基于電子模塊控制的摩托車噪聲測試系統(tǒng)設(shè)計

李　晶　袁克忠（天津內(nèi)燃機研究所　天津　300072）

·設(shè)計·計算·

基于電子模塊控制的摩托車噪聲測試系統(tǒng)設(shè)計

李晶袁克忠
（天津內(nèi)燃機研究所天津300072）

摘要：基于對美國摩托車噪聲法規(guī)的研究，設(shè)計了摩托車噪聲測試系統(tǒng)。試驗表明，該系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡單、方便操作、測量精度高，滿足美國摩托車噪聲標準的要求。

關(guān)鍵詞：摩托車噪聲測試系統(tǒng)關(guān)閉轉(zhuǎn)速加速點

引言

近年來，我國摩托車出口銷量持續(xù)穩(wěn)定運行。2013年，我國出口摩托車整車產(chǎn)品987.74萬輛，同比增長1.84%；出口金額52.66億美元，同比增長3.94%。出口北美市場19.57萬輛，金額1.15億美元，同比增長率分別為-8.84%和2.48%，出口單價同比增長12.41%。我國摩托車出口美國和加拿大等北美市場，需要滿足美國環(huán)保署摩托車噪聲法規(guī)（CFR40 PART 205）的要求。目前，大部分廠家在美國或加拿大進行噪聲認證試驗，費用高、效率低；國內(nèi)的檢測機構(gòu)在進行噪聲認證試驗時，采用駕駛員目測發(fā)動機轉(zhuǎn)速來確定試驗的加速點，這種方法費時費力、準確性很差[1]。因此，本文通過對美國摩托車噪聲法規(guī)及其試驗方法的研究，設(shè)計了符合美國標準的摩托車噪聲測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動確定試驗的加速點，滿足方便、快捷進行美國噪聲標準試驗的要求，從而大大降低試驗費用和試驗周期，并極大提高了試驗的準確性和試驗的工作效率。

1　美國摩托車噪聲法規(guī)

1.1美國摩托車噪聲法規(guī)概況

美國聯(lián)邦政府授權(quán)美國環(huán)境保護署建立、實施相關(guān)噪聲控制標準。美國環(huán)境保護署制定的機動車噪聲標準收錄在聯(lián)邦法規(guī)集（Code of FederalRegulation）中成為國家法規(guī)，其代號為CFR 40 PART 205，摩托車噪聲為其中的D、E部分。該法規(guī)適用于城市輕便摩托車、城市摩托車以及越野摩托車。對于以下及以后年型的摩托車，其噪聲不得超過表1所示水平[2-3]。

在美國的聯(lián)邦法規(guī)中，還規(guī)定了一個低噪聲產(chǎn)品標準，具體限值見表2，鼓勵摩托車制造商生產(chǎn)的摩托車達到此低限值[2-3]。此限值非強制執(zhí)行，屬自愿性質(zhì)。

1.2美國摩托車噪聲法規(guī)試驗方法

1.2.1試驗環(huán)境及條件

試驗場地：如圖1所示，進行噪聲測試的場地必須滿足一定的聲場條件，要求在測試場地最大輪廓范圍內(nèi)，沒有停放的車輛、建筑物或山坡等大的聲反射物。測試路面要求至少在圖中的三角形區(qū)域內(nèi)為平坦水平的混凝土或瀝青路面。

背景噪聲：比受試車在聲級計傳聲器處產(chǎn)生的噪聲級至少低10dB（A）[2]。

氣象條件：風(fēng)速小于20 km/h（5.5m/s）。

表1　美國摩托車噪聲限值

表2　美國摩托車低噪聲產(chǎn)品標準限值

圖1 EPA噪聲測試場地

1.2.2聲級計

聲級計為符合ANSI標準的精密聲級計，聲級計傳聲器距離車輛行駛中心線15±0.3m，離地高度為1.2±0.1m。

1.2.3測試方法

為了便于理解標準，我們在測試過程中定義下列位置點（見圖1）：

A（傳聲器目標點）：行車路線上的一個參考點；

B（加速點）：摩托車由勻速轉(zhuǎn)為加速行駛的位置；

C（終點）：行車路線上在傳聲器目標點外7.5± 0.3m處，車輛終止加速行駛的位置。

摩托車（輕便摩托車除外，輕便摩托車測試方法不考慮加速點B）入線轉(zhuǎn)速為50%最大功率轉(zhuǎn)速與關(guān)閉轉(zhuǎn)速的90%的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速兩者中較低者；檔位采用二檔（自動變速車輛除外）；關(guān)閉轉(zhuǎn)速為摩托車到達加速終點C，結(jié)束加速關(guān)閉油門時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

關(guān)閉轉(zhuǎn)速按照發(fā)動機的排量來確定，表3規(guī)定了對應(yīng)不同排量的發(fā)動機，關(guān)閉轉(zhuǎn)速與最大功率轉(zhuǎn)速的百分比。

表3　發(fā)動機排量與關(guān)閉轉(zhuǎn)速對應(yīng)表

測量噪聲時，摩托車以二檔保持穩(wěn)定入線轉(zhuǎn)速沿行車路線前進。當(dāng)摩托車的前端到達加速點B時，圓滑地開大油門并達到全開，全力加速直至在離終點C±1m的范圍內(nèi)達到關(guān)閉轉(zhuǎn)速，此時圓滑地關(guān)閉油門并達到完全關(guān)閉。記錄摩托車通過時的最高聲壓級作為測量結(jié)果，測量連續(xù)進行[2]。

在上述試驗過程中，確定加速點B的位置是整個試驗的難點。由于不同的摩托車關(guān)閉轉(zhuǎn)速不同，車輛加速性能不同，因此造成加速區(qū)間BC距離不同，加速點B的位置不是固定的，每次試驗需要首先確定加速點。需要注意的是從加速點B到終點C點的距離必須至少是10m，否則必須使用較高可選擇檔位重新確定加速點B，直到滿足要求。

2　測試系統(tǒng)工作原理

在噪聲測試試驗開始前，確定加速點B的位置為整個測試試驗的關(guān)鍵。從與試驗方向相反的的方向以50%的最大功率轉(zhuǎn)速（或關(guān)閉轉(zhuǎn)速的90%的較低者）的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速接近終點C。當(dāng)摩托車的前端到達（從相反方向接近）終點C時，必須圓滑地打開油門使摩托車加速，以全開油門經(jīng)過傳聲器目標點A。當(dāng)摩托車達到關(guān)閉轉(zhuǎn)速時，必須圓滑地使油門完全關(guān)閉。在油門關(guān)閉時的摩托車前端位置就是試驗行車的加速點B。必須以相反方向進行試驗行車，可以進行足夠次數(shù)的試行車，以保證準確地確立加速點的位置。

2.1測試系統(tǒng)的組成

整個測試系統(tǒng)主要包括點火感應(yīng)信號傳感器、控制器、噴印設(shè)備三部分組成，如圖2所示。

圖2　測試系統(tǒng)工作原理圖

分別實現(xiàn)轉(zhuǎn)速輸入、f/v變換、關(guān)閉轉(zhuǎn)速設(shè)定、轉(zhuǎn)速比較、執(zhí)行噴印動作等功能?；陔娮幽K數(shù)據(jù)處理技術(shù)，該儀器提取摩托車發(fā)動機點火感應(yīng)信號，經(jīng)放大、整形、f/v變換、A/D轉(zhuǎn)換，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速變成直讀數(shù)字量。系統(tǒng)可以根據(jù)試驗確定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)定相應(yīng)的模擬電壓，當(dāng)發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速所轉(zhuǎn)換成的模擬電壓超過設(shè)定值時，發(fā)出控制信號，令噴印器向地面噴射出濕棉球，牢固地附著在地面上。同時，訊響器發(fā)出聲光，便于尋找噴射的棉球位置，從而確定摩托車返程時的加速起點B。

2.2噴印設(shè)定/測量顯示單元（前面板）

噴印設(shè)定/測量顯示單元電路如圖3所示。

圖3　噴印設(shè)定/測量顯示單元電路簡圖

關(guān)閉轉(zhuǎn)速的設(shè)定：調(diào)整前面板電位器振蕩頻率，使其關(guān)閉轉(zhuǎn)速符合標準規(guī)定的要求。

前面板顯示器調(diào)整說明：

1）調(diào)整R1相接電位器，使其振蕩頻率為42.6666 kHz，分別經(jīng)256和512分頻，得166.66 Hz和83.33 Hz對應(yīng)10 000 r/min和5 000 r/min，調(diào)整頻率/電壓電路中的n1和n2電位器，使頻率/電壓輸出4V和8V；

2）調(diào)整W1，將1V信號輸給3 1/2面板表，此時應(yīng)顯示1000。否則，微調(diào)W1，使顯示為1000；

3）調(diào)整衰減電位器，當(dāng)K3置于K3B時，K1置于K1B時，面板表亦顯示1000；

4）K1置于K1A，K2置于K2B，K3置于K3B，調(diào)整X8電路中的電位器，使設(shè)定值小于10 000 r/min時，比較器輸出為“0”，而設(shè)定值大于等于10 000 r/min，比較器輸出為“1”；

5）復(fù)查n＝5 000 r/min時的動作情況也應(yīng)如上。

2.3點火感應(yīng)脈沖電平轉(zhuǎn)換

點火感應(yīng)脈沖電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的采集及轉(zhuǎn)化是測試系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速比較及控制的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用次級高壓線感應(yīng)傳感器獲取發(fā)動機點火線圈點火信號，將此高頻脈沖點火信號轉(zhuǎn)化為與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電壓信號。由于發(fā)動機工作過程中存在電磁騷擾現(xiàn)象，為獲得穩(wěn)定、準確的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，本系統(tǒng)在電路處理上采用了各項應(yīng)對措施。

電路簡要說明：

1）U1B左邊是輸入電路。其特點是，不論點火高壓感應(yīng)脈沖使V1輸出何種脈沖，U1B都將輸出滿足下級（U2）所需的負觸發(fā)脈沖。調(diào)整RW2使接收到點火高壓感應(yīng)脈沖后V1輸出電平產(chǎn)生跳動，因R8、C3構(gòu)成的時間常數(shù)較大，U1A 2腳的電平代表沒有點火信號時的平均電平，而U1A 1腳反映有點火信號時所產(chǎn)生的電平變化（無論電平由高變低，還是相反），這一變化經(jīng)異或門U1A將輸出正脈沖，而U1B則輸出負脈沖（電路中U1B相當(dāng)反相器）；

2）光電耦合器在此雖不再起隔離作用，由于選用的光耦4N25響應(yīng)時間較慢，它能剔除高頻干擾信號，而可靠地拾取點火高壓感應(yīng)信號；

3）U6A構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，將光耦輸出的信號再整形；

4）U4設(shè)置了W1，可調(diào)整滿量程（頻率上限）轉(zhuǎn)換電平的幅度；

5）R3、C7是濾波阻容器件，它均衡輸出電平紋波小，相應(yīng)時間快的矛盾；

6）U6D是同相跟隨器，為提高輸出載荷而設(shè)置。2.4噴印比較驅(qū)動及電源單元

噴印比較驅(qū)動及電源單元電路如圖5所示。

圖4　點火感應(yīng)脈沖電平轉(zhuǎn)換電路簡圖

圖5　噴印比較驅(qū)動及電源單元電路簡圖

采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速，時時與關(guān)閉轉(zhuǎn)速進行比較。當(dāng)發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速所轉(zhuǎn)換成的模擬電壓超過設(shè)定值時，發(fā)出控制信號，令噴印器向地面噴射出濕棉球，牢固地附著在地面上，以確定加速點B的位置。

經(jīng)發(fā)動機點火裝置次級電壓感應(yīng)傳感器，將發(fā)動機點火信號轉(zhuǎn)換成模擬電平之后，由插座Q3腳輸給電壓比較器的正相輸入端，調(diào)節(jié)電位器W1將測量要求的“關(guān)閉轉(zhuǎn)速”對應(yīng)的電平電壓輸給比較器反相輸入端。在發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速超過“關(guān)閉轉(zhuǎn)速”的瞬間，比較器的輸出端由低電平立即變?yōu)楦唠娖?，直至試驗中調(diào)整發(fā)動機節(jié)氣門，使其轉(zhuǎn)速降至“關(guān)閉轉(zhuǎn)速”以下，比較器輸出端再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，與此同時，關(guān)閉V1，使電容C1充滿電荷。由于電路結(jié)構(gòu)中，在V1的集電極串聯(lián)了R5（30 kΩ）和小型繼電器的線圈（400Ω），只有當(dāng)比較器輸出高電平，并在電容C1充滿電荷（C1兩端保有12 V）的瞬間，小型繼電器JZ的常開觸點才被接通，使噴印執(zhí)行電磁鐵瞬間拉動噴印“槍”。而后，隨著C1儲存的電荷被釋放完畢，則小型繼電器不論比較器輸出是否高電平都將自行關(guān)閉。

3　測試系統(tǒng)性能分析

本測試系統(tǒng)采用的次級高壓線感應(yīng)傳感器拾取發(fā)動機點火線圈點火信號，傳感器采集精度高，抗干擾能力強，使用方便。

美國摩托車噪聲測試系統(tǒng)的特點為：

1）在當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時，系統(tǒng)能夠自動在試驗道路上噴印加速點B的位置；

2）確定加速點B的位置時，迅響器發(fā)出聲光，便于尋找噴射的棉球位置；

3）該系統(tǒng)在加速噪聲測試點，能鎖存在該點的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而驗證試驗的精度。

根據(jù)天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院測試結(jié)果（測試證書編號：XNcs082271），在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000～10 000 r/min范圍內(nèi)，測量準確度在實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速的±3%以內(nèi)；噴印最大延遲時間為20ms。經(jīng)試驗驗證，整個測試系統(tǒng)的噴印位置誤差不超過±1m。

4　結(jié)論

通過對美國摩托車噪聲法規(guī)的研究，設(shè)計開發(fā)了適用于美國EPA法規(guī)的摩托車噪聲測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)體積小重量輕，便于摩托車的車載試驗，方便攜帶。在國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（天津）的應(yīng)用表明，該測試系統(tǒng)不僅大大提高了測試結(jié)果的精確度和準確度，科學(xué)準確可靠快捷地完成了美國摩托車噪聲的道路試驗，而且還縮短了檢驗時間，提高了工作效率，降低了檢驗成本，同時也減輕了駕駛員負擔(dān)。

參考文獻

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3尹濤.歐洲及美國摩托車噪聲管理及標準發(fā)展 [J].摩托車技術(shù)，2004（9）：21-23

中圖分類號：TK417+.125

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0071-05

收稿日期：（2015-05-25）

作者簡介：李晶（1981-），女，工程師，主要研究方向為摩托車標準分析及檢測技術(shù)。

Design ofM otorcycle Noise Test System Based on Electric M odule Control

Li Jing,Yuan Kezhong
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute(Tianjin,300072,China)

Abstract：Based on the study of themotorcycle noise regulations of US,motorcycle noise test system was designed.The Tests indicate that the system has good reliability and stability,it has simple structure and is convenient for operation.Themeasurement precision meets the requirements of the USmotorcycle noise regulations.

Keywords：Motorcycle,Noise,Testsystem,Closing RPM,Acceleration point