吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室組譯，李杰教授領(lǐng)銜翻譯，郭孔輝院士為手冊作序。

本文摘編自《車輛系統(tǒng)動力學(xué)手冊 第2卷，整車動力學(xué)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社出版

18.4 越野車輛的平順性

平順性與地面不平度激勵下車輛振動和車輛振動對駕駛員和乘員的舒適性影響有關(guān)。為了評價越野車輛平順性，對人體對振動的響應(yīng)、地面不平特性、車輛振動行為建模有基本理解是必不可少的。

18.4.1 乘坐舒適性標(biāo)準(zhǔn)

多年以來，大量研究致力于定義人體全身振動暴露可接受界限。已經(jīng)提出了平順性標(biāo)準(zhǔn)，其中國際標(biāo)準(zhǔn)IS02631應(yīng)用最為廣泛[1,20]。其考慮了對人體振動響應(yīng)最重要的四種物理因素，即振動的強(qiáng)度、頻率、方向和持續(xù)時間(暴露時間)。國際標(biāo)準(zhǔn)IS02631-1:1985(E)于1985年發(fā)布，定義了全身振動的三個界限，頻率范圍為1~80Hz

1.疲勞-工效降低界限

這個界限是指超過振動暴露的界限，在許多任務(wù)中，如車輛駕駛，視為具有明顯降低工作效率的風(fēng)險。

2.暴露極限(健康或安全)

暴露極限是關(guān)于頻率和暴露時間的函數(shù)，具有與疲勞-工效降低界限相同的一般形式，但是相應(yīng)的界限值提高了2倍(高6dB)。沒有特殊的理由和預(yù)防措施，不建議超過這個界限。

3.舒適降低界限

通過降低相應(yīng)的疲勞-工效降低界限值3.25倍(低10dB)，得到舒適降低界限值。在運輸業(yè)中，舒適降低界限與如吃、讀和寫等活動造成的困難相關(guān)。最新版本的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631-1:1997(E)發(fā)布于1997年，推薦使用頻率加權(quán)加速度均方根值(rms)在0.5~80Hz范圍評價全身振動對健康、舒適和感知的影響，在0.1~0.5Hz范圍評價對運動病的影響。在最新的版本中，不再包含振動對人體性能的潛在影響，即前一個版本中的疲勞-工效降低界限。峰因子定義為頻率加權(quán)加速度最大瞬時峰值與其均方根值之比，對于峰值因子小于9的振動，表18.2給出了振動幅值與舒適性的關(guān)系[20]

“吸收功率”代表了單位時間內(nèi)傳遞到人體的振動能量，也被提出作為評價人體對振動承受能力的一個重要參數(shù)。其用于評價軍用車輛在崎嶇地面的平順性，尤其是在美國?，F(xiàn)在，駕駛員位置的承受界限為吸收功率6W。平順性極限車速取為駕駛員總時間內(nèi)平均吸收功率達(dá)到持續(xù)6W的車速。對于具有高峰值因子表征的振動環(huán)境，垂直峰值加速度通常與吸收功率一起使用評價平順性。推薦的駕駛員座椅下地板的峰值加速度界限為2.5g。

18.4.2 地面不平度的描述

為了預(yù)測地面不平度激勵的車輛振動，通常使用兩種方法定義地面。如果研究車輛振動的時間歷程，則測試地面輪廓直接作為車輛振動分析的輸入，這種類型的分析通常稱為時域分析。通過處理車輛振動的時間歷程，可以獲得振動譜從而可以確定振動強(qiáng)度，如加速度均方根與激勵的關(guān)系。另一種方法將地面輪作為隨機(jī)函數(shù)，利用功率譜密度作為空間頻率的函數(shù)表示[1。對于線性車輛系統(tǒng)，通過傳遞函數(shù)，可以預(yù)測在地面不平度(輸入)激勵下的車輛振動(輸出)，這種類型的分析通常稱為頻域分析。許多情況說明，地面輪功率譜密度和空間頻率的關(guān)系可以近似為

18.4.3 越野車輛行駛動力學(xué)建模

越野輪式車輛行駛動力學(xué)建模方法與道路車輛類似。既然道路車輛行駛動力學(xué)已經(jīng)在本書的其他章節(jié)廣泛包含，在此不再重復(fù)敘述在一些方面，履帶車輛行駛動力學(xué)建模與越野輪式車輛類似，因為它們具有類似的懸架單元，如彈簧和減振器。然而，由于帶包裹著負(fù)重輪、鏈輪、惰輪和支撐輥輪，增大了復(fù)雜性，如圖18.22所示。

履帶是在車輛簧載和非簧載部件之間傳遞質(zhì)量的機(jī)構(gòu)，是具有可變剛度的彈性單元，是地面輪廓濾波器，也是附加阻尼和能夠引起自身振動的附加系統(tǒng)。在現(xiàn)有的履帶車輛行駛動力學(xué)模型中，各種假設(shè)用于建立帶的模型。在一些模型中，履帶理想化為連續(xù)柔性帶，不可伸長或可伸長但具有已知縱向剛度。而在其他情況下，假設(shè)履帶為具有銷或橡膠襯套的剛性連接系統(tǒng)。

履帶張力分布有各種假設(shè)，從假設(shè)履帶張力為常數(shù)，到假設(shè)負(fù)重輪之間的帶張力等步長增大或減小，再到假設(shè)履帶張力連續(xù)變化，這些都在帶車輛行駛動力學(xué)模型中使用過[22,23]。然而，現(xiàn)有模型沒有考慮履帶和地面的剪切作用產(chǎn)生的履帶張力沿履帶變化。

在早期的車輛動力學(xué)模塊中，如北約的參考機(jī)動性模型(NEMM)中的VE-HDYN，履帶按以下步驟建模

1)如果地面輪廓與鏈輪(或惰輪)和相鄰負(fù)重輪的切線干涉，則履帶將發(fā)生變形與輪廓相符。這種變形會使得履帶應(yīng)力增大，將通過鏈輪(或惰輪)和負(fù)重輪傳遞到車輛上。通過假設(shè)一個虛擬線性彈簧垂直作用在鏈輪(或惰輪)和負(fù)重輪之間，估計履帶張力的增加。這個彈簧產(chǎn)生的力由其剛度和垂直于鏈輪(或惰輪)和負(fù)重輪之間切線的履帶最大變形決定。彈簧力與帶張力方向相反。一旦計算出履帶張力，傳遞到鏈輪和負(fù)重輪的力與力矩就可以容易確定。2)負(fù)重輪之間相對位移也會導(dǎo)致履帶變形，產(chǎn)生的帶張力增加在移動的負(fù)重輪上產(chǎn)生恢復(fù)力。這種行為通過一個垂直約束的虛擬線性雙向彈簧建模。如果負(fù)重輪相對于相鄰負(fù)重輪產(chǎn)生移動，則虛擬彈簧將產(chǎn)生垂直恢復(fù)力，大小與相鄰負(fù)重輪相對位移成正比。

一種增強(qiáng)的NRMM車輛動力學(xué)模塊，VEHDYN4.0在2008年發(fā)布[251應(yīng)當(dāng)指出的是，現(xiàn)有履帶車輛行駛動力學(xué)分析都是基于剛性地面(不變形)假設(shè)的。試驗證明，這些模型只在具有離散障礙或特定輪廓的剛性地面使用。18.23給出了裝甲運兵車使用不同履帶模型駛過剛性地面6in障礙的駕駛員座椅垂直加速度的試驗和預(yù)測結(jié)果的比較[22]。在圖18.23中，履帶模型#1假設(shè)履帶張力為初始張力與履帶拉伸產(chǎn)生的張力之和;帶模型#2，鏈輪和惰輪之間的履帶凹陷通過二次多項式表示，包含在動態(tài)履帶載荷評價中;帶模型#3類似于履帶模型#2，除了履帶凹陷建模不同，基于經(jīng)典懸鏈線法建立;帶模型#4基于前面提到的 VEHDYN 早期版本建模。

應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然履帶車輛通過不平剛性地面的平順性可以作為比較不同懸架設(shè)計的基礎(chǔ)，但是不能表示履帶車輛在實地行駛的行為。Caterpilar進(jìn)行的D8L履帶拖拉機(jī)實地振動行為的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該考慮土壤的動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的影響[26]

應(yīng)當(dāng)提到的是，近年出現(xiàn)了一些多體動力學(xué)計算機(jī)軟件包，如ADAMS和DADS，已經(jīng)用于仿真輪式車輛和履帶車輛通過障礙或粗糙剛性地面的動態(tài)行為具有令人鼓舞的結(jié)果。

總之，根據(jù)前面的簡短討論可知，針對越野車輛通過不平剛性地面的行駛動力學(xué)研究已經(jīng)開展了大量工作，取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。然而，針對越野車輛在變形地面的行駛動力學(xué)的研究目前還很少，這些地面的輪可能因通過車輛載荷引起變化，地面的剛度和阻尼可能對車輛的振動具有重要影響。

18.5 結(jié)論

1)近年出現(xiàn)了全面和現(xiàn)實的計算機(jī)仿真模型，用于預(yù)測和評價越野輪式車輛和履帶車輛在未準(zhǔn)備地面的性能(機(jī)動性)。其考慮了所有主要的車輛設(shè)計參數(shù)和相關(guān)的地面特性，這些模型的基本特點都通過場地試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。因此，在未準(zhǔn)備地面上，這些計算機(jī)仿真模型可以比之前的經(jīng)驗方法和半經(jīng)驗方法

提供更加真實和準(zhǔn)確的車輛性能(機(jī)動性)預(yù)測結(jié)果。2)最近研發(fā)了履帶車輛在硬地面上的滑移轉(zhuǎn)向廣義理論。應(yīng)用這種新理論預(yù)測的履帶車輛轉(zhuǎn)向行為與場地測試數(shù)據(jù)非常相似，對已有方法提供了重要改善。推薦通過進(jìn)一步研究擴(kuò)展這種理論，用于預(yù)測和評價履帶車輛在變形地面的轉(zhuǎn)向行為，其中地面變形可能是顯著的。

3)近年越野車輛行駛動力學(xué)的研究取得了很大進(jìn)步，包括行駛在不平剛性硬地面上的輪式和履帶車輛。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步將這些模型擴(kuò)展，用于預(yù)測在變形地面上越野車輛的行駛動力學(xué)。其中，地面輪會因為車輛載荷發(fā)生顯著改變，地面的動態(tài)剛度和阻尼可能對車輛振動產(chǎn)生很大影響。

本文摘編自《車輛系統(tǒng)動力學(xué)手冊 第2卷，整車動力學(xué)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

本叢書對車輛系統(tǒng)動力學(xué)建模、分析與優(yōu)化，車輛概念和空氣動力學(xué)，充氣輪胎和車輪-道路/越野，車輛子系統(tǒng)建模，車輛動力學(xué)和主動安全，人機(jī)相互作用，智能車輛系統(tǒng)，以及車輛事故重建被動安全進(jìn)行了全面描述。

本叢書由來自23所大學(xué)與9家知名企業(yè)的50余位專家共同編寫，以科學(xué)界與工業(yè)界的視角對知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平衡，代表了目前車輛系統(tǒng)動力學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平，適合汽車工程師與汽車專業(yè)師生閱讀使用。