Терпимость к вибрациям сидений

Оценка вибрации при езде в транспортном средстве по-прежнему вызывает споры в автомобильном сообществе. В качестве отправной точки поучительно взглянуть на результаты исследований со стороны научного сообщества, связанные с человеческой терпимостью к вибрации. Краткий обзор о современном состоянии оценки влияния предельных уровней вибраций на комфорт человека, охватывающий работы с 1920-х годов, представлен в SAE Ride and Vibration Data Manual [26], опубликованной в 1965 году. Основные работы Ли и Прадко [30], Международной организации по стандартизации [31], Оборна [32], Мива [33], Парсонса [34], Фотергилла [35], Лезервуда [36] и других, внесли существенный вклад в базу данных информации, связанной с терпимостью вибраций. Как правило, эти исследования имеют тенденцию сосредоточиваться на терпимости к дискомфорту в сидячем положении, пытаясь разобраться в чувствительности человеческого тела к частоте. В попытках установить количественные уровни дискомфорта, или равные уровни чувствительности, как функции частоты, часто используются чистые синусоидальные воздействия. Тем не менее, не существует общепринятого стандарта для оценки зависимости вибраций при поездке от таких переменных, как:

•положение при сидении

•влияние воздействия вибрации на руки и ноги

•разница между одно- и многочастотным воздействием

•разнонаправленное воздействие

•уровень комфорта

•продолжительность воздействия

•звуковые и визуальные вибрационные воздействия

Несмотря на разногласия, в результатах многих из последних работ можно увидеть некоторые общие знаменатели. При рассмотрении терпимости к вертикальной вибрации и вибрации вперёд/назад сидящих пассажиров, исследователи обычно наблюдают сопоставимые кривые чувствительности.

Рис. 5.36. Пределы терпимости человека для вертикальной вибрации.

Рисунок 5.36 показывает линии постоянного комфорта, как они определены рядом исследователей. В связи с различными интерпретациями комфорта в каждом исследовании, номинальный уровень одной кривой не сравним с другими, и это не особенно значимо. Тем не менее, отметим, что большинство показывают минимальный допуск (максимальную чувствительность) организма человека к вертикальной вибрации в диапазоне частот от 4 до 8 Гц. Эта чувствительность хорошо известна, так как приводит к вертикальным резонансам в брюшной полости. На частотах выше и ниже этого диапазона терпимость возрастает пропорционально частоте. Фактическая форма границ часто показывают небольшие перегибы в диапазоне от 10 до 20 Гц за счёт резонансов других органов, особенно резонанса головы около 10 Гц.

Как видно из графиков кривых ISO на этом рисунке, длительность воздействия вибрации также влияет на максимально допустимый уровень. Таким образом, показаны две границы, одна для воздействия в течение одной минуты, и вторая для воздействия в течение одного часа. Общие правила для определения границ соответствуют произвольным уровням воздействия, доступных в стандарте ISO [31], и в работе Ли и Прадко [30].

Очень интересные результаты были получены NASA [37] при исследованиях комфорта в общественном транспорте, в частности, в самолётах. Линии постоянного комфорта для вертикальной вибрации, взятые из этой работы, показаны на Рисунке 5.37. Важный наблюдаемый момент заключается в том, что чувствительность, как функция частоты, зависит от уровня ускорения. При высоких уровнях вибрации кривые терпимости в целом совпадают с данными других исследователей. Но при низких амплитудах горизонтальный характер кривых свидетельствует, что дискомфорт больше зависит от частоты. Таким образом, в указанном диапазоне низкие уровни вибрации в равной степени нежелательны, независимо от их частоты.

Рис. 5.37. Кривые дискомфорта NASA для вибрации в транспортных средствах.

Чувствительность человека к вибрации вперёд/назад несколько отличается от вертикальной. Рисунок 5.38 показывает допустимые пределы вибрации вперёд/назад, как это определено из нескольких источников. Опять же, номинальный уровень каждой кривой не является особенно значимым, значима лишь похожесть чувствительности. Самое видимое примечательное различие то, что область максимальной чувствительности находится в диапазоне от 1 до 2 Гц. Эта чувствительность обычно признаётся как результат резонанса верхней части туловища при движениях вперёд/назад. Отметим также, что при сравнении границ у отдельных исследователей, минимальная терпимость наблюдается в направлении вперёд/назад.

Рис. 5.38. Пределах терпимости человека для вибраций вперёд/назад.

Кривые допуска, показанные на рисунках, обычно получают из чистого синусоидального воздействия на субъектов, в то время как среда поездки в машине содержит все частоты в широком спектре. Таким образом, чтобы использовать эту информацию для целей измерения вибрации при поездке на сиденье автомобиля или грузовика, необходимо разрешить эту несовместимость. Один из широко используемых методов - это фильтрация данных об ускорении в обратной пропорции к амплитуде выбранной кривой терпимости. Обратная фильтрация позволяет рассматривать результирующий спектр ускорения так, как если бы все частоты были одинаково важны. С помощью этого метода вертикальные колебания и колебания вперёд/назад должны оцениваться отдельно. Чтобы преодолеть эту проблему, для получения общего среднеквадратичного значения взвешенные среднеквадратичные (rms) ускорения в каждом направлении затем иногда комбинируются различными формулами.

Из работы Ли и Прадко [30] произошёл более фундаментальный метод для объединения вертикальных вибраций и вибраций вперёд/назад. Уровень дискомфорта был связан с уровнем мощности вибрации, рассеиваемой в теле субъекта, будь то воздействия по вертикали, вперёд/назад, или боковые. С помощью этого метода кривые терпимости могут быть использованы для взвешивания ускорений так, чтобы найти мощность для каждого направления, и значения мощностей просто складываются.

Кривые терпимости ISO являются одними из популярных весовых функций, используемых для оценки значимости спектра ускорений. Тем не менее, следует признать, что правильным методом для применения кривых терпимости ISO является оценка воздействия в третьоктавных полосах и оценки вибрации на основе наихудшей полосы в спектре.

Когда всё сказано и сделано, кривые терпимости, определённые исследователями, поучительны для инженера, прорабатывающего ходовые качества, в качестве основы для оценки вибраций, которые воздействуют на пассажира через сиденье. Тем не менее, многими инженерами было обнаружено, что измерения этих колебаний, даже взвешенные в соответствии с выбранной кривой терпимости, имеют малое сходство с субъективными оценками, которые будут получены испытателями в дорожных испытаниях. Например, Хили [38] пришёл к выводу, что простое измерение rms ускорения в легковом автомобиле так же близко коррелирует с субъективной оценкой, как любая комбинация взвешенных ускорений, которую он мог бы придумать.

Так или иначе, для регулировки относительной важности определённых частот вибрации используется функция частотной коррекции, и есть форматы, в которых спектр ускорений может быть представлен, которые являются более значимыми для восприятия поездки. В науке динамики обычной практикой является представление информации в частотной области в логарифмическом формате, как показано в верхней части Рисунка 5.39. В этом формате, модальный отклик системы асимптотически приближается к прямым линиям, и поведения сложных систем (с несколькими режимами) могут быть объединены, как показано в нижней части рисунка. Таким образом, он имеет большую полезность для анализа динамических систем. Однако, при оценке поездки это существенно искажает относительные значения вибраций на разных частотах. Представление спектра ускорений при езде в линейно-линейном формате является более значимым, так как площадь под кривой свидетельствует о квадрате среднеквадратичных или среднеквадратичных ускорениях, в зависимости от единицы измерения по оси ординат. (Единицы ускорение2/Герц соответствует квадрату среднеквадратичных значений, в то время как квадратный корень соответствует среднеквадратичному значению).

Рис. 5.39. Представление отклика динамической системы с помощью логарифмических графиков.

Рисунок 5.40 сопоставляет эти два способа представления данных. Хотя логарифмически-логарифмический формат предоставляет больше информации для понимания задействованной динамики системы, линейно-линейный формат позволяет инженеру увидеть относительную важность вибраций в любом диапазоне частот по занимаемой площади. Логарифмически-логарифмический формат обычно создаёт впечатление, что колебания одинаково важны во всём спектре. Тем не менее, в линейно-линейном формате становится ясно, что большая часть квадрата среднеквадратичной вибрации в данном случае концентрируется в низкочастотном диапазоне от 5 Гц и ниже.

Рис. 5.40. Вибрации сиденья, показанные в линейно-линейном и логарифмически-логарифмическом формате.