（光学工程专业论文）公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟.pdf

摘要 随着高速公路通车里程和城市间道路的不断增长以及铁路客运的高速发 展，对高档公路卧铺客车积铁路卧铺客车铺位的需求增加：同时由于我国经济 的迅猛发展和人民生活水平的提高，使得人们对卧铺客车的乘卧舒适性的要求 越来越高。由于卧铺客车上乘客承受卧姿振动，与立姿、坐姿人体振动有较大 差别，迫切需要客观准确的舒适性评价方法。因此，依据中国卧姿人体承受振 动的特点，制定出适合我国国情的卧铺客车舒适性评价规范就有着重要的意 义。 为制定卧铺客车舒适性评价规范，首先进行了大量不同的公路和铁路卧铺 客车卧姿乘客全身振动的舒适性试验。公路卧铺客车卧姿乘客振动试验分别用 普通公路卧铺客车和高档公路卧铺客车在二级到四级公路及高速公路上进行。 数据分析表明，头部和臀部振动主要发生在o 5 h z - 2 0 h z ，高档公路卧铺客车在 高速公路上，头部振动加速度值一般不超过1 2 0 m s 。，臀部振动加速度值一般 在1 0 0r r d s 2 以下，而腿部振动加速度值一般在o 5 0r r d s 2 以下：铁路卧铺客车卧 姿乘客振动试验分别在山区支线和平原干线上运行的硬卧及软卧卧铺进行，数 据分析表明，头部和臀部振动也主要发生在o 5 1 5 h z ：平原干线的铁路软卧， 头部振动加速度不超过o ，8 0 i r s 2 ，臀部振动加速度值不超过0 4 0r r d s 2 ，而腿部 振动加速度值则在0 3 0m y s 2 以下。试验数据分析表明，卧姿乘客头、臀是振动 敏感部位，头部对卧姿乘客的舒适性影响踢显；头部穆臀部振动较大，且振动 加速度曲线相似；腿部振动量很小，振动加速度波动大，因此可以在实际测试 评价中略去以便提高测试精度。 依据试验数据分析结果，卧铺客车卧姿乘客振动舒适性的评价应依据头部 和臀部振动进行，参照i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 国际标准，并在相关卧姿振动的评价研 究基础上，对测得的头、臀部位加速度值进行计权处理，得到臀一头部位频率 计权加速度来评价卧姿乘客全身振动的舒适性。试验数据分析结果为制定国家 标准“卧姿人体全身振动舒适性的评价”( g b t1 8 3 6 8 2 0 0 1 ) 和汽车行业标准 “卧铺客车平顺性随机输入行驶试验方法”( q c t6 7 7 2 0 0 1 ) 提供了科学依据。 依据相关国家标准和汽车行业标准，对公路和铁路的卧铺客车臣 姿乘客振 动试验数据作了进步分析。数据分析表明，普通公路卧铺客车在三、四级公 路上的臀一头频率计权加速度值在0 5 0 1 3 0r n s 2 之间，舒适等级主要为4 、5 级；在高速公路上高档公路卧铺客车的后部下铺的臀一头频率计权加速度值在 o 5 0 0 7 0m s 2 之间，舒适性等级一般为3 级；平原干线铁路卧铺客车软卧下铺 臀一头振动频率计权加速度值为0 5 0 。6 m s 2 ，舒适性等级一般为3 级，上铺频 率计权加速度值一般小于o 5 m s 2 ，舒适性等级为2 级。这些评价结果说明国家 标准和汽车行业标准提出的评价方法和舒适性等级划分是适合我国国情而且 实用合理。 课题还以高档公路卧铺客车为研究对象，依据减振隔振理论，探讨了对卧 姿乘客头、臀、腿不同部位采用变冈u 度铺垫和三种不同类型的枕头的减振效果。 分析结果表明，采用变刚度铺垫能够改善卧姿乘客的振动舒适性：采用养麦皮 填充的枕头减振能够比无枕时振动加速度减少2 5 左右。 通过分析和比较，提出并建立了种在双轮辙路面输入下的1 0 自由度公 路卧铺客车卧姿人体一铺位系统的空间振动模型，编制了卧铺客车人体铺位振 动模拟软件，得出了卧姿人体头、臀、腿三个部位的加速度功率谱曲线和相应 的1 3 倍频带加速度值，通过数值模拟计算结果和试验结果比较，证明模型能 够反映实际的振动情况，并进一步验证了国家标准和汽车行业标准的合理性。 关键词；卧铺客车卧姿人体舒适往评价试验数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h el e n g t ho ft h eh i g h w a ya n dr o a d b e t w e e nc i t i e s ，t h en t t m b e ro fh i 曲一l e v e ls l e e p e rb u s e sa n dt r a i n sb e r t hc o m p a r t si s a l s or i s e w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i f e ，t h e c o m f o r to fs l e e p e rc o a c h e si sd e m a n d e dt oi m p r o v e b e c a u s et h ep a s s e n g e r sl i eo n t h eb u sb e r t h s i ti sd i f f e r e n tw i mt h es t a n d i n ga n ds e a t e dp o s i t i o n i ti su r g e n tt o e v a l u a t i o nt h ev i b r a t i o nc o m f o r to ft h er e c u m b e n tp e r s o n s t h ec o m f o r te v a l u a t i o n a d a p t e dt ot h ev i b r a t i o no fc h i n e s er e c u m b e n tp a s s e n g e r si sp r o f o u n d i no r d e rt oe s t a b l i s ht h ec r i t e r i o no fs l e e p e rb u s e s ，f i r s t l yan u m b e ro f e x p e r i m e n t so f t h eb e r t h so ns l e e p e rb u s e sa n dt r a i n sh a v e b e e nd o n e t h eb u s e su s e d t ot e s ta r eac o m m o ns l e e p e rb u sa n dah i g h l e v e ls l e e p e rb u sr i d i n go nt h es e c o n dt o t h ef o u r t hc l a s sr o a d s ，a sw e l la so nt h eh i g h w a y t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sh a v e s h o w e dt h a tt h ev i b r a t i o no ft h eh e a da n dt h eb u t t o c km a i n l yt a k ep l a c ei nt h e 丘e q u e n c yo fo 5 - 2 0 i - i z t h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o no ft h ep a s s e n g e r sh e a do nt h e 1 1 i 曲- l e v e ls l e e p e rb u sa th i g h w a yd o e sn o te x c e e d1 2 0r r d s ，t h eb u a o c k sv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o ni sn o tm o r et h a n1 o o m s 2 h o w e v e rt h ea c c e l e r a t i o n o ft h el e g s v i b r a t i o ni sl e s st h a no 5 0 m s 2 t h ev i b r a t i o ne x p e r i m e n t so f t r a i n sw e r ed o n eo nt h e h a r da n ds o f tb e r t h si nt h em o u n t a i nd i v e r g e dl i n ea n dt h ep l a i nm a i nr a i l w a y ，t h e d a t as h o w e dt h a tt h ev i b r a t i o no ft h ep a s s e n g e r sh c a da n dp e l v i sm a i n l yt o o kp l a c e i nt h e 丘e q u e n c yo fo 5 q 5 u z , u n d e rt h i sr a n g e ，t h ea c c e l e r a t i o no fh e a d sv i b r a t i o n d o n te x c e e do 8 0 m s 2 ，t h eb u t t o c k sv i b r a f i o na c c e l e r a t i o ni sn o tm o r et h a n o 4 0 r r d s 2 ，t h el e 2 s ，v i b r a t i o na c a ：e l e r a f l o ni sl e s st h a no 3 0 m s 2 a l lt h ed a t as h o w e d t h a t , t h eh e a da n db u t t o c ka r et h es e n s i t i v ev i b m f i o np a r t s ，t h ev i b r a t i o n so f t h eh e a d a n db u a o c ka r ec o m p a r a b l yl a r g ea n dt h e i rv i b r a t i o nc u r v e sa r el i k e t h ev i b r a t i o no f h e a dh a sai n d i s t i n c t l ye f f e c to nt h ec o m f o r to f r e c u m b e mp e r s o n t h el e g s v i b r a t i o n i ss m a l la n df l u c t u a t e dl a r g e l y , s ot h el e g s v i b r a t i o nc a nb ei g n o r a n tt 0e n h a n c et h e a c c u r a c y i nl i g h to f t h ea n a l y s i sd a t ar e s u l t so f t h e s ee x p e r i m e n t s ，v i b r a t i o nc o m f o r t e v a l u a f i o no fh u m a ni nr e c u m b e n tp o s i t i o ns h o u l db ed o n ei n2 i c c o r d a n c et ot h e v i b r a t i o no fr e c u m b e n tp a s s e n g e r sh e a da n db u t t o c k ，r e f e r r i n gt ot h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r di s 0 2 6 31 1 1 9 9 7 饵1 ，a sw e l la so nt h eb a s eo fc o r r e l a t es t u d i e so f 1 1 1 w h o l e b o d yv i b r a t i o ni nr e c u m b e n tp o s i t i o n a c c e l e r a t i o n so ft h eh e a da n db u t t o c k m e a s u r e dh a v eb e e nw e i g h t e dt w i c et og e ta tt h ef r e q u e n c y - w e i 曲t e da c c e l e r a t i o na t t h eb u t t o c ka n dh e a d ，t h ew e i g h t e da c e e l e m f i o nt h e ni su s e dt oe v a l u a t et h ec o m f o r t o fh u m a nv i b r a t i o ni nr e c u m b e n tp o s i t i o n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n a l y s i sd a t a p u ta l s ou ps o m er e f e r e n c et o e s t a b l i s ht h ec h i n e s en a t i o n a ls t a n d a r d c o m f o r t e v a l u a t i o no fh u m a ne x p o s u r et ow h o l e - b o d yv i b r a t i o ni nr e c u m b e n tp o s i t i o n ( g b t 1 8 3 6 8 2 0 0 1 ) a n da u t ot r a d es t a n d a r d t h et e s t sm e t h o do f s l e e p e rb u s e sr i d ec o m f o r t 、v i t l lr a n d o mi n p u t ” i nl i g h to ft h ec o r r e l a t en a t i o n a ls t a n d a r da n da u t ot r a d es t a n d a r d ，t h ev i b r a t i o n t e s t sd a t ao f b u s e sa n dw a i n sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d 血a t t h ec o m f o r tr a t e s o fc o m m o ns l e e p e rb u so nt h r e ea n df o u rc l a s sr o a d sa r ef o u r t ha n df i f t hg r a d ea t a v e r a g e n ew e i g h t e da c c e l e m t i o u so nt h eb a c kp a r to f t h ea d v a n c e ds l e e p e rb u s0 n h i g h w a yi sb e t w e e n0 5 0 - - 0 6 8 m s 2 ，i t sc o m f o r ti s 3c l a s sd e g r e e ；t h ew e i g h t e d v i b r a t i o na c c e l e r a t i o no fw a i n si nt h eb e n e a t hs o f tb e r t ho np l a i nm a i nl i n ei s o 5 - - 0 6 m s 2 ，a n dt h ec o m f o r td e g r e ei s3c l a s s ；t h eu p w a r db e r t hv i b r a t i o nc o m f o r ti s 2c l a s s s ot h ee v a l u a t i o nm e t h o da n dt h ec o m f o r td e g r e ea r r a n g e da d a p t e dt oo u r c o a n t ys t a t e w i mt h eh i g h l e v e ls l e e p e rb u s a n do nt h eb a s i so fv i b r a t i o nt h e o r y , d i f f e r e n t s t i f f n e s sa n dd a m pb e r t h sa c c o r d i n gt ot h eh e a d ，p e l v i sa n dt h el e g sr e s p e c t i v e l yh a v e b e e nu s e d a sw e l lt h r e et y p e so fp i l l o w su n d e rt h eh e a d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h e v i b r a t i o n 廿a n s m i t 【e dt ob o d yc a nb ed e c e a s e di n d i s t i n c t l yw i 山t h ed e s i g n e db e r t h n l ev i b r a t i o nw i t hp i l l o wo f b u c k w h e a tn u tc a l ld e c r e a s e2 5 m o r et h a nt h a tw i t hn o p i l l o w s n l ep a p e rd i s c u s s e da n de s t a b l i s h e das p e c i a l1 0f r e e d o ms l e e p e rb u sv i b r a t i o n m o d e lo ft h er e c u m b e n tp e r s o n - b e r t hs y s t e mw i t ht h et w of i d et r a c kr o a di n p u t a t t h es a m et i m e ，t h ea n a l y s i ss o f t w a r ew a sa l s op r o g r a m m e dt og e tt ot h ea c c e l e r a t i o n c u r v e sa n d1 3t i m e sf r e q u e n c ya c c e l e r a t i o n so ft h r e ep a r t s t h r o u g ht h ec o n t r a s t b e t w e e nt h es i m u l a t i o na n dt e s t sr e s u l t s ，t h em o d e lw a sp r o v e dt h a ti tc a nr e f l e c tt o t h er e a lc a g e s k e y w o r d s ：t h es l e e p e r b u sr e c u m b e n tp e r s o n c o m f o r te v a l u a t i o n e x p e r i m e n t s d a t aa n a l y s i s 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 第一章绪论 改革开放以来，我国经济建设得到了迅速的发展，经济实力迅速增长，使 得公路发展非常迅猛。据统计2 0 0 1 年全国公路总里程( 按技术等级划分) 为 1 6 7 9 8 万公里，其中等级公路为1 3 3 6 万公里i l 】1 2 ”。 公路通车里程的增长以及我国经济的迅速发展，使运输市场得到了迅速的 发展，2 0 0 1 年全社会完成公路客运量1 4 0 3 亿人，比上年增长4 1 ，旅客周 转量7 2 0 7 1 亿人公里，比上年增长8 3 。人们以经济活动以及各种旅游为目 的的出行次数不断增加，而且行程更多的是长途旅行，表l ，表2 显示了我国旅 客客运量近年来的发展状况。 表l 全国客运量及构成 客运量( 万人、 构成 ：) 年份 合计铁路公路水运民航铁路公路民航 1 9 9 81 3 7 6 6 2 3 9 2 9 9 11 2 5 7 3 3 22 0 5 4 55 7 5 56 89 l _ 30 4 2 1 9 9 91 3 9 2 5 0 29 8 2 5 31 2 6 9 0 0 41 9 1 5 1 6 0 9 47 19 1 1o 4 4 2 0 0 l 1 4 0 3 0 0 01 3 4 7 0 表2 全国旅客周转量及构成 旅客周转量( 亿人公里) 构 成( ) 年份 合计铁路公路水运民航铁路公路水运民航 1 9 9 81 0 5 5 4 33 6 9 1 0 5 9 4 2 81 2 0 38 0 0 23 5 o5 6 31 17 5 8 1 9 9 91 1 2 1 4 5 4 0 5 0 76 1 9 9 21 0 7 38 5 7 33 6 15 5 31 o7 6 4 从表中可以看到公路客运量和旅客周转量所占比重最大。各个省市间均建 有多条跨省长途客运线路，以经济水平较发达的上海市的公路客运市场为例1 2 j ： 随着沪杭、沪宁等一批高速公路的建成通车，以及长途客运工具的多样化发展， 1 9 9 9 年公路长途客运旅客量即达1 1 2 6 万人次，比上年递增2 4 。2 0 0 0 年长途 汽车客运全年发送1 2 8 2 6 万人次，增长1 3 ，9 ，仅2 0 0 0 年“五一”节假长 途客运量就达到3 8 4 万人次，比1 9 9 9 年增幅8 3 4 。在四大交通方式构成的 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 综合运输体系中，公路长途客运所占的分额已从1 9 9 9 年的1 6 7 增长到2 0 0 0 年的2 3 6 。从而使得公路长途客运成为上海市与外省市沟通往来的主要方式。 上海市目前的长途客运市场中一个很大的特点就是投放到市场的长途客 运车辆8 0 以上都是一级客车。2 0 0 0 年新增5 1 4 辆，全是星级豪华客车或卧铺 客车，比1 9 9 9 年增加了4 0 4 。 ”九五”以来，我国制定了既有铁路线路提速政策，使得铁路运输旅客量迅 速增加，仅2 0 0 0 年2 月份，发送旅客量9 4 4 0 万人，占全年客运量9 2 ，同去 年同期增长近2 0 ，8 月份9 1 6 0 5 万人，比去年同月增长近1 5 。由于经济的 发展和人们收入的增长以及铁路连续四次提速，旅客乘坐火车卧铺的人数迅速 增多。为适应这种需求，铁路客运列车的卧铺车厢铺位量迅速增加，许多客运 列车的卧铺车厢的卧铺车厢数已经占一半以上。有的客运列车( 如北京至上海 的t 2 1 2 2 次) 甚至采用全列卧铺，乘卧空间大、舒适性好，速度快，列车最高 运行时速达1 6 0 公里。 由此可见，随着高速公路通车里程和城市间道路的不断增长以及铁路客运 的高速发展，对高档公路卧铺客车和铁路卧铺客车铺位的需求增加：同时由于 我国经济的迅猛发展和人民生活水平的提高，使得人们对卧铺客车的乘卧舒适 性的要求越来越高。 1 1 公路卧铺客车技术发展简介 公路建设和公路客运的快速发展，对公路运输车辆提出了更高的要求，这 导致新型运输车辆不断问世，如公路卧铺客车、带驾驶员休，g e t - 位的长途运输 货车等。尤其是公路卧铺客车运输已经成为运输业的一种特殊形式。 公路卧铺客车的设计主要参照铁路卧铺客车，长安大学最早提出开发适合 我国国情的公路卧铺客车的设计方案，并申请了国家专利，极大推动了我国公 路卧铺客车技术的发展。1 9 8 8 年一些客车厂家和客运公司合作把普通客车改造 成卧铺客车，投入试运营后，反应良好。以后很多高校、研究机构及客车厂家 纷纷研究改进公路卧铺客车的性能，促进了公路卧铺客车技术的发展【5 儿6 1 1 7 1 。 国外由于公路网发达，同时私人轿车和航空运输比重较大，对公路卧铺客 车的开发和技术研究进行较少。但随着夜行长途客车的普及，很多国家也开发 和研究了长途卧铺客车。 但是我国公路卧铺客车设计还主要存在以下不足：动力性能差，底盘悬架 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 减振性能差，卧铺以及支承系统简陋；铺垫沿用传统座椅的设计，整个铺垫采 用同一种刚度和阻尼的材料，舒适性差；铺位布置拥挤，降低了乘卧舒适性， 同时车厢内部的噪音很大，燃油气味大，这也明显降低了乘坐的舒适性。 虽然现在很多客车厂家已采用大功率发动机的客车专用底盘，提高了动力 性和减振性能，但是对于卧铺客车铺位的减振以及悬架减振等方面的研究相对 较少。随着我国公路建设的发展和长途运输的不断增长，必然要求加强卧铺客 车减振研究，提高公路卧铺客车舒适性，为旅客提供舒适安全的乘车环境，满 足公路客运的需要。 1 2 公路卧铺客车振动分析研究 在结构振动中，当机器的工作状态变化或者是外部激励作用下，机械系统 将会产生振动，并产生系统的动力响应。在振动研究中，通常把研究的对象称 为一个系统，把外界对系统的作用称为激励或输入，而把研究对象在激励或输 入的作用下产生的动态行为称为响应或输出嗍“。 振动系统的外载荷也称振源，振源可分为确定性和随机性两类。随机振动 只能用统计方法求其宏观特性的振动过程，随机振动产生的主要原因是随机激 励。一般振动理论所要解决的问题可以归结为以下四个方面”9 j 2 1 】f 2 3 1 ： 1 载荷的估计和规范化： 2 输出响应的计算和评价： 3 系统可靠性预测： 4 系统分析的随机激振方法。 公路卧铺客车行驶时，主要是由于路面不平度因素的输入而激起车轮z 向 的动载荷发生变化而产生振动；同时车辆侧向的运动和横摆运动也会产生振 动；车架的弯曲变形引起质心位移的变化和车架扭曲变形引起汽车两端的位移 变化也会产生振动，所以公路卧铺客车振动情况很复杂。但由于公路卧铺客车 可看作由许多子系统组成，有些子系统又可分解成若干个或等效为一个有阻尼 的单自由度线性系统模型。因此，公路卧铺客车的振动可以看作是确定性和随 机性振动的混合作用。 由于路面激励属于平稳随机振动。按照随机振动理论刚，公路卧铺客车受 到的振动也是平稳随机振动。在实际的振动试验中，卧铺同时承受几个方向的 受迫振动，其响应情况可以通过理论分析和试验研究两种方法。 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 采用理论分析方法时，首先建立系统的力学和数学模型，然后通过数学公 式推导获得解析解，对于大而复杂的模型可以通过计算机获得数值解。采用试 验研究方法时，可以模拟系统的工作条件施加已知激励，也可以直接在实际激 励环境下试验，测试系统的响应来验证分析结果。由于测试和分析仪器的发展 和精度改善，振动试验已经发展成为种独立解决问题的方法1 2 5 1 。 1 2 1 公路卧铺客车舒适性的研究 公路卧铺客车行驶时，由于路面的颠簸起伏等因素使卧铺客车产生振动，使 乘员处于振动的环境中，如何保持振动环境的舒适性，采用有效的减振和隔振 措施以保证客车具有良好的舒适性，将会影响到“人一车”系统的操纵稳定性 和行驶平顺性，对确保乘客良好的舒适性感觉非常重要吼 对于公路卧铺客车而言，其平顺性主要是根据卧位乘员的舒适程度来评价， 又称为乘坐舒适性。它也是高档车的个评价指标。 到目前为止已经有很多人对影响舒适性的因素进行了研究，取得了比较满 意的结果，对现代车辆的设计具有推动作用。对于公路卧铺客车来说，影响卧 铺客车卧位上的卧姿人体舒适性的因素主要有以下几方面8 】 9 1 【”【1 9 】【2 6 】： 车身固有频率，车身相对阻尼； 座椅或卧铺的固有频率、相对阻尼系数，以及座椅或卧铺的位置； 车速，轮胎的弹性系数，车辆的承载情况，轴距。 同时不同的车身阻尼和固有频率的配合对于舒适性的影响也非常大。座椅 和铺位位置对于乘客的舒适性影响也是显而易见的。在轴距中点舒适性最佳， 乘客在卧铺客车轴距范围内乘坐时舒适性要比在前后悬上舒适性明显要好的 多。公路卧铺客车的主要参数对于车辆舒适性及行驶安全性的影响，见表1 2 1 【8 】 1 4 1 1 9 。 表】_ 2 】公路卧铺客车主要参数对于舒适性的影响 影响因素改善改善舒适性改善行驶安全性 车身固有频率小 车身相对阻尼系数小较大 座椅固有频率小 座椅相对阻尼系数大 车轮质量小 轮胎弹性小大 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 从表中可以看出，对于公路卧铺客车的卧位振动舒适性评价的研究应该主 要考虑如何改善卧铺参数，这样可以更有效的改善卧铺客车卧姿人体的舒适 性，而且可以达到研究与生产实际结合，产生经济效益。 1 2 2 公路卧铺客车的减振隔振措施【2 5 l 振动不仅会影响卧铺客车本身的使用寿命，甚至会使零部件损坏，而且会 传递给车上的乘客，影响他们的身心健康，振动严重时会诱发各种疾病。有效 的采用隔振、减振技术和措施已成为目前的重要课题。 所谓减振就是在振源和减振体之间连接的合适的弹性或阻尼元件，能够使 振源产生的大部分能量由隔振装置吸收，进而减轻振动对人体或者设备的干扰 和伤害。 减振主要有主动减振和被动减振两种方式。公路卧铺客车主要承受来自路 面的宽带随机激励作用产生的振动，然后通过悬架弹性阻尼元件、地板、座椅 或卧铺逐级减振，最后传递到乘客。因此减振措施也就主要从抑制振源和加强 隔振、减振措施两种主要方式。 抑制振源则主要是改善道路路面情况，使得路面随机激励作用减小，由于 道路设施限制，这种方式较难实现。 相对来说，改善公路卧铺客车的振动环境，提高整车的舒适性效果明显而 且也实际。对于卧铺客车来说，主要通过在振源到乘客座椅或者卧铺铺位间增 加隔振材料和减振装置实现。 从表1 2 】中知道，改变座椅或卧铺铺垫的参数对于改善公路卧铺客车的 舒适性的作用简单而且效果明显。 1 3 卧姿人体振动研究与评价 人体本身就是一个复杂的动力学系统，当人体内脏器官发生共振时，振动 对人体影响达到最大，此时受振器官的功能将受到影响，尤其是当人体姿势改 变时，内脏器官悬挂状态发生改变，从而人体对振动的动态晌应也发生改变， 因此人体受振时将产生物理响应、生理响应和心理响应【1 3 2 1 1 。 国外很早就重视人体承受机械振动对的心理和生理响应的研究，国际标准 化组织的i s o t c l 0 8 在总结大量的研究成果的基础上，于1 9 7 4 年制定了“人 体承受全身振动的评价指南”标准i s 0 2 6 3 1 。经过修订形成了现行标准i s 0 2 6 3 1 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 一1 9 8 5 ( e ) ，该国际标准主要适用于立姿和坐姿的情况i 卫】。对于卧姿，由于当 时资料不足，没有提出严格的建议。仅指出，对于立姿和坐姿人的极限值暂时 也可用于卧姿人体承受全身振动的评价。 由于人体处于卧姿姿态时，头部直接处于振动中。头颅骨结构属于小阻尼 薄壳结构，它的振动滤波能力比起人体其他部位差，振动感觉敏感。显然用立 姿和坐姿标准来评价卧姿是不妥的。这就迫切需要客观准确的振动舒适性的评 价方法来评价卧姿人体。 1 3 1 物理响应方面的研究 1 9 8 1 年德国工程师协会发表“机械振动对人体作用的评价”标准v d l 2 0 5 7 ， 对卧姿人体振动做了明确的规定。该标准指出在3 2 h z 和6 3 h z ，人体抗振能 力下降，在6 3 h z 以后，抗振能力基本不变。但是，v d l 2 0 5 7 标准对头部共振 欠考虑。 国际标准“振动和冲击一人体的激振点的机械阻抗”( i s 0 5 9 8 2 1 9 8 1 ) ， 给出的卧姿人体承受x 向振动的激励点阻抗，如图l 。 曩 商 芷 翘 l 乃龟苌= _ z j 钐矽 擀l 舻 i 酬 匪蚕i _ ： 。： f ， 矮隆 。 l = r 气1 3f - j。j r 0 ：，。01 。4 2 ，k 。，一。- 。- j ”? n 一。，h “，- ” l a ；懈口1 & i 剐 j 4j ，玉削 - 口，_ l 口? ，6 ：。? 53 l j 甥 率，h z 图li s 0 5 9 8 2 “振动和冲击一人体的激振点的机械阻抗” 从图l 可见在7 h z 附近的频率处出现共振峰，全身振动的主共振频率范围 在5 1 8 h z 。w e i s 和d u p u i s 还测得卧姿人体在大约8 0 h z 附近也会出现一个共 振点【2 7 】。 卧姿人体承受的全身振动时，激振施加在身体各部位，所以必须同时在身 体不同部位上测试并计算振动的传递率。s z a m e i t a t 以及d u p u i s 对1 4 名卧姿 试验者通过施加垂直方向的振动，测得了人体踝部、膝部、胃部、胸部和额部 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 的振动传递特性，得出膝部、胃部、胸部振动特性是相似的，腿部振动则小。 额部在4 l o h z 和3 0 8 0 h z 处出现高灵敏度】。 1 9 7 6 年c o e r m a n n 和d u p u i s 分别测得卧姿人体承受y 、z 方向水平振动时 额部、腹部和脚部的振动传递率。表明，额部在y 向共振频率为1 ? h z ，传递 率为3 0 4 0 ；而z 向共振频率为2 4 h z ，传递率为1 8 2 7 ，频率增大时 传递率迅速下降。 1 3 2 生理和心理响应方面的研究 振动对人体的生理影响，主要是人体在承受振动时生理系统产生的症状的 研究口9 】：对运动系统骨骼和肌肉的影响，对呼吸系统的影响，对神经系统的影 响。其中对神经系统的影响是振动对人体最明显的反应。研究表明，当人体承 受0 1 l o h z 全身振动时，极易产生恶心、呕吐等运动症。视力在l o 2 0 h z 时会明显降低。 心理学方面研究主要用各种量表来评价试验结果。类别量表是用一组数字 或语言来描述事物固有特性，对于振动的心理反应评价采用模糊语言来表达。 许多研究者都采用过这种简单的量表法。 长安大学的陈荫三教授、高利教授在1 9 9 0 年进行了6 9 人次大样本的卧姿 人体试验，在心理学评价指标中引入了“ 0 ，1 区间直观类比估量法”等新的评 价方法。“ 0 ，1 区间直观类比估量法”规定0 作为振动无感觉的下限，“1 ” 作为振动强度无法忍受的上限，要求受试者对每次试验都必须在各个类别上作 出估量，写出振动感觉程度在 o ，i j 内的值。 显然，卧铺客车上乘客承受的卧姿振动与立姿、坐姿人体振动有较大差别， 迫切需要客观准确的舒适性评价方法。因此，依据中国卧姿人体承受振动的特 点，制定出适合我国国情的卧铺客车舒适性评价规范就有着重要的意义。 1 4 本课题的主要研究内容 由于卧姿振动与立姿、坐姿人体振动有较大差别，迫切需要客观准确的舒 适性评价方法，因此，本研究依据中国卧姿人体承受振动的特点，在进行大量 不同的公路和铁路卧铺客车卧姿乘客全身振动的舒适性试验和数据分析的基 础上，提出卧姿人体全身振动舒适性的评价方法，再通过试验数据的进一步分 析，验证评价方法的合理性，进一步探讨变刚度及阻尼铺垫和不同类型的枕头 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 的减振效果，最后建立空间振动模型并进行数值模拟计算。 为此，确定了以下课题研究内容。 1 在公路和铁路上进行大量的卧铺客车卧姿乘客全身振动的舒适性试 验。公路卧铺客车卧姿乘客振动试验分别用普通公路卧铺客车和高档公路卧铺 客车在二级到四级公路及高速公路上进行。铁路卧铺客车舒适性试验分别在山 区支线和平原干线上运行的硬卧及软卧卧铺进行。 2 通过对试验数据初步分析，参照i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 国际标准，并在相关 卧姿振动的评价研究基础上，提出卧姿乘客全身振动舒适性的评价方法，为制 定国家标准和汽车行业标准提供科学依据。 3 依据相关国家标准和汽车行业标准，对公路和铁路的卧铺客车卧姿乘 客振动试验数据作了进一步分析。数据分析结果可以用来验证国家标准和汽车 行业标准提出的评价方法和舒适性等级划分的合理性。 4 依据减振隔振理论，研究探讨对卧姿乘客头、臀、腿不同部位采用不 同刚度及阻尼铺垫和不同类型的枕头在卧姿振动中的减振效果。 5 通过试验数据分析和比较，提出并建立公路卧铺客车卧姿人体一铺位 系统的空间振动模型，编制了卧铺客车人体一铺位振动模拟软件并进行数值模 拟计算。 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 第二章卧铺客车卧位舒适性试验 由于卧铺客车上的卧姿人体全身振动舒适性的试验数据较少，而对于制定 卧姿人体全身振动的舒适性的评价方法应该有足够多的数据支持，因此研究首 先进行了大量不同的公路和铁路卧铺客车卧姿乘客全身振动的舒适性试验。公 路卧铺客车卧姿乘客振动试验分别用普通公路卧铺客车和高档公路卧铺客车 在二级四级公路及高速公路上进行。铁路卧铺客车卧姿乘客振动试验分别在 山区支线和平原干线上运行的硬卧及软卧卧铺进行。 2 1 公路卧铺客车铺位舒适性试验 2 1 1 试验设备 平顺性试验用的测量仪器系统包括加速度传感器、电荷放大器、磁带纪录 仪、数据处理器及直流电源，如附表2 1 。信号记录及处理流程见图2 1 所示。 图2 1 信号记录及处理存储流程 2 1 2 试验用公路卧铺客车 普通公路卧铺客车采用某型7 米的普通卧铺客车，该车型主要技术参数见 附录表2 - 2 。高档公路卧铺客车为某型1 2 米高档卧铺客车，底盘采用杭州东风 日产柴汽车有限公司生产的底盘，悬架系统为空气悬架系统，发动机后置。其 主要技术参数如附录表2 _ 3 。 2 1 3 试验道路 普通公路卧铺客车舒适性试验道路为：陕西汉中城固某段三、四级水泥 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 路和汉中市郊区某段二级公路。天气阴，风速小于5 m s ；气温：2 7 度左右。 高档公路卧铺客车舒适性试验道路为：郑州市郊区某段二级公路，此测试 路段平均车速为6 0k m p n ，天气阴有小雨，风速小于5 r r g s ，气温在2 6 度左右； - 郑j r , f 一北京某高速公路，平均车速8 0 k m h ，天气阴转晴朗，风速小于5 m s ；气 温在2 5 度左右。 2 1 4 试验条件 卧铺客车各总成、部件、附件和附属装置按规定装备齐全，轮胎气压符合 卧铺客车技术条件的规定。卧铺客车空载，轮胎气压符合卧铺客车技术条件的 规定。试验对象为身高约1 7 0 r a m ，体重约6 5 k g 的五名自然人，以仰卧姿就座， 双手紧贴在腿部两侧。 2 1 5 试验方法 测试公路卧铺客车部位在左侧后轴上方卧铺和最后排卧铺上测量，卧位上 的试验用加速度传感器采用垫盘式加速度传感器，安放位置见附表2 4 ，与人 体紧密接触。主要测试垂直方向振动加速度，即人体坐标x 轴的方向。 采用磁带纪录仪纪录振动响应量，测量各测试部位的加速度时间历程，每 次试验记录的样本长度为3 分钟。 其中，1 6 号y d 7 7 s z 型三轴向座垫加速度计传感器，安放在铺位的枕头上 且位于受试人的头部下部，受试人按顺序依次在卧铺的铺位进行振动测试。 试验前，需将加速度传感器在振动试验台上进行激振以调整系统精度，记 录标定信号，以待信号数据处理时使用。试验时，汽车在稳速段内稳住车速， 然后以规定的车速匀速驶过试验路段。在进入试验路段时，纪录和测量各测试 部位的加速度时间历程，同时测量通过试验路段的时间以计算平均车速。 为了分析卧铺客车乘客头部振动对舒适性方面的影响，在不同公路进行高 档公路卧铺客车试验时，采用了不同类型的枕头，枕头分为a 、b 、c 型，a 型采用多孔芯材质填充的枕头：b 型是采用高弹棉材质填充的枕头；c 型是养 麦皮填充的枕头。试验分别在公路卧铺客车与驾驶员同侧的上、下铺位上进行 试验测试，每一部位又分为有枕，无枕的情况。 2 1 6 试验数据处理 将测量得到的试验结果分别采用m a t l a b 程序语言和f l e x p r o 软件来进行 处理。m a t l a b 程序设计语言通过编程可以得出各种谱分析；而f l e x p r o 软件 公路及铁路卧铺客车卧位振动舒适性试验与空间数值模拟 则是奥地利的d e w e u ：o n 公司的数字信号处理设备d e w e t r o n - 3 0 1 0 上的信号分析 软件，它可以进行扳动信号的各种谱分析，通过方便简单的菜单界面输入可以 直接得到振动信号的各种谱值。 2 2 普通公路卧铺客车卧位舒适性试验处理分析 普通公路卧铺客车的振动试验，数据处理是通过m a n a b 设计语言编程