李毅 兀光波 武海明 夏宝清 王学友 丰烨

1.中国兵器工业第五二一研究所，西安 710065;2.河北省承德市承德石油高等专科学校汽车工程系，067000

特种车辆驾乘人员作业环境的振动测试与分析

李毅1兀光波1武海明1夏宝清1王学友1丰烨2

1.中国兵器工业第五二一研究所，西安 710065;2.河北省承德市承德石油高等专科学校汽车工程系，067000

目的 对某型特种车辆行车状态下驾乘人员座椅部位振动进行测试，分析座椅部位的振动特点，提出相应的振动防护措施。方法选用某型特种车辆A、B进行陆地行驶试验，对驾乘人员座椅部位振动加速度进行测试，分析相应的“疲劳-降低工效界限”的允许暴露时间Tfd的变化规律。结果/结论 被测座椅部位振动对应的Tfd呈现明显的方向性差异，驾驶员座椅部位振动环境最为恶劣，需重点提高对驾驶员座椅部位前后方向振动的防护水平。

特种车辆；座椅部位振动；允许暴露时间；振动防护

引言

特种车辆驾乘人员作业环境中的振动伴随着行车作业的整个过程，引起车辆振动的因素很多，包括路面激励、牵引负荷、车辆的行动装置、动力装置等。由于特种车辆作业环境的特殊性，车辆的振动体现出的更多是一种随机振动，描述随机振动基本特性的主要统计参数有均值、均方根值、概率密度函数和功率谱密度函数等[1,2]。一般的试验研究中对车辆振动的主观感受的衡量通常用乘坐舒适性来表示。在评价振动对乘坐舒适性的影响时根据四个重要的物理因素，即强度、频率、方向和承受时间，国际上通用的舒适性评价标准综合这四个因素制定出评价的3个基本指标，包括保持工作效率（疲劳-降低工效界限）、保持健康和安全（暴露界限）和保持舒适性（降低舒适性界限）[3,4]。本试验研究根据相关标准选取“保持工作效率”作为评价准则。通过实车测试座椅部位振动加速度均方根值等指标分析陆地行驶试验中因振动方向、测点位置以及车速的不同，驾乘人员“疲劳-降低工效界限”的允许暴露时间（以下简称允许暴露时间）的变化特征，并提出提高特种车辆驾乘人员振动防护水平的措施。该研究对于指导特种车辆的科学作业和人员作业环境的振动防护设施设计具有重要意义。

1.试验方法

试验道路为平直、路面干燥、纵坡不大于1%的水泥混凝土路，长度不小于1km。设计试验车速为40 km/h、60 km/h和80 km/h，车速允许偏差为试验车速的±5%。被试车辆为A、B两个型号的特种车辆，车辆运行状况良好，试验中为满载行驶[5]。两辆车在相同的试验条件下分别进行陆地行驶试验，每辆车的被试人员包括驾驶员和乘员各1名，人员健康状况良好。振动传感器布置于驾驶员和乘员座椅面上，试验时驾乘人员保持正常乘坐姿势，全身放松，背部靠于座椅靠背[5,6]。本次试验共采集座椅部位x、y和z三方向振动信号，x对应车辆前后方向，y对应车辆左右，z对应车辆垂向。

试验选用坐垫式振动传感器4个，量程均为±50g，频响为1k，分辨率为1mg，试验使用的振动信号测试与分析系统可进行振动波形的时域分析和频域分析，提取振动加速度、均方根值、方差、1/3倍频带中心频率振动加速度均方根值等参数。该测试与分析系统由前端的数据采集单元和后端的后处理分析单元组成，系统组成如图1所示。

图1 振动信号测试与分析系统组成图

2.试验分析

2.1 数据处理

根据人体对振动承受的特点，GJB 59.15-88推荐了运用三方向合成振动评价和运用单方向振动进行评价两种方法，均适用于特种车辆的陆地行驶振动测试试验，前一种方法要求横向振动加速度加权均方根值最大值的1.4倍与纵向振动加速度加权均方根值的最大值近似，不适用于本次试验的数据，故本试验的数据分析选用后一种方法。这里的纵向为车辆的垂直方向，横向为水平的x方向和y方向。在运用单方向振动进行试验数据分析时，需按如下方法获取单轴向1/3倍频带中心频率振动加速度均方根值awj和相应的允许暴露时间Tfd。

awj= aj· wj， 其 中 aj为 中 心 频 率为fj的1/3倍频程带宽均方根值（m/s2,j=1,2,…… 20）；wj为与振动方向及中心频率有关的加权因子[5]，如表1所示。

表1 与振动方向及中心频率有关的加权因子表

对各测点的振动时域信号进行1～80Hz频段的频域分析，得采样时间段内单轴向1/3倍频带中心频率振动加速度均方根值a j，图2为经动态数据后处理分析得到的单轴向a j值谱图中的一组。

图2 A车驾驶员座椅部位振动x方向a j值谱图（40km/h）

依据上述公式得两辆被试车驾乘人员座椅部位单轴向1/3倍频带中心频率振动加速度均方根值的最大值a max ，如表2和表3所示，并参照相应标准获取“疲劳-降低工效界限”的允许暴露时间，如表4和表5所示。

表2 A车座椅部位1/3倍频带振动加速度加权均方根值最大值

表3 B车座椅部位1/3倍频带振动加速度加权均方根值最大值

表4 A车座椅部位振动的允许暴露时间

表5 B车座椅部位振动的允许暴露时间

2.2 结果分析与结论

A车的驾驶员位在三个轴向上对应的允许暴露时间以z方向最长，y方向次之，x方向最短。乘员座椅部位三个轴向上对应的允许暴露时间在z方向最长，x方向次之，y方向最短。B车的驾驶员位在三个轴向上对应的允许暴露时间亦以z方向最长，y方向次之，x方向最短；B车的乘员座椅部位三个轴向上对应的允许暴露时间也呈现z方向最长，x方向次之，y方向最短。试验数据表明，在车辆前后方向即x方向最快达到人体的“疲劳-降低工效界限”。

随着试验车速的提高，驾驶员座椅部位z方向振动对应的允许暴露时间出现较大幅度下降，对x方向和y方向允许暴露时间影响较小；车速变化对乘员座椅部位振动的允许暴露时间影响不大。图3、图4分别为A车和B车驾驶员座椅部位振动在三个轴向上随车速变化的允许暴露时间对比图。

图3 A车驾驶员座椅部位振动允许暴露时间对比图

图4 B车驾驶员座椅部位振动允许暴露时间对比图

综上所述，各座椅部位振动对应的允许暴露时间均呈现出明显的方向性差异，两辆被试车相同作业工位的座椅部位振动对应的允许暴露时间呈现出变化规律的一致性。被试特种车辆驾驶员座椅部位前后方向的振动环境较为恶劣，车速变化对驾驶员座椅部位z方向的振动影响较大。

3.讨论

振动激励经车体的减振系统减振后传递至不同座椅部位时出现差异，这与整个车体的结构特征和车内作业工位的布局不同有很大关系。受技术水平的限制，降低发动机本身的振动强度具有较大难度，一般采用在动力舱与人员作业舱之间进行隔振设计的减振方法[7,8]。特种车辆实车振动测试分析是进行车身振动环境评价的重要方式，该阶段要进一步提高作业人员的乘坐舒适性和作业工效，可通过改进座椅系统减振效能来吸收振动能量。由于特种车辆不同座椅位置的振动状况不同，若采用一种性能固定的座椅显然不能满足不同位置的减振要求。通过本次试验发现，根据不同座椅部位振动的特点对座椅系统进行有针对性的减振设计是十分必要的。对于本次试验条件下的特种车辆应重点加强该型车驾驶员座椅系统的减振性能，特别是驾驶员座椅部位振动在车辆纵向的衰减程度。

研究表明，一种钢丝绳减震器可利用钢丝绳之间的干摩擦产生的滞迟阻尼消耗行车中的振动载荷，具有三维隔振功能，优势频带宽，能充分体现减震的非线性及振动过程中的耗能特性[9]。此外，座椅安装腰托装置比弹性元件更能够改善人体腰部的支撑，有利于提高驾乘人员的乘坐舒适性,从而提高作业工效。座椅与车辆的连接部位增加柔性约束装置也可在一定程度上降低座椅系统的振动传递率。此外，可开展具有减振和缓解肢体疲劳功能的新型作业服装或护具的研究，以消除或缓解特种车辆作业人员因持续承受振动出现的人体不适症状。今后应重点开展特种车辆三维隔振座椅的设计研制，并使座椅在x、y、z三个方向的振动传递率可调，对于提高减振座椅在不同车辆上的适应性，同时提高不同位置驾乘人员的乘坐舒适性具有重要的实践价值。

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Vibration Measurement and Analysis for Operation Environment of Special Vehicle’s Drivers and Passengers

Li Yi1Wu Guangbo1Wu Haiming1Xia Baoqing1Wang Xueyou1Feng Ye2
1.521 Institute of China Weapon Industry ，Xi’an,710065；2.Automobile Engineering of ChengDe Petroleum College,HeBei ChengDe， 067000

Objective : to test drivers and passengers’ seat surface vibration in the process of driving, analyze the vibration characteristics and propose vibration protection measures.Methods: to measure vibration acceleration of seat position by having road test for special vehicle A and B, test and analyze the vibration acceleration of drivers and passengers'seat surface ,and analyze the change law for corresponding exposure time of fatigue-ergonomics lower limits(Tfd) .Results/Conclusions: the Tfd of corresponding seat surface presented obvious directional differences, vibration environment of the driver seat was worse, so the key should be improving vibration protection level of the driver seat.

special vehicle; seat surface vibration; the exposure time; vibration protection

U 467.1+1

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.078

李毅（1984-），女，陕西西安人，工学硕士，助理工程师，主要从事车辆人-机-环境系统工程研究。