公路路面驾乘舒适性评价研究【推荐论文】 .doc

精品论文公路路面驾乘舒适性评价研究张金喜，王锋（北京工业大学，交通工程北京市重点实验室，北京，100124）5摘要：基于加权加速度均方根值和人体舒适性的关系，研究不同磨擦系数、不同平整度、不 同速度下的加速度和人体主观感受。对室外沥青混凝土普通公路路段和室内驾驶模拟舱所 测得的大量数据进行统计分析，得到在一定的磨擦系数条件下的平整度、速度和加速度的 关系，归纳出反映驾乘人员舒适性的回归方程，并给出了在满足驾乘舒适性的条件下，最10大行车速度和路面平整度之间的关系，为工程应用提供了重要参考依据。关键词：道路工程;公路路面;驾乘舒适性;加权加速度均方根;最大行驶速度中图分类号：u491research on evaluation of riding comfort for the highway15pavementzhang jinxi, wang feng(beijing key laboratory of transportation engineering, beijing university of technology,beijing 100124)abstract: basing on the relationship between mean square of weight acceleration and human body20comfort, the paper conducts a research on the correlation between acceleration and humans subject feeling in the context of different friction coefficient, roughness and speed. firstly, the writers made a regression analysis basing on a great amount of data from driving simulator and surveys on general asphalt pavements. then the relationship between roughness, speed and acceleration under fixed friction coefficient was figured out. at last, a regression function which25reflects the drivers riding comfort was established; meeting the riding comfort of a driver, thefunction indicates the relationship between the maximum driving speed and roughness of asphalt pavement. this research can provide a reference for the practical project.key words: road engineering; highway pavement; riding comfort; mean square of weighed acceleration; maximum driving speed300引言道路条件、车辆条件、路侧环境条件通过行驶中的汽车加速度、速度、振动等因素作用 于人体，使驾乘人员形成的某种心理、生理上的主观感觉称为驾乘舒适性。由上述定义可知 驾乘舒适性是驾乘人员心理生理上的主观感觉，其舒适性可以利用驾乘人员所感受到的振动35加速度作为舒适性评价指标。汽车以一定的速度在路面上行驶时，车体振动主要由两方面产 生：一方面由发动机传动系统的振动引起的，其振动频率较高，对人体舒适性影响较小；另 一方面是由于公路路面的不平整，以及车辙、线形、车辆制动引起的，这种振动频率多在 l20hz，乘客振动舒适性主要受它的影响1。 驾乘人员的舒适性主要取决于其在行驶的汽车内所承受的总的加速度，这种加速度是由40沿汽车行驶方向（x 向）、汽车左右方向（y 向）和垂直于座椅方向（z 向）三个方向的加 速度所决定的，根据国际标准：人体承受全身振动的评价指南（iso2631-1: 1997）2，这种 评定人体舒适性的总加速度称为“加速度加权均方根”，其计算公式如式(1)所示：基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目（项目编号：20091103110008）作者简介：张金喜(1965-),男,教授,主要研究方向:道路工程材料,道路交通安全. e-mail: - 10 -a =(1.4a)2 + (1.4a)2 + a 2(1)加速度加权均方根w xw yw zw45-x（纵向）、y（竖向）、z（横向）轴的加速度均方根 同时指南还规定了加速度加权均方根值和人体舒适性主观感受、舒适度的对应关系，如表 1 所示。表 1 加速度、主观感受、驾驶舒适性相关表table 1 relation between acceleration and subjective sensitivity and drive comfortableaw（m/s2）2.0主观感受没有不舒服一些比较不舒服很不舒服极不舒服舒适度1.00.2050随着人们生活水平的提高，对驾乘舒适性也提出了更高的要求。但是，驾乘舒适性方面的研究并不深入。首先，驾乘安全性和舒适性相比，人们首先会考虑安全性问题，如我国 对道路路线设计方面的很多研究基本上都是出于安全性考虑的3,4；其次，影响驾乘舒适性 的原因很多，如果把人、车、路和环境全部考虑进来进行研究，将很难对各个因素进行量化， 解决上述问题涉及到比较复杂的车辆5,6,7 和路面模型，国内外的研究人员虽经过长期的努55力，但目前仍没有提出比较科学合理的解决方法，往往仅考虑单一因素8,9,10；再次，舒适 性很难进行量化，给研究带来一定的困难，研究者主要通过主观评价的方法来进行简单的定 量研究。该文研究核心是如何设计合理的实验，把路面以外的其它影响驾乘舒适性的因素隔离出 来，在测得室外及室内实验数据的基础上，用精确的数学方法描述路面各主要因素对驾乘舒60适性的影响，并建立二者定量的数学关系，进而为道路建设、道路维护、道路路面建设质量 评价等提供可靠的借鉴和参考。1实验方案设计1.1实验设备室外实验设备包括实验车、多功能激光路况检测仪、动态磨擦系数测试仪和振动加速度65测试仪器（主要包括座垫式三轴向加速度计、信号调理器、信号采集仪和 e-tsetlab 信号分 析软件系统）；室内设备主要包括驾驶模拟舱（模拟真实路面的情况和驾乘人员的心生理感 受）和振动加速度度测试仪。实验设备及试验场景如图 1 和图 2 所示。a)多功能激光路况检测仪和实验车b)动态磨擦系数测试仪c)振动加速度测试仪70图 1 室外实验设备fig.1 outdoor experiment equipmenta)驾驶模拟舱b) 振动加速度测试仪c)实验场景75图 2 室内实验设备fig.2 indoor experiment equipment1.2实验方案808590951001051.2.1室外实验方案（1）实验道路选择 所选道路为北京通州、大兴和房山地区的普通公路，包括国道、省道、县道和乡道共92 条，道路要求平直，纵坡不大于 1%，路面干燥；以最内侧车道作为主要检测车道；选择交 通量较小的时段进行测试；同一路段平整度均匀无突变，不同试验路段平整度有明显差异； 试验路段长度不小于 3km，两端有 30-50m 的稳速段；所选道路两侧景物基本一致。（2）实验车速 为了保证驾乘人员的安全，考虑外界非处理因素的影响，并便于方便比较实验数据结果，要求本实验车速不能过大也不能过小，同时也要求满足前后车速应该有一定的梯度，因此，试验车速选择 30、50、70kmh；实验时要求匀速行驶，控制车速偏差为试验车速的4%。（3）实验汽车状况 以载人小汽车作为研究对象，且不大于七座，而载货汽车主要以运送货物为主，不在本研究的范围之内。考虑到在对舒适性进行实验的同时，需要在车上悬挂仪器测量一系列的道 路特征参数，因此，本实验采用北京吉普小汽车作为试验车。（4）实验人员驾驶员：年龄在 2545 之间，拥有 3 年以上驾龄，技术熟练且身体健康的男性；乘客： 年龄在 2545 之间，不晕车，身体健康。（5）实验测试数据 测试数据包括：多功能激光路况检测仪测试实验车的车速和道路路面的平整度、动态磨擦系数测试仪测试动态磨擦系数、振动加速度测试仪测试每段道路乘客的加速度、人工方法 测试路面破损度。1.2.2室内实验方案（1）模拟路面平整度、磨擦系数及实验车速的设定 由于一般的实际路面状态都是十分复杂的随机波形，在国际刊物和出版的论文专著中，很多学者及研究人员提出用波形函数来描述不平整道路的路面，特别是美国的 mw.syaers 在其论文中提出了用正弦函数表征不平整的路面，长安大学宋永刚在对道路平整度研究时也 用此方法进行阐述11,12。其平整度 iri 可以通过国际平整度标准计算程序计算得到13。因此 在路面波形的分析中最简单的方法是认为路面形状可以用确定性的函数来描述。其方程可以 表示为式(2)。其中： z y (t) z (t) = asin wt = asin(2p x )y l(2)110115120实际路面距路面设计线的纵向距离（mm）；a 正弦波路面的振幅（mm）；l 正弦波路面的波长（m）。 根据上述思想，实验室路面设计成如图 3 的形式。图 3 实验室路面设计图fig.3 laboratory pavement design为了更好的补充路外实验 iri 分布范围较窄的不足，根据国际道路协会常设委员会（piarc）对路面波长的划分14，本次实验共设计四种平整度路面，路面振幅为 50mm，波 长分别为 5m、15 m、30 m 和 45 m，分别涵盖了短、中、长波，并使四种路面的平整度在 比较大的范围内分布，四种路面的平整度计算数值如表 2 所示。表 2 路面平整度与实验速度对应表table 2 roughness and experimental speed波长/波幅5m/50mm15m/50mm30m/50mm45/50mmiri（mm/m）75.7711.783.051.35实验车速（km/h）10、20、30、40、50、60、7050、60、70、80、90、100、11040、50、60、70、80、90、10040、60、80、90、100、120、140125130135根据对室外道路动态磨擦系数的调查，0.3df0.5 ，aw 与 iri、v 关系分析 同样的，对三者数据进行线性回归，得到回归方程（4），相关系数 r=0.932，判定系数 r2=0.869，调整的判定系数 r2=0.856，可以看出样本的回归效果较好。1853.2室内实验结果分析aw = 0.173iri + 0.01v - 0.717(4)3.2.1室内驾乘舒适性分析测试 iri=11.78、3.05 和 1.35mm/m 时的加速度，得到表 6 至表 8 和图 6 至图 11。表 6 当 iri=11.78 时 v 和 aw 对应表table 6 test result of v and aw when iri=11.78v（km/h）405060708090100aw（m/s2）1.2831.3521.4161.4851.5561.6051.689主观感受不舒服不舒服不舒服不舒服不舒服不舒服很不舒服舒适度0.2190表 7 当 iri=3.05 时 v 和 aw 对应表table 7 test result of v and aw when iri=3.05v（km/h）5060708090100110aw（m/s2）0.3220.3730.4450.5070.5780.6540.708主观感受一些一些一些一些一些比较比较舒适度0.6表 8 当 iri=1.35 时 v 和 aw 对应表table 8 test result of v and aw when iri=1.35v（km/h）40608090100120140aw（m/s2）0.070.2060.3350.3870.4320.5650.679主观感受没有没有一些一些一些一些比较舒适度1.01.00.80.6195图 6 iri=11.78mm/m， aw 和 v 关系图图 7 iri=3.05mm/m，aw 和 v 关系图fig.6 relation between v and aw when iri=11.78 mm/m fig.7 relation between v and aw when iri=3.05 mm/m200图 8 iri=1.35mm/m，aw 和 v 关系图图 9 v=80km/h，aw 和 iri 关系图fig.8 relation between v and aw when iri=1.35mm/mfig.9 relation between aw and iri when v=80km/h205图 10 v=90km/h，aw 和 iri 关系图图 11 v=100km/h，aw 和 iri 关系图fig.10 relation between aw and iri when v=90km/hfig.11 relation between aw and iri when v=100km/h 由表 6-表 8 及图 6-图 11 可知：平整度一定，速度增大，加速度也随着增大，与室外实 验结论相同；尽管室内实验的 iri 仅有三个值，但是仍然可以看出速度一定，加速度随平整度的增加而增加，与室外实验结论相同；由于室内实验条件比较单一，驾驶员受路面性能以 外的因素影响较小，因此加速度和平整度、加速度和速度的直线关系更为强烈。对三者进行 逐步线性回归可以得到式（5）的线性拟合方程，并通过方程的显著性检验和回归系数的显 著性检验。210aw = 0.118iri + 0.006v - 0.349r2 = 0.908(5)2153.2.2驾驶员主观驾驶舒适性研究分析图 12 至 15 为第一位驾驶员在正弦波路面波幅为 5cm、波长分别为 5m、15m、30m 和45m，即平整度分别为 75.77、11.78、3.05、1.35mm/m、在个人感觉舒适的情况下的最大车 速随时间的变化曲线图。从图上可以看出，驾驶员在行驶的过程中会不断的调整车速，直到达到个体认为较舒适 的最大车速后才开始稳速前进，或其速度在一定的范围内不停的上下摆动，但通过求其平均 值仍然能反映这种规律性。220225图 12 l=5m、a=5cm， v 和 t 关系图图 13 l=15m、a=5cm， v 和 t 关系图fig.12 relation between v and t when l=5m、a=5cmfig.13 relation between v and t when l=15m、a=5cm图 14 l=30m、a=5cm， v 和 t 关系图图 15 l=15m、a=5cm， v 和 t 关系图fig.14 relation between v and t when l=30m、a=5cm fig.15 relation between v and t when l=45m、a=5cm通过统计分析，采用统计函数 trimmean 先从数据集的头部和尾部除去一定百分比 的数据点，然后求出每位驾驶员的速度平均值，如图 16 所示。230235图 16 最大驾驶舒适速度与平整度关系图fig. 16 diagram of the maximum driving comfort speed and roughness由图 16 可以得到：随着 iri 值的由小变大， 10 位驾驶员感觉舒适的平均最大驾驶速度也越来越接近，这种差异主要是由于驾驶员个主观感觉不同以及他们的驾驶习惯不同所决 定的，尤其是当平整度较小时，其主观能动性会体现的更加明显；尽管不同 iri 处其最大舒 适性速度有一定的差异，但对应每一个 iri 外其速度的分布会呈现一个特点：即速度过大或 过小的点图中出现较为稀疏，绝大部分的速度分布在较为密集的中部，因此可以认为实验所 得到的样本点服从正态分布。实际道路路面的平整度不可能为 75.77 和 11.78 mm/m，所得 结论不具有很好的参考价值，因此本文主要讨论 iri=1.35 和 3.05mm/m 时的最大舒适驾驶 速度，并与前述所得到的结论进行比较，如表 9 所示。表 9 iri=1.35、3.05 时，最大驾驶舒适速度表table 9 the maximum driving comfort speed when iri=1.35、3.05室外试验室验室研究主观驾驶试验 磨擦系数0.3df拟合方程aw=0.122iri+0.0055v-0.309aw=0.173iri+0.01v-0.717aw=0.118iri无+0.006v-0.349最大舒适iri=1.35131.7106.3128.3124.1iri=3.059476.994.888.7速度（km/h）240在一般的磨擦系数条件，即 0.3df0.5 时，其最大舒适性行车速度要略小，也比较符合实 际情况，因此可以验证模型的适用性。2453.3模型应用在实际的道路工程应用中，人们更关心的是在满足驾乘舒适性的前提下，路面性能和最 高行驶速度的对应关系，表 10 是在满足驾乘舒适性前提下，道路路面平整度和最大行驶速 度的对应关系。表 10 满足舒适性条件下，最大速度 v 和 iri 的对应表table 10 corresponding to the maximum v and iri when comfort conditions are satisfiedaw=0.58m/ssv30405060708090100室外实验5.935.485.034.584.133.683.232.78df=0.iri30.5室内实验6.355.845.334.824.313.813.302.79df0.5室外实验5.765.184.614.033.452.872.291.72250255由表 10 得到，在 df=0.30.5 时在室外试验及室内实验所得到的结果比较近似，考虑到实际道路情况，建议采用室外试验结果作为本研究的结论。4结论通过分析影响驾乘舒适性的路面参数，建立了 0.3df0.5 及 df0.5 情况下 aw 与 iri 和 v 的室外实验和室内实验关系模型，并通过主观驾驶舒适性实验室验证，导出了满足驾乘 人员舒适性的前提下，汽车最大行驶速度和道路平整度的对应关系，为沥青混凝土普通公路 路面舒适性评价提供理论依据。参考文献 (references)2602652702752801 王钧利,马春燕.汽车乘客振动舒适性评价指标的研究.j工程力学,1998,231-235.2 mechanical vibration and shock evaluation of human exposure to whole-body vibrations. iso2631-1:1997. 3 郑柯. 基于驾驶员心理生理反应的高速公路线形研究d.北京: 北京工业大学, 2003.4 hou k，kalousek j，dong ra dynamic model for an asymmetrical vehicletrack system jjournal of sound and vibration，2003，267(3)：591-6045 乔建刚. 基于驾驶员因素的山区双车道公路关键参数研究d. 北京工业大学, 2006.6 younggun cho，yong-san yoonbiomechanical model of human on seat with