摩托車實車道路振動對比測試與分析*

來 飛，黃超群，顏長征，周政平

(1.重慶車輛檢測研究院國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122;2.重慶廣播電視大學汽車工程學院，重慶 401520;3.重慶工商職業(yè)學院汽車工程學院，重慶 401520)

1 引言

摩托車作為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾煌üぞ咧?，對其振動舒適性的要求在不斷提高，長時間的較大振動會嚴重損害乘騎者的身心健康，瞬間的劇烈振動也會影響駕駛員的感知和判斷，從而引發(fā)安全事故。因此，對其振動舒適性研究有較大的現(xiàn)實意義［1－3］。

引起摩托車振動的激勵源主要有不平路面激勵和發(fā)動機激勵兩種，其振動又主要通過以下三種途徑進行傳遞［3］:①從手把傳遞給手臂和人體;②從坐墊傳遞給臀部、腰和人體;③從腳踏傳遞給腳、腿和人體。目前，對摩托車振動舒適性的研究主要集中在不平路面激勵下的計算機仿真分析和發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速激勵下的實驗室試驗測試兩種手段［4－7］，而對于摩托車實車道路振動試驗方面的研究報道較少，其原因在于與四輪車輛相比，對于同時有路面激勵和發(fā)動機激勵的兩輪摩托車的道路實車測試工作顯得更為困難和復雜。

為采集摩托車實際運行工況下的振動數(shù)據(jù)，同時更好地為企業(yè)提供技術服務，本文進行了路面激勵和發(fā)動機激勵兩種激勵源同時存在的摩托車實車道路振動測試。針對同一款摩托車，采用三套不同型號的前后減振器，進行了三種不同路面下的振動對比測試，根據(jù)國際標準ISO2631和ISO5439分別對腳踏、坐墊和手把位置進行了1/3倍頻程分析和對比，同時對振動較大的立管中部和左右后減位置的響應也進行了測試分析和比較。

2 數(shù)據(jù)采集儀和加速度傳感器的安裝

為方便進行數(shù)據(jù)采集和保證試驗測試的安全性，本文采用帶有硬件觸發(fā)開關的便攜式數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集。對安裝有三套不同型號減振器的同一摩托車進行了三種不同路面下的實車振動對比測試。數(shù)據(jù)采集儀及加速度傳感器的安裝如圖1所示，其中，駕駛員坐墊位置處采用BK公司的4515－B－002型坐墊傳感器，并采用相應的4447型手持式分析儀進行實時測試，如圖1(b)所示。立管中部及腳踏位置的加速度傳感器的安裝情況分別如圖11(c)、(d)所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集儀及加速度傳感器的安裝

選取的三種測試路面情況分別為典型的差路面、鋪裝路面及瀝青路面。進行道路測試時，除駕駛員外，摩托車上還將搭載一名乘客，為保證駕駛員及乘客的安全性，同時考慮結(jié)合實際情況，在典型差路面上的車速選為30 km/h，在鋪裝路面上的車速選為40 km/h，在瀝青路面上的車速選為50 km/h。

3 不同樣車下的道路振動對比測試及結(jié)果分析

將三套不同型號的減振器依次安裝在同一摩托車上進行道路試驗，以下簡稱#1、#2、#3號樣車。圖2顯示了三種樣車分別在不同路面上行駛時，左腳踏Z向(垂直方向)1/3倍頻程振動加速度的響應情況。由圖可知，當摩托車在典型差路面上以30 km/h的速度行駛時，#1樣車的加速度峰值頻率在5 Hz、10 Hz和80 Hz附近，#2樣車的加速度峰值頻率與#1相同，#3樣車的加速度峰值頻率在6.3 Hz和80 Hz附近。當摩托車以40 km/h的速度在鋪裝路面上行駛時，#1樣車的加速度峰值頻率在8 Hz和100 Hz附近，#2樣車的加速度峰值頻率在8 Hz和80 Hz左右，#3樣車的加速度峰值頻率與#2相同。當摩托車以50 km/h的速度行駛在瀝青路面上時，#1樣車的加速度峰值頻率在6.3 Hz和125 Hz附近，#2樣車的加速度峰值頻率在6.3 Hz和100 Hz左右，#3樣車的加速度峰值頻率在8 Hz和125 Hz左右。由此可知，腳踏的振動與路面、車速及前后懸的特性都有密切關系。對同一摩托車而言，路面越平整，振動越小。

圖2 左腳踏Z向1/3倍頻程振動加速度對比圖

同時對左右手把、駕駛員坐墊、左右腳踏、立管中部及左右后減位置的加速度振動響應進行了不同路面下的實車對比測試。

圖3為三種路面下摩托車左右手把、左右腳踏及駕駛員坐墊處的加速度均方根響應，其中對左右手把處的振動響應按照國際標準ISO5439進行了加權，對左右腳踏和駕駛員坐墊的振動響應按照國際標準ISO2631進行了加權。由圖3可知，摩托車手把、腳踏及駕駛員坐墊在瀝青路面上的振動最小，在鋪裝路面上的振動次之，在差路面上的振動最大。

圖4為摩托車在三種路面下立管中部及左右后減位置的加速度均方根響應。由圖4可知，摩托車立管中部及左右后減位置的振動在差路面上的最小，在鋪裝路面上的振動次之，在瀝青路面上的振動最大。這說明摩托車手把、腳踏及駕駛員坐墊位置的振動與路面激勵有較大關系，而立管中部和左右后減位置的振動則與路面激勵和發(fā)動機的激勵都有關系?？傮w來看，#2樣車的振動比#1和#3的振動要小。

圖3 左右手把、左右腳踏及駕駛員坐墊位置的振動響應

圖4 立管中部及左右后減位置的振動響應

4 同一樣車下不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速下的振動測試

4.1 摩托車固定不動、發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的振動測試

選取#3摩托車樣車為研究對象，研究了摩托車固定不動時，發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下左右腳踏和立管中部位置的振動響應情況。圖5為摩托車固定不動時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在 1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min和5000 r/min時的左右腳踏和立管中部的振動響應情況。其中，圖5(a)為左右腳踏未計權時的響應，圖5(b)為左右腳踏計權后的響應。由圖可知，左右腳踏及立管中部的振動加速度均隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而增加，未計權時的左右腳踏位置的振動加速度均方根值要高于立管中部位置，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，腳踏位置的振動越明顯。可見發(fā)動機激勵對腳踏位置的振動有重要影響，同時右腳踏位置的振動要略高于左腳踏位置的，其主要與發(fā)動機在車架上的布置有關。

圖6為左右腳踏和立管中部位置前進方向(x向)和垂直方向(z向)的振動加速度功率譜密度，為節(jié)省篇幅，僅給出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1000 r/min、2000 r/min和4000 r/min時的響應情況。

圖5 發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下立管中部及左右腳踏振動加速度均方根

不同方向下振動加速度功率譜密度的峰值頻率分別在16.7 Hz、33.4 Hz和 66.7 Hz附近，這與發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的基頻相一致。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，各測點位置的振動加速度的峰值頻率及功率譜密度也不斷增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，增加的趨勢也明顯。

圖6 發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下左右腳踏和立管中部的功率譜密度

4.2 鋪裝路面下、不同車速下的振動測試

圖7為#3摩托樣車在鋪裝路面上分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h 和 50 km/h 的車速行駛時，左右腳踏和駕駛員坐墊位置計權后的振動加速度均方根響應情況。隨著車速的提高，各測點的振動加速度隨之增加，其中40 km/h時各測點的振動加速度響應要略低于30 km/h，其主要原因在于前者行駛時變速器為3檔，后者為2檔，前者的發(fā)動機轉(zhuǎn)速要略低于后者，同時也正好說明路面激勵和發(fā)動機激勵對各測點的振動均有較大的影響。同時可發(fā)現(xiàn)，各種車速下右腳踏的振動響應要大于左腳踏。

圖7 鋪裝路面不同車速下左右腳踏和坐墊的振動響應

圖8 鋪裝路面50 km/h下各測點的振動加速度功率譜密度

圖8為摩托車以50 km/h車速行駛時各測點振動加速度的功率譜密度。由圖可知，各測點的功率譜密度的峰值頻率在110 Hz附近，而摩托車車速以50 km/h行駛時對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速約為6600 r/min，這也正好與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的基頻相一致。

5 結(jié)論

通過對路面不平激勵和發(fā)動機激勵同時作用下的摩托車進行了道路振動試驗，將三種不同型號的減振器依次安裝上同一摩托車上，進行了三種不同路面下的振動對比測試，得到以下結(jié)論:

(1)路面不平激勵和發(fā)動機激勵對于腳踏、立管中部和左右后減位置的振動均有重要影響。對于試驗所采用的樣車而言，右腳踏的振動要略高于左腳踏的，這主要與發(fā)動機在車架上的布置有關。

(2)路面不平激勵對于手把和駕駛員坐墊位置有重要影響。對于本文所選擇的測試工況，手把和坐墊處的振動在瀝青路面上行駛時最小，鋪裝路面次之，差路面上最大。

(3)綜合來看，2#樣車各測點的振動要小于1#和3#樣車。

(4)本文所得到的實車道路振動測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果對于摩托車平順性建模和仿真分析及其在此基礎上進行的相關優(yōu)化設計工作均有較大的參考價值。

［1］ISO2631－1:1997.Mechanical vibration and shock—Evaluation of human exposure to whole－body Vibration—Part 1:General Requirement［S］.

［2］ISO5349 －1:2001.Mechanical vibration— Measurement and evaluation of human exposure to hand－transmitted vibration—Part 1:General requirements［S］.

［3］高國生，張祖翰.摩托車車架動態(tài)性能的試驗研究［J］.振動與沖擊，1994，3(44):66－69

［4］Cossalter V.，Doria A.Garbin S.Frequency－domain method for evaluating the ride comfort of a motorcycle［J］.Vehicle System Dynamics，2006，44(4):339 －355.

［5］Donida F.，F(xiàn)erretti G.Savaresi S.Object－ oriented modeling and simulation of a motorcycle［J］.Mathematical＆ Computer Modeling of Dynamical Systems，2008，14(2):79 －100.

［6］Cossalter V.，Lot R.A motorcycle multi－body model for real time simulations based on the natural coordinates approach［J］.Vehicle System Dynamics，2002，37(6):423 －447.

［7］Sun，L.On human perception and evaluation to road surfaces［J］.Journal of Sound and Vibration，2001，247(3):409－415.