接神經(jīng)系統(tǒng)的受傷風(fēng)險,過度的機(jī)械應(yīng)力會損傷椎間盤組織,同時損傷會由椎間盤向外逐步擴(kuò)散,可能導(dǎo)致腰椎節(jié)段的病變[3]。但由于振動對于人體的影響并不會在短時間內(nèi)顯現(xiàn),大多在多年后才會表現(xiàn)出較明顯的癥狀,所以對全身暴露于振動環(huán)境的工作人員進(jìn)行健康風(fēng)險評估,合理安排駕駛員作業(yè),具有重大意義[3,4]。此外,郭雄峰等[5]發(fā)現(xiàn)不平度的連續(xù)變化會引起車輛的隨機(jī)振動,局部突變則會引起車輛的瞬態(tài)振動,兩者共同作用時,振動通過車身懸架系統(tǒng)傳遞至人體也會引起其心理上的不舒適[5]。軍用越野汽車路線中,非鋪裝和越野路面占比較高,2種變化共同作用的概率高,采用加速度加權(quán)均方根值評價方法無法對車輛平順性進(jìn)行有效評價。

一些國家根據(jù)ISO 2631-1[3]和ISO 2631-5[4]2種標(biāo)準(zhǔn)提出了適合自己國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),例如巴西在2014年通過對2種國際標(biāo)準(zhǔn)的研究發(fā)布NR-15[6],該標(biāo)準(zhǔn)比國際標(biāo)準(zhǔn)具有更多的限制性,更符合巴西國情[7]。我國目前還沒有一種公認(rèn)的越野汽車在非鋪裝道路的平順性評價方法,還未提出符合我國實際情況的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),對于車輛試驗場道路的振動水平和路面對于駕駛員健康的影響仍有待研究。

本文根據(jù)ISO 2631-1和ISO 2631-5的試驗方法,在試驗場典型路面測試某越野汽車,研究不同的暴露時間與測試路面振動水平的關(guān)系,不同路面和振動方向?qū)θ藛T健康的影響,以及不同路面在2種標(biāo)準(zhǔn)下的差異性,為軍車駕駛員作業(yè)計劃的制定和越野汽車平順性方法的完善提供依據(jù)。

1 評價指標(biāo)研究

1.1 ISO 2631-1

ISO 2631-1常使用加權(quán)均方根(Root mean square,RMS)評價振動水平的大小,但當(dāng)波峰因子大于9時,徐中明等[8]研究表明應(yīng)使用振動劑量值(Vibration dose value,VDV)進(jìn)行評價。由測試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果,波峰因子在部分路段超過9。在該標(biāo)準(zhǔn)下,陳長等[9]指出VDV可以得到與人的真實感受更為一致的結(jié)果,并且在其設(shè)計的試驗中對此進(jìn)行了論證。本研究為了更準(zhǔn)確地評價各種試驗路況的振動水平,考慮使用VDV進(jìn)行評價。VDV計算公式如下[3,10]

(1)

(2)

式中:aw(t)為時間函數(shù)的計權(quán)加速度;T為測量時間。通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可以快速對采集的振動加速度信號按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行濾波,并求得計權(quán)加速度,從而利用MATLAB或者相關(guān)分析軟件,求得VDV。

1.2 ISO 2631-5

ISO 2631-5評估一種累積的振動風(fēng)險,其重點是對腰椎傷害的風(fēng)險評估,相比其他評價標(biāo)準(zhǔn)引入了暴露年限。該標(biāo)準(zhǔn)對于振動加速度峰值較為敏感,更加注重垂直方向的振動。在ISO 2631-5建議中,采用腰椎的壓縮應(yīng)力來評估振動對人體的影響,計算日等效壓縮靜態(tài)壓縮劑量值Sed過程如下:

(1)脊柱在座椅坐標(biāo)系X、Y、Z3個方向的響應(yīng)。

在X和Y軸方向脊柱響應(yīng)為近似線性,并以單自由度表示,腰椎響應(yīng)計算公式為[3]

(3)

式中:k取x或y;ζ=0.22,為臨界阻尼系數(shù);ωn=13.35 s-1,為固有頻率;νsk和νlk為座椅和脊柱的速度時間歷程;ssk和slk為脊柱相對于座椅的位移隨時間的變化。通過采集、傳輸、存儲、濾波和分析處理振動加速度信號,再進(jìn)行一次積分與二次積分,得到速度時間歷程與位移時間歷程曲線。

在Z方向計算時采用非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,其計算公式如下

(4)

(5)

式中:alz為Z軸方向脊柱響應(yīng);uj、Wj可參考ISO 2631-5的相關(guān)數(shù)值。

(2)加速度劑量值的計算。

加速度劑量值Dk計算公式如下[3]

(6)

式中:k取x、y和z;Aik為響應(yīng)加速度的第i個峰值。

式(6)為單次測量周期的日總暴露量,若當(dāng)日振動暴露包含2個或2個以上不同的振動類型,將會用日平均加速度劑量Dkd來表示,計算如下[4]

(7)

式中:tdj為每天暴露在j類型振動的時間;tmj為測量Dkj的時間。

(3)每日等效靜態(tài)壓縮劑量值。

等效靜態(tài)壓縮應(yīng)力表示壓縮應(yīng)力與脊柱峰值加速度響應(yīng)之間的關(guān)系,計算平均每日暴露時間的每日等效靜態(tài)壓縮劑量Sed公式如下[4]

(8)

式中:Dkd為平均日加速劑量,mk推薦數(shù)值為mx=0.015,my=0.035,mz=0.032。

1.3 ISO 2631-1 與 ISO 2631-5標(biāo)準(zhǔn)警戒值對比 與評價指標(biāo)選擇

將ISO 2631-1健康風(fēng)險的限值與ISO 2631-5健康風(fēng)險的限值進(jìn)行比較,采用高、中、低3個健康風(fēng)險水平表示[11]。表1列出2標(biāo)準(zhǔn)中RMS、VDV8h和Sed健康風(fēng)險級別的范圍?？紤]到當(dāng)前的研究趨勢是多軸的振動信息[12],而多軸信息不能通過簡單相加來表征乘員綜合感受,在計算時均應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)中提供的權(quán)重進(jìn)行多軸融合[13]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中每日振動暴露與健康風(fēng)險水平對比表

在測試中,VDV在3個方向僅存在細(xì)小的差異,在評價中常使用VSV來評價振動影響,VSV綜合3方向VDV,用VSV來評估全身振動更具有綜合性[14]。其計算公式如下

(9)

在ISO 2631-1標(biāo)準(zhǔn)中,VDV8h代表日常工作8 h的振動暴露。由于試驗場工作的特殊性,為了評估測試路面在不同暴露時間的振動水平,首先對測得的振動加速度按照不同間隔的暴露時間進(jìn)行處理,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義,引入VDVactual來代表不同暴露時間對應(yīng)的數(shù)值,其計算公式如下

(10)

式中:Tactual為實際暴露時間。

ISO 2631-1常使用RMS和VDVactual來評價振動水平的大小。標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631-5中使用Sed對振動結(jié)果進(jìn)行評價。

圖1 試驗樣車圖

2 實車試驗

2.1 試驗樣車

該試驗樣車為某型越野汽車,車況如圖1所示。試驗駕駛?cè)藛T為成年男性,熟悉試驗場各類型測試路況,已有14 a駕駛操作經(jīng)驗,體重75 kg,身高1.8 m。

2.2 測試儀器

根據(jù)ISO 2631-1與ISO 2631-5相關(guān)數(shù)據(jù)采集要求,將座墊加速度傳感器固定在駕駛員和座椅界面處的座墊表面進(jìn)行加速度測量,采樣頻率為160 Hz。采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司DH5902數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)實時傳輸至便攜式筆記本儲存。其測試及數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 測試及數(shù)據(jù)采集流程圖

圖3 測試車輛與部分路面圖

2.3 試驗設(shè)計與測試路面

測試車輛在設(shè)計的不同測試路面行駛,然后對座墊加速度傳感器采集的客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并與主觀感受評價相對比。測試路面、試驗速度與采樣時間如表2所示,試驗中經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口傳輸與存儲振動加速度信號,使用數(shù)據(jù)分析軟件對其進(jìn)行濾波和后續(xù)分析。實車試驗采集魚鱗坑路、不整齊石塊路、卵石路、山路、扭曲路、高速環(huán)路、整體強(qiáng)化路、越野路、彎曲砂石路振動加速度數(shù)據(jù),部分路面如圖3所示。

3 試驗分析

3.1 根據(jù)ISO 2631-1與ISO 2631-5研究暴露時 間對于健康的影響

根據(jù)ISO 2631-1與ISO 2631-5標(biāo)準(zhǔn),對不同路段測試數(shù)據(jù)按照不同暴露時間進(jìn)行處理,不同暴露時間的VDVactual和Sed處理結(jié)果見圖4和圖5。圖4和圖5表示9種測試路面的振動水平與不同暴露時間的關(guān)系。隨著暴露時間的延長,Sed曲線對應(yīng)斜率小于VDVactual所對應(yīng)的斜率,2種評價指標(biāo)與暴露時間的關(guān)系并不是線性關(guān)系。扭曲路所對應(yīng)的振動水平表現(xiàn)差異較大。ISO 2631-1標(biāo)準(zhǔn)中,扭曲路的振動評估值高于6種路面,但在ISO 2631-5中所表現(xiàn)的振動水平在最高警戒值之下,原因可能在于不同振動方向在2個標(biāo)準(zhǔn)評價中占比不同。數(shù)據(jù)也表明高速環(huán)路這類測試路面,盡管車速較快,但整體的振動水平隨著暴露時間延長,上升較為平緩。

圖4 所有測試路面不同暴露時間的VDVactual曲線圖

圖5 所有測試路面不同暴露時間的Sed曲線圖

圖4和圖5中越野路和彎曲砂石路暴露時間僅30 min時,振動水平遠(yuǎn)超過最高限值。在振動水平較低的路面,暴露時間延長不會使得風(fēng)險陡增。在振動水平高的測試路面,隨著暴露時間延長,風(fēng)險會上升很快。

3.2 試驗結(jié)果與對比

按照試驗場常規(guī)試驗規(guī)范,駕駛?cè)藛T的實際工作時間為3 h左右,下文分析將各路段暴露時間定為3h,定量地研究2種指標(biāo)的差異性和各測試路段振動水平對于駕駛員健康的影響。評價結(jié)果如表3所示,表3中標(biāo)紅處為超出最高警戒線的值。對于試驗場的典型試驗道路,振動沖擊普遍偏大,其波峰因子大于9,所以下文主要使用Sed與VDVactual對試驗進(jìn)行分析。

表3 ISO 2631-1與ISO 2631-5評價結(jié)果表

如表4所示,ISO 2631-5比ISO 2631-1的預(yù)測值更低,特別是魚鱗坑、卵石路、山路和扭曲路。為找出2種標(biāo)準(zhǔn)評價結(jié)果的差異性,將所有試驗測量的VDVactual與Sed值相對比。如圖6所示,3種路面的VDVactual在ISO 2631-1的最高警戒線下,5種路面的Sed在ISO 2631-5的最高警戒線下,這意味著ISO 2631-5在評價振動水平時,警戒線相比ISO 2631-1更高。一方面由于試驗場中類似卵石路與魚鱗坑,路基都較平整,對于車體的激勵大部分來自于路面不平度(路面特征),產(chǎn)生的激勵頻率更高,2種標(biāo)準(zhǔn)評價指標(biāo)對于不同頻率范圍的振動會有不同的表現(xiàn);另外,VDV由時間積分的四次方根經(jīng)過加權(quán)后得出,綜合性更強(qiáng),四次冪方法使得VDV對峰值較為敏感,Sed方法使用六次冪方法,這使得ISO 2631-5中的Sed方法相比VDV對峰值更加敏感。

表4 ISO 2631-1與ISO 2631-5的評估值比較表

圖6 VDVactual和Sed值對比圖

在振動評估中,除扭曲路以外,其余路面z方向振動水平普遍較大,對于人體的影響主要來自z方向的振動,這一點2種評價指標(biāo)相似。但是,對于扭曲路的評估值卻有較大的差異,ISO 2631-1評估值更大,這是由于ISO 2631-5重點考慮對于腰椎的靜壓縮強(qiáng)度,在z向計算時采用非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,隨著z向加速度增加,z向加速度占比就會越大。2種評價結(jié)果對比如圖7所示,2種評價指標(biāo)對于所有測試路面振動評估趨勢大致相同,盡管關(guān)注點可能有所區(qū)別,但2種標(biāo)準(zhǔn)仍具有較高的相似性。

圖7 評價指標(biāo)走勢對比圖

ISO 2631-1標(biāo)準(zhǔn)中的VDVactual計算了整個時間內(nèi)的頻率加權(quán)加速度的和,而ISO 2631-5重點考慮加速度峰值對人體的健康影響,下限值較ISO 2631-1高。通過上述對比和暴露時間與振動水平的關(guān)系可以看出采用Sed評價時,所表現(xiàn)的振動水平更加符合試驗場實際情況。另外,當(dāng)越野汽車高速運行時,振動較為嚴(yán)重,對于垂直振動水平高的環(huán)境,使用ISO 2631-5標(biāo)準(zhǔn)中的Sed作為評價指標(biāo)更加適合。研究扭曲路等特殊路面對于健康的影響,推薦采用ISO 2631-1中的VDV作為評價指標(biāo)。

3.3 某型越野汽車主觀評價

主觀評價的打分原則遵循簡化的通用汽車統(tǒng)一測試規(guī)范(General motors uniform test specificatiaos,GMUTS)主觀評價標(biāo)準(zhǔn),將該軍用越野車型主觀評價分?jǐn)?shù)匯總,如表5所示。表5中各項已計算評審人員評分平均值。圖8為主觀評價數(shù)值走勢圖。

表5 該軍用越野車型的主觀評審分?jǐn)?shù)表

圖8 主觀評價數(shù)值趨勢圖

由表5與圖8可知,高環(huán)路面整體振動較低,主觀評價分?jǐn)?shù)較高,分?jǐn)?shù)較低的路面為越野路與彎曲砂石路。在主觀評價中,車內(nèi)乘員振動感覺最為強(qiáng)烈的部件為座椅坐墊,這與軍用越野汽車設(shè)計方法與用途有很大關(guān)系。主觀評價與2個評價標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的走勢一致性較好,客觀數(shù)據(jù)與主觀評價都表明某型越野汽車在越野路振動較大,對人體的影響較大,長時間行駛于越野路面易造成人體疲勞與損傷。

3.4 不同路面對整體強(qiáng)化路貢獻(xiàn)度分析

在定遠(yuǎn)汽車試驗場中,整體強(qiáng)化路由許多類型的路面構(gòu)成,主要包含魚鱗坑、不整齊石塊路、卵石路、山路和扭曲路。以整體強(qiáng)化路作為1個總研究目標(biāo),然后分別將5種典型路面拆解單獨分析。對5種組合路面的振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,所得結(jié)果再與整體強(qiáng)化路所得的振動數(shù)值進(jìn)行對比,便可以獲得不同路面對于整體的影響,即不同路面對于整體路面的貢獻(xiàn)度。

實車試驗采用控制變量法。第1步,先測試整體強(qiáng)化路,測試時5種組合路面盡可能保證測試時間近似,5種測試路面組合在一起構(gòu)成整體路面,按照ISO 2631-5振動水平評估值與時間的關(guān)系,處理振動加速度數(shù)據(jù),Sed等于0.865 MPa。第2步,單獨研究整體強(qiáng)化路所采集的5段標(biāo)準(zhǔn)測試路面,按照總測試時間和每種路面測試采樣時間,計算每一段路面的Sed值,并與整體強(qiáng)化路進(jìn)行比較,從而研究組合路面對于整體的貢獻(xiàn)度,各項試驗處理數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 5段標(biāo)準(zhǔn)路面與整體強(qiáng)化路Sed對比圖

由圖9可知:不整齊石塊路的Sed為0.85 MPa,其振動水平評估值占整體強(qiáng)化路的98.27%;扭曲路的Sed為0.41 MPa,占整體強(qiáng)化路的47.40%。由圖4可知,在上述5種路面暴露時間均為30 min時,不整齊石塊路振動水平仍然接近整體強(qiáng)化路的振動水平。這表明,整段道路的振動水平并不是由不同分段線性相加的,當(dāng)整體道路有1段路面振動暴露過大時,整體的振動水平也會居高不下,而較低的振動水平對于整體的貢獻(xiàn)較小。

3.5 x與y方向振動加速度對指標(biāo)的影響

在測試時扭曲路行駛速度為15 km/h,在9種測試路面中測試速度最慢,但扭曲路振動水平評估數(shù)值仍然較大,在常規(guī)平順性方面認(rèn)為路面情況較好,道路扭曲可能并不會對健康造成影響。但是,從表3、表4、圖4、圖5和圖9的數(shù)據(jù)分析可知,扭曲路x、y方向的振動加速度對于人體仍然有較大的影響。由上文可知,越野汽車在振動水平評估時,x與y方向加速度對振動評估值的貢獻(xiàn)也占有重要地位。在傳統(tǒng)越野汽車的評定中,很少有相關(guān)的試驗和要求,如果進(jìn)行相關(guān)試驗需要保證試驗的重復(fù)性和可靠性。在試驗場的測試路段中,扭曲路面對于x、y方向的加速度測試較為便利,且路面特征明顯,可以較好地反映x與y方向?qū)τ谌梭w的影響。建議使用扭曲路對越野汽車在x與y方向的振動加速度進(jìn)行測量,后期可以針對類似路面對x與y方向的振動影響進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)ISO 2631-1和ISO 2631-5標(biāo)準(zhǔn)對某軍用越野汽車駕駛員的全身振動暴露進(jìn)行評估。測試結(jié)果根據(jù)2種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理,將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的警戒值進(jìn)行對比,研究了2種評價標(biāo)準(zhǔn)的差異。得到以下結(jié)論:

(1)在高振動水平路面駕駛某型車輛時,駕駛員有較大的健康風(fēng)險,隨著暴露時間的延長,駕駛員所面臨的的風(fēng)險會快速上升。

(2)測試數(shù)據(jù)顯示,Sed對于峰值最敏感,VDV次之。ISO 2631-5更適用于高幅值的路面評估。需綜合考慮x、y方向的振動對健康影響時,例如針對類似扭曲路的路面,VDV評價更加合適。

(3)組合測試道路的整體振動水平評估值的大部分貢獻(xiàn)來自于高振動水平路段,當(dāng)有較大振動沖擊時,整體的振動評估值就會居高不下。

(4)研究發(fā)現(xiàn),在x和y方向的加速度對于人體健康影響占有不小的比重,在常規(guī)的平順性與健康舒適性評價中應(yīng)該被重點考慮,對于相關(guān)的平順性試驗也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的完善。

本文研究了某型車輛的振動水平大小與2個標(biāo)準(zhǔn)的差異,但無法準(zhǔn)確獲取某型軍用越野汽車駕駛員是否有相關(guān)疾病的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在ISO 2631-1和ISO 2631-5中,未量化振動水平對健康影響的大小,本文研究有助于制定符合我國國情的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。