基于道路模擬的摩托車平順性分析

斯維

（隆鑫通用動力股份有限公司 重慶市九龍坡區(qū) 400039）

基于道路模擬的摩托車平順性分析

斯維

（隆鑫通用動力股份有限公司 重慶市九龍坡區(qū) 400039）

通過綜合應用道路模擬試驗技術(shù)、有限元分析法以及多體動力學仿真技術(shù)，即可建立清晰的摩托車平順性仿真模型，從而可以通過驗證并改進仿真模型，實現(xiàn)平順性分析。本文根據(jù)相關(guān)標準，探討了摩托車平順性的客觀評價方法，并對摩托車平順性仿真進行客觀的評價，以供參考。

道路模擬；摩托車；平順性

1 引言

為了評估摩托車平順性，主要以道路模擬試驗機為基礎，融合現(xiàn)代的仿真技術(shù)，即可建立一個明確清晰的虛擬樣機模型，從而通過計算機，實現(xiàn)對摩托車平順性的仿真模擬試驗，在制造出物理樣機之前，能夠?qū)φ嚨膭討B(tài)特性有整體性的了解，對于節(jié)約成本、縮短設計周期以及指導設計而言意義重大。

2 摩托車道路模擬試驗

一般來說，對于摩托車的道路模擬試驗，可以采用以下四種方法：道路剖面儀模擬試驗、有效路面模擬試驗、遠程參數(shù)控制（RPC試驗和6c）標準道路激勵譜模擬試驗。對于含路面不平激勵作用下的摩托車，在進行行駛平順性的動力學建模之后，還需要使用垂向剛度的彈簧模型，來替代輪胎模型，進而對建模的具體過程實施簡化，從而建立車身垂向、俯仰及前后的輪彈跳，總共四個自由度多體動力學模型。試驗運用的是諧波疊加法，建立起C級路面的模型，并同時應用于多體動力學模型的仿真分析中，實現(xiàn)道路模擬摩托車平順性試驗。在模擬試驗過程中，采用兩通道輪胎藕合道路模擬試驗機，激振摩托車系統(tǒng)，將C級路面的模型轉(zhuǎn)化成激振器的驅(qū)動信號，并對駕駛員坐墊和腳踏位置的振動加速度進行了測試，同時與仿真分析結(jié)果進行對比，驗證了仿真模型的正確性。

3 摩托車的平順性探討

3.1 摩托車振動傳播途徑分析

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也在日益提高，而產(chǎn)生摩托車振動的激勵源主要不平路面激勵和發(fā)動機激勵兩種。而摩托車本身的振動又傳遞途徑包括以下三種：①由手傳遞至手臂，然后傳至人體；②由坐墊傳遞至臀部、腰以及人體；③由腳踏，傳遞至腳、腿以及人體。如果長時間處于這種較大的振動行車狀態(tài)中，將嚴重損害到駕駛員、乘客的健康，瞬間的劇烈振動還會影響駕駛員感知與判斷，甚至引起交通事故。

摩托車是一個復雜的多體動力學振動系統(tǒng)，為測定其行駛平穩(wěn)性，可進行摩托車行駛的平順性建模措施，運用垂向剛度的彈簧模型替代輪胎模型，簡化建模過程，建立起車身垂向、俯仰及前后輪彈跳四個自由度多體動力學的虛擬模型；此外，還需對摩托車系統(tǒng)，實施道路模擬試驗，采用兩通道輪胎的道路模擬試驗機，對摩托車系統(tǒng)采取C級路面激勵下的激振試驗，測試駕駛員坐墊、腳踏等位置的實際振動加速度，對比仿真分析結(jié)果，獲得平順性結(jié)論。

3.2 摩托車平順性分析模型的建立

摩托車整車的仿真模型，主要包括以下部件：車架、后平義、方向把、腳踏板、油箱、座墊、人體模型、前后減振器、前后路面以及前后輪胎等。其中，路面試驗能夠幫助獲得前后輪的位移激勵，按照ADAMS路面格式，可以建立三維路面模型。車架使用的是以MSC.ADAMS為基礎建立的柔性體車架。此處的仿真為平順性仿真，可以依據(jù)輪胎材料、三維模型得知輪胎質(zhì)量、徑向轉(zhuǎn)動慣量以及周向轉(zhuǎn)動慣量等多種物理特性；而依據(jù)輪胎型號，則能夠得知輪胎自由半徑、寬度以及扁平率等；對于前后輪，則可通過靜加載實驗，獲取其垂直剛度。前后減振器通常采用的是分段彈簧模擬，其剛度、阻尼等信息均需依靠實驗獲得。對于全身振動，采用的是總加權(quán)加速度均方根值，作為評價指標，計算公式如下：

式中：αfeet，αseat-trans，αseat-pitch分別是腳踏板、座位的單點加權(quán)線加速度均方根值，座位單點加權(quán)角加速度均方根值。

4 基于輪胎藕合道路模擬試驗機的試驗測試

4.1 試驗測試

道路模擬試驗機是摩托車平順性研究的重要測試手段之一，可以采用兩通道輪胎禍合道路模擬試驗機對摩托車系統(tǒng)進行了不平路面激勵下的振動測試。

道路模擬試驗機的硬件組成主要有：①液壓系統(tǒng)，由液壓泵站、分油器及儲能器構(gòu)成的液壓源、2個液壓線性作動器構(gòu)成的激振器和伺服閥組成；②機械系統(tǒng)，由前后車輪托盤、2個側(cè)向立柱和1個側(cè)向約束支架的約束系統(tǒng)組成；③電控系統(tǒng)，由工作站臺、閥控制器、調(diào)節(jié)器及多通道的模擬輸人和數(shù)字輸入輸出組成；④數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要測點是駕駛員座墊、腳踏、手把以及行李箱位置。

在上述C級不平路面的激勵下，運用兩通道輪胎藕合道路模擬試驗機，對摩托車系統(tǒng)實施激振試驗，采集各測點的位置振動加速度及其均方根值的響應。由于人體對于振動的感受，與振動頻率、強度、方向和暴露時間相關(guān)，且人體對不同頻率振動的敏感程度不同，通常規(guī)定1/3倍的頻帶中心頻率和加權(quán)因子。

按照標準要求，對騎乘者座墊、腳踏和手把的位置振動加速度，進行加權(quán)計算。由于行李箱處垂向振動加速度最大，沿前進方向和側(cè)向方向的振動加速度要小些；而手把位置在垂向和側(cè)向方向的振動加速度均較大，沿前進方向的振動要小些；腳踏位置在側(cè)向的振動加速度要比垂向和前進方向的大；座墊位置垂向和側(cè)向的振動加速度比較接近，要比前進方向的大。在道路模擬的試驗中，由于摩托車側(cè)向的約束與實際路面行駛時的狀況存在差異，導致摩托車在實際振動過程測量結(jié)果與實際測試數(shù)據(jù)存在差異?？傮w而言，行李箱處振動最大，手把位置和腳踏位置次之，座墊處振動最小。

4.2 試驗結(jié)果平順性分析

4.2.1 振動舒適性分析

對摩托車振動舒適性的評價可參考機械振動對人體影響的評價方法。機械振動對人體的影響分為全身振動和局部振動，其中摩托車座墊和腳踏位置屬于前者，而手把屬于后者。相關(guān)標準推薦采用總加權(quán)加速度均方根值對人體的舒適與健康進行評價，具體計算各軸向加權(quán)加速度均方根值如下式所示：

計算總加權(quán)加速度均方根值：

式中：αwix，αwiy，αwiz分別是 x，y，z軸的加權(quán)加速度均方根值；kx，ky，kz分別為相應加權(quán)系數(shù)。

對于手把位置和座墊而言，3個加權(quán)系數(shù)均為1；對于腳踏位置而言，3個加權(quán)系數(shù)分別為0.25，0.25和0.40其中，獲得總計權(quán)加速度均方根值如表1所示。

表1 人體不同部位的總計權(quán)加速度均方根值

加權(quán)加速度均方根值與人體主觀評價可知，當摩托車在C級路面以30km/h的車速行駛時，除腳踏處感覺不舒適外，座墊和手把均感覺極不舒適。由于沒有采用專門座墊加速度傳感器，因此，座墊處加速度傳感器的安裝位置和實際情況存在差別；為了方便安裝該傳感器，需要移除摩托車座墊材料，因此，摩托車實際行駛時的座墊處總計權(quán)加速度值會比測量值??；此外，手把處振動也較大，因此，本款摩托車平順性仍然有待改善。

4.2.2 座墊處1/3倍頻程與功率譜密度分析

騎乘者座墊處的振動加速度數(shù)據(jù)，需實施1/3倍頻程分析，得到計權(quán)、不計權(quán)時1/3倍頻程如圖1所示。由圖可知，不計權(quán)時，座墊處垂直振動加速度為中心頻率12.5Hz時，其取最大值是0.18g；計權(quán)時，座墊處垂直振動的加速度明顯減小，中心頻率12.5Hz時，取得最大值是0.11g。同時，由于計權(quán)、不計權(quán)相比，座墊處垂直振動的加速度由0.41g減小到0.2g，可見，加權(quán)系數(shù)對騎乘者座墊的垂向振動加速度具有的影響較大。

圖1 騎乘者座墊處計權(quán)與不計權(quán)1/3倍頻程圖

進一步試驗測試數(shù)據(jù)，即可分析自功率譜，得到騎乘者座墊垂向的振動加速度功率譜密度，得知座墊處功率譜密度主要集中于1.7Hz和11.6Hz左右，同時因為存在軸距濾波效應，在6Hz附近也出現(xiàn)一個峰值。此外，前后輪彈跳固有頻率附近的峰值要明顯高于其他2個峰值，可見騎乘者座墊處的振動主要由前后輪振動即不平路面的激勵所造成。

4.2.3 手把局部振動分析

對手把引起的局部振動分析結(jié)果（見表2）進行分析，得出以下結(jié)論：①局部振動的高頻成分占的比例很大，這主要是局部振動的頻率加權(quán)函數(shù)在高頻處的加權(quán)值比全身振動時大得多；②手把處的加權(quán)加速度的矢量和比全身振動大得多?？梢钥闯鯵方向的振動貢獻量也不小，這可能是布置傳感器時，坐標是生物坐標系，與整車的行駛坐標系不一樣。所以對于手把振動來說，應該同時考慮三個方向的加速度。

表2 局部振動分析表

5 結(jié)語

運用道路模擬試驗技術(shù)，通過對實際路面的仿真分析，建立平順性仿真模型，達到了足夠的精度，且可以代替道路試驗開展平順性分析工作。探討摩托車平順性客觀的評價方法，就分析結(jié)果得知，質(zhì)量所引起的振動是主要的不舒適來源，借助該分析模型，即可有效分析懸架參數(shù)整車平順性影響，并進行優(yōu)化分析。

[1]陳 明.平衡懸架在正三輪摩托車上的應用[J].摩托車技術(shù)，2015（11）：38～41.

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[3]雷雪媛，顧亮，董明明，等.汽車平順性的仿真與試驗分析[J].機械設計與制造，2015（11）：38～41.

U483

A

1004-7344（2016）10-0304-02

2016-3-18

斯維（1983-），男，中級工程師，本科，主要從事摩托車質(zhì)量檢測方面的工作。