摩托車振動(dòng)舒適性測(cè)試系統(tǒng)搭建及應(yīng)用*

李加慶

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心 上海 201805)

引言

振動(dòng)現(xiàn)象不僅影響到摩托車的騎乘舒適性和操縱穩(wěn)定性，還容易導(dǎo)致零部件松動(dòng)和早期疲勞，對(duì)行車安全性構(gòu)成潛在威脅。此外，振動(dòng)現(xiàn)象帶給消費(fèi)者最直接、最現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)，客觀上體現(xiàn)了摩托車的整體質(zhì)量，直接關(guān)系到他們是否購買。因此，開展摩托車振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

摩托車的振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)包括主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。相對(duì)而言，客觀評(píng)價(jià)方法便于實(shí)現(xiàn)，可以建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有利于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精確的定量評(píng)價(jià)?？陀^評(píng)價(jià)是指根據(jù)測(cè)定的振動(dòng)位移、速度、加速度等物理量進(jìn)行評(píng)價(jià)［1〗?？陀^評(píng)價(jià)方法的主要參考依據(jù)為:汽車標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4970－2009:《汽車平順性試驗(yàn)方法》［2］、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631:《人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南》［3］和ISO 5349:《人體承受手傳振動(dòng)的測(cè)量與評(píng)價(jià)指南》［4］。

開展摩托車振動(dòng)舒適性客觀評(píng)價(jià)自然離不開一套合適的道路試驗(yàn)系統(tǒng)，而市場(chǎng)上沒有專門針對(duì)該試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)。重慶大學(xué)的徐中明［5］、肖建伯［6］等根據(jù)實(shí)際需求搭建了一套四通道的便攜式測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分由PC、數(shù)據(jù)采集器、加速度傳感器、恒流源模塊等組成，軟件系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，包括數(shù)據(jù)讀取、顯示、保存、數(shù)據(jù)分析等功能模塊。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、便于安裝、自帶電源、可以脫離計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足試驗(yàn)要求，但通道偏少，有必要進(jìn)一步完善。

1 試驗(yàn)方法及要求

人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)十分復(fù)雜，包括了各種因人而異的先決條件、活動(dòng)方式和環(huán)境情況。例如，人的年齡、性別、健康狀況、身體素質(zhì)、體重、駕駛姿勢(shì)、職業(yè)等。這些復(fù)雜的因素使得振動(dòng)舒適性的主觀評(píng)價(jià)十分困難。因而國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在一些學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上制定了ISO 2631和ISO 5349。我國等效采用這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13441《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)》［7］和GB/T 14790《機(jī)械振動(dòng) 人體暴露于手傳振動(dòng)的測(cè)量與評(píng)價(jià)》［8］。天津內(nèi)燃機(jī)研究所主要參照這兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)借鑒國內(nèi)其他標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)外的最新研究成果完成《摩托和輕便摩托車振動(dòng)舒適性試驗(yàn)方法》，基本內(nèi)容可參考文獻(xiàn)［9］，以下以試驗(yàn)方法代替。

試驗(yàn)方法規(guī)定測(cè)量手把、腳踏、坐墊三個(gè)部位的振動(dòng)加速度，并計(jì)算出各部位的總計(jì)權(quán)加速度均方根值，然后描繪出總計(jì)權(quán)加速度均方根值與車速的關(guān)系曲線，依據(jù)該車速特性曲線進(jìn)行振動(dòng)客觀評(píng)價(jià)。試驗(yàn)時(shí)，受試車在穩(wěn)速段內(nèi)要穩(wěn)住車速，然后以規(guī)定的車速勻速駛過試驗(yàn)路段。在進(jìn)入試驗(yàn)路段時(shí)啟動(dòng)測(cè)試儀器以測(cè)量各部位的加速度時(shí)間歷程，同時(shí)記錄受試車行駛速度。測(cè)量時(shí)間應(yīng)不短于30s。測(cè)量時(shí)手把處的振動(dòng)記錄中心頻率6．3～1250 Hz的1/3倍頻帶頻率范圍內(nèi)振動(dòng)信號(hào)，坐墊及腳踏處記錄中心頻率6．3～400 Hz的1/3倍頻帶頻率范圍內(nèi)振動(dòng)信號(hào)。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

一般地，數(shù)據(jù)采集軟件可以直接計(jì)算出各1/3倍頻程加速度均方根譜值aj，然后按公式(1)計(jì)算頻率計(jì)權(quán)。這里的計(jì)權(quán)主要是指人體對(duì)不同頻率振動(dòng)的反應(yīng)，計(jì)權(quán)及合成等計(jì)算可在Excel軟件中實(shí)現(xiàn)。

其中，aw為頻率計(jì)權(quán)加速度;aj為1/3倍頻程第j頻段實(shí)測(cè)的加速度均方根值;wj為1/3倍頻程第j頻段的計(jì)權(quán)因子，見文獻(xiàn)［9］中表1和表2;n為1/3倍頻程頻段總數(shù)。

然后將各軸向加速度值合成為總計(jì)權(quán)加速度均方根值aw0，按公式(2)計(jì)算。

其中，awx，y，z為各軸向頻率計(jì)權(quán)后的加速度均方根值，kx，y，z為各軸向計(jì)權(quán)系數(shù)，見文獻(xiàn)［9］中表 1。

為了表述方便，一般地，也可將結(jié)果表示成對(duì)數(shù)形式，總加權(quán)加速度振級(jí)Law，按公式(3)計(jì)算。

其中，a0為參考加速度均方根值，a0=10－6m/s2。

2 系統(tǒng)搭建

試驗(yàn)方法規(guī)定測(cè)試設(shè)備一般由加速度傳感器、濾波器、均方根值檢波器、指示器及磁帶記錄儀等組成，也可采用設(shè)有計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的專用測(cè)量?jī)x直接讀取計(jì)權(quán)加速度。實(shí)際上，由于動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)和現(xiàn)代信號(hào)處理方法的發(fā)展，振動(dòng)測(cè)量一般由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，并在計(jì)算機(jī)上完成計(jì)算和顯示?；诖?，設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)采集器的摩托車振動(dòng)舒適性客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成及測(cè)試原理如圖2所示。系統(tǒng)主要設(shè)備包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器。此外，為了駕駛車輛和記錄車速，還需要車速記錄與顯示設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成測(cè)試原理

2．1 傳感器

試驗(yàn)方法要求至少5只傳感器，安裝在包括左、右手把，左、右腳蹬及座墊等位置。此外，油箱、乘客座位等也是值得考慮的位置。為了方便安裝，要求傳感器尺寸小、重量輕，一般選擇壓電式加速度傳感器。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，X方向、Y方向的振動(dòng)值與Z向相當(dāng)，因此，應(yīng)當(dāng)選擇三軸加速度傳感器。試驗(yàn)方法還對(duì)傳感器的頻率范圍提出具體要求:手把處頻率范圍為5．6～1410Hz，坐墊及腳踏處頻率范圍為0．9～447Hz。因此，傳感器的頻率范圍至少應(yīng)覆蓋1～1．5k Hz。

試驗(yàn)方法對(duì)安裝也做出規(guī)定:手把處的傳感器應(yīng)通過固定座緊固在手把膠套的外端且不影響駕駛員駕駛，傳感器的拾振方向應(yīng)與手心方向一致，符合GB/T 14790．1第4．2．3 節(jié)的規(guī)定;腳踏處的傳感器應(yīng)通過固定座緊固在腳踏外端且不影響駕駛員駕駛，傳感器的拾振方向應(yīng)與腳的放置位置一致，符合GB/T 13441．1第5．2節(jié)的規(guī)定;坐墊處的傳感器應(yīng)與人體緊密接觸，并且在人體與座椅間放入一安裝傳感器的墊盤，傳感器的拾振方向應(yīng)與人體乘坐姿勢(shì)一致，符合GB/T13441．1第5．2節(jié)的規(guī)定。傳感器的重量、尺寸、形狀和安裝方法，所使用的專用傳感器支座在所測(cè)量的頻率范圍內(nèi)不允許對(duì)振動(dòng)的傳遞有明顯影響。

根據(jù)此要求，選擇PCB公司的356A16型加速度傳感器布置在左、右手把，左、右腳蹬及油箱、乘客座位等位置。該傳感器靈敏度為100 mV/g，量程為50 g，頻率范圍為 0．5 ～ 4．5k Hz，重量?jī)H 7．4g。為了保證行駛安全及保護(hù)傳感器，設(shè)計(jì)了專用的手把及腳踏安裝夾具。傳感器及安裝如圖3所示，采用鋼制安裝架固定在腳踏上，傳感器再通過磁座吸附在鋼支架上。座墊處選擇PCB公司的356B41三軸座墊式加速度傳感器。其靈敏度為100 mV/g，量程為50 g，頻率范圍為 0．5 ～1kHz，重量?jī)H 180g，傳感器如圖4所示。

圖3 腳蹬處加速度傳感器

圖4 座墊加速度傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)是導(dǎo)致整車振動(dòng)的主要因素之一，因此，除了加速度傳感器，還需要記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行振動(dòng)分析。選擇日本小野公司的HT6100型數(shù)字式轉(zhuǎn)速表測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速表測(cè)量范圍達(dá)10000 r/min，帶有數(shù)字顯示功能，并能輸出脈沖或數(shù)字信號(hào)。

2．2 數(shù)據(jù)采集器及分析軟件

數(shù)據(jù)采集器至少應(yīng)包括16個(gè)同步采樣通道。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不小于3k Hz。采用B＆K公司的3560D數(shù)據(jù)采集器和PULSE多分析儀系統(tǒng)可以滿足這些要求。該數(shù)據(jù)采集器具有41個(gè)高速同步采集通道，各通道具有獨(dú)立的24位A/D，可同時(shí)采集包括前后軸頭、左右手把、左右腳蹬、前后座椅、油箱等部位的加速度信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)等，采樣頻率高達(dá)25．6kHz。數(shù)據(jù)采集器通過網(wǎng)線與筆記本電腦相連。待設(shè)置好數(shù)據(jù)采集軟件后，駕駛員將電腦背在肩上完成數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器由單獨(dú)的蓄電池供電?？紤]到試驗(yàn)安全性及安裝的便利性，設(shè)計(jì)了專門的安裝支架固定這些設(shè)備，系統(tǒng)安裝如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)方法規(guī)定測(cè)試完成后，先對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析，然后進(jìn)行計(jì)權(quán)處理及合成，處理方法見第1節(jié)。PULSE軟件具有1/3倍頻程分析功能(CPB模塊)。利用CPB模塊獲得各通道加速度信號(hào)的1/3倍頻程譜，然后將結(jié)果導(dǎo)入Excel軟件進(jìn)行計(jì)權(quán)處理及合成。

2．3 GPS車速記錄儀

試驗(yàn)方法規(guī)定測(cè)量車速特性評(píng)價(jià)曲線時(shí)，首先測(cè)試怠速狀態(tài)，然后車速從比最低穩(wěn)定車速略高的車速(取10 km/h整數(shù)倍)開始，選擇10 km/h的級(jí)差遞增，直至接近最高車速(取10 km/h整數(shù)倍)結(jié)束，應(yīng)使用常用檔位，實(shí)際車速與選定車速誤差不大于±2 km/h。試驗(yàn)要求受試車勻速行駛，并記錄行駛速度。一般車速表為指針式儀表，為達(dá)到試驗(yàn)要求，因此還需要準(zhǔn)確的車速顯示儀表供駕駛員查看，以便控制車輛。

為滿足上述試驗(yàn)要求，采用自行開發(fā)的基于GPS的車速記錄顯示設(shè)備，如圖6所示。該設(shè)備主要由記錄儀、顯示屏組成，實(shí)現(xiàn)原理見文獻(xiàn)［10］。該GPS設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能及時(shí)反映車輛位置和速度的變化，車輛定位精度為10m，勻速行駛速度誤差不大于1 km/h。此外，該設(shè)備還能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前行駛車速，非常方便駕駛員控制車輛。

圖6 GPS車速記錄儀

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3．1 試驗(yàn)條件

為了探討試驗(yàn)方法和驗(yàn)證搭建好的這套試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了實(shí)車道路試驗(yàn)。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)瀝青跑道上完成。該跑道長(zhǎng)1 km，寬8m，路況良好。試驗(yàn)樣車是一臺(tái)125 mL跨騎式摩托車，屬于市場(chǎng)上的中高檔產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)過初期磨合，車況良好。試驗(yàn)前按要求檢查了輪胎氣壓，并進(jìn)行充分預(yù)熱。在后貨架上安裝了數(shù)據(jù)采集器、GPS車速記錄儀及蓄電池等設(shè)備。在全車共安裝了9只加速度傳感器，包括左右手把各1只，左右腳踏各1只，前后座椅各1只，油箱側(cè)面1只，前后軸頭各1只，另外還有1只轉(zhuǎn)速計(jì)，共25個(gè)同步測(cè)量通道。一共試驗(yàn)了8種工況，包括:怠速、一擋10 km/h勻速行駛、二擋20 km/h勻速行駛、三擋30 km/h勻速行駛、四擋40 km/h勻速行駛、五擋50 km/h勻速行駛、五擋60 km/h勻速行駛、五擋70 km/h勻速行駛。設(shè)定傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為10 g，分析頻率范圍為1．6 kHz。

3．2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，駕駛員根據(jù)GPS車速記錄儀控制受試車在穩(wěn)速段內(nèi)勻速行駛。試驗(yàn)前啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，記錄包括加速、勻速、減速全過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)速，截取勻速段的信號(hào)進(jìn)行分析。按照第1節(jié)所述數(shù)據(jù)處理方法，獲得規(guī)定五處位置的試驗(yàn)結(jié)果，描繪的振動(dòng)－車速特性曲線如圖7所示。

圖7 振動(dòng)－車速特性曲線

由圖7可以看出，振動(dòng)一般隨車速增加而增加，左右手把、左右腳蹬的振動(dòng)級(jí)基本一致，手把處振動(dòng)明顯大于腳蹬和座椅。從整體趨勢(shì)來看，整車振動(dòng)狀況良好，在高速狀態(tài)下振動(dòng)偏大，某些局部位置在某些工況下振動(dòng)偏大。依據(jù)參考文獻(xiàn)［2］中的評(píng)價(jià)表A．6，座椅和腳蹬處于“有些不舒適”的級(jí)別;依據(jù)參考文獻(xiàn)［11］中的表6，手把振動(dòng)處于“比較舒適”的級(jí)別。綜合而言，整車振動(dòng)處于較好的振動(dòng)水平。駕駛員對(duì)這臺(tái)車的主觀評(píng)價(jià)是整車振動(dòng)較小，與客觀評(píng)價(jià)結(jié)果一致。對(duì)于設(shè)備安裝，駕駛員認(rèn)為安全可靠，未影響到操控車輛，在試驗(yàn)過程中，未發(fā)現(xiàn)傳感器失效。

4 結(jié)論

1)根據(jù)試驗(yàn)方法要求，搭建了專門用于摩托車振動(dòng)舒適性客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、GPS測(cè)速儀等設(shè)備。試驗(yàn)應(yīng)用表明，該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果正確，滿足試驗(yàn)方法要求。系統(tǒng)安裝方便，安全可靠，試驗(yàn)效率高。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明，左右手把、左右腳踏的振動(dòng)級(jí)基本一致，考慮到它們的對(duì)稱性和粘貼傳感器的便利性，在測(cè)試條件受限時(shí)，可優(yōu)先選擇左手把、右腳蹬。

3)該系統(tǒng)通道多，可充分采集需要評(píng)價(jià)的其他局部振動(dòng)熱點(diǎn)，除用于振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)外，還可以用于一般振動(dòng)試驗(yàn)分析。

1 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 4971－2009汽車平順性術(shù)語和定義［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

2 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 4970－2009汽車平順性試驗(yàn)方法［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

3 ISO2631－1－1997，Mechanical vibration and shock － E-valuation of human exposure to whole－body vibration－Part 1:General requirements

4 ISO5349－1－2001，Mechanical vibration－Measurement and evaluation of human exposure to hand－transmitted vibration－Part 1:General requirements

5 徐中明，李俊鵬，張志飛，等．摩托車振動(dòng)舒適性測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用［J］．汽車工程，2006，28(2):176～180

6 肖建伯．摩托車平順性評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2006

7 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 13441．1－2007，機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)第1部分:一般要求［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

8 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 14790．1－2009，機(jī)械振動(dòng)人體暴露于手傳振動(dòng)的測(cè)量與評(píng)價(jià)第1部分:一般要求［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

9 李加慶，朱強(qiáng)．摩托車振動(dòng)舒適性客觀評(píng)價(jià)方法探討［J］．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013，42(5):90～93

10李加慶，朱秀峰．基于GPS和GPRS的摩托車道路試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］．摩托車技術(shù)，2010(10):49～51

11徐中明，張志飛，黃澤好，等．摩托車平順性評(píng)價(jià)研究［J］．汽車工程，2007，29(2):160～164