基于速度与频率加权的摩托车舒适性评价

邹喜红 石晓辉 施 全 郝建军

重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室,重庆,400050

基于速度与频率加权的摩托车舒适性评价

邹喜红 石晓辉 施 全 郝建军

重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室,重庆,400050

考虑轮距滤波的情况下,分析了摩托车振动响应与车速之间的关系,并通过大量试验找出了摩托车在碎石路和水泥路上行驶时车速的统计规律。在此基础上,提出了基于速度与频率加权的摩托车舒适性客观评价方法,并对某125摩托车进行了舒适性试验和评价。结果表明,速度和频率加权加速度均方根值是各种车速下频率加权加速度均方根值的综合反映,具有较强的通用性和实用价值。

摩托车舒适性;速度;频率;加权;评价

0 引言

摩托车的振动通过手把、座位、脚踏三个部位传递到人体,其中摩托车手把振动通过手把传递到人的手和手臂系统,这种振动属于局部振动范畴,而脚踏、座位将振动传递到人体全身,属于全身振动范畴。因此,摩托车舒适性评价是局部振动和全身振动的综合评价,其评价比较复杂[1-2]。

对摩托车振动舒适性的评价通常采用主观评价和客观评价。主观评价虽然考虑了人的感受,但需要大量的专业试验评价工程师和大量的试验,而且总是脱离不了主观性的影响[3-4]。目前,还没有通用的摩托车舒适性客观评价方法,现有评价方法主要是通过测试座位处加速度幅值大小和观察加速度的自功率谱曲线来进行评价,或者通过测试座位处和手把处加速度信号,结合国际标准ISO 2631和ISO 5349进行评价[5-6]。由于车速对摩托车振动响应影响较大,因此在不同车速下得到的评价结果往往有较大的差异[1,7]。

本文在分析摩托车加速度响应与车速关系的基础上,通过大量试验,找出了摩托车在碎石路和水泥路上行驶时车速的统计规律,并提出了基于速度和频率加权的摩托车平顺性评价方法,为摩托车舒适性评价提供了新思路。

1 摩托车振动响应与车速的关系

在摩托车行驶过程中,振动输入主要来自于前后轮的路面激励,ISO/TC 108/WG9和GB 7031-86均建议用下式对路面功率谱密度进行拟合[8-9]:

假设摩托车在路面上行驶时前后轮通过同一轨迹,H(ω)={H f(ω),H r(ω)}为摩托车上任一点加速度对前后轮输入的频率响应函数,其中,H f(ω)、H r(ω)为任一点加速度分别对前后轮输出的频率响应函数。由于前后轮经过同一路面有时间差,因此存在轮距滤波,即当前轮输入为gq(t)时,后轮输入为gq(t-)(l为轴距),即前后轮输入为

由于后轮输入对前轮输入的时间延迟,故考虑轮距滤波后的频率响应函数变为

这里称H(ω,v)为相关频率响应函数,它体现了轮距滤波信息,同时也是车速的函数。

因此,在路面 Gq(ω)输入下,系统的响应Y(ω,v)为

由式(4)可以看出,摩托车上任一点的加速度响应与相关频率响应函数和路面输入有关。由式(3)知,由于轮距滤波的存在,相关频率响应函数是车速和频率的函数;而路面输入的功率谱由式(1)描述,也是频率和车速的函数。因此,车速对摩托车的响应影响很大。

2 摩托车典型路面行驶车速统计分析

本文在典型碎石路和水泥路上进行了大量试验,选取的碎石路基本符合GB 7031-86规定的D级路面,水泥路基本符合GB 7031-86规定的B级路面。试验时,聘用专业摩托车驾驶员,在晴天正常车流量的情况下,根据其驾驶习惯,在上午和下午分别进行自由行驶,并通过GPS车速仪测量车速,试验路段长均为3km,每次试验进行3个循环,在碎石路和水泥路上分别进行了6次试验。通过试验发现,在水泥路和碎石路上自由行驶时车速具有一定的规律,图1所示为水泥路上自由行驶时任意2次的车速分布情况。

图1 水泥路自由行驶车速概率密度

根据所取参数的不同,贝塔(Beta)分布[10]可以具有多种不同的分布形式,它也能逼近多种分布形式,如常用的正态分布、均匀分布、三角分布、瑞利分布和梯形分布等,在生产实践中具有广泛的应用前景和普适性,图2所示为不同参数的Beta分布曲线。本文采用MATLAB编制程序,对碎石路和水泥路行驶车速形状参数进行了估计,图3所示为某次水泥路面自由行驶试验车速的实际概率分布和拟合的Beta分布曲线,可以看出二者吻合非常好。表1所示为碎石路上6次试验数据的拟合结果,表2所示为水泥路上6次试验数据的拟合结果,其中 a、b为 Beta分布的上下限,γ、η为 Beta分布的形状参数。由表1和表2可以发现,摩托车在碎石路面上行驶时,车速近似服从参数为(2,3)的Beta分布,在水泥路面上行驶时,车速近似服从参数为(3.6,2)的Beta分布,如图4所示。

图2 不同形状参数的Beta函数曲线

图3 水泥路面自由行驶车速拟合分布情况

表1 碎石路面车速Beta分布参数估计值

表2 水泥路面车速Beta分布参数估计值

图4 典型路面摩托车车速概率密度分布图

3 基于速度与频率加权的摩托车舒适性评价方法

由式(2)和式(4)得摩托车上任一点处加速度响应的功率谱密度为

由前面分析可知,车速服从Beta分布,其概率函数为P(v),则定义

根据车速加权加速度功率谱密度,结合ISO 2631标准[11]和 ISO 5349标准[12],对(ω)信号进行频率加权,并进一步得到速度和频率加权的加速度均方根值。基于速度和频率加权的加速度均方根值舒适性评价具体方法如下:

(1)在碎石路和水泥路上分别进行等速行驶试验,采集手把、脚踏和座垫处三个方向的加速度时间历程。由于在车速较低时稳速较难,因此在碎石路上行驶车速分别为 20km/h、30km/h、40km/h和50km/h,在水泥路上行驶车速分别为20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h和80km/h,其他试验条件和方法参照GB/T 4970-96《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》[13]。

(2)根据采集的等速行驶加速度时间历程计算其功率谱密度。

(3)由图4得到各匀速行驶车速的加权系数。以匀速行驶车速为中心车速,计算各车速段对应的概率密度,然后进行归一化处理,得到各匀速行驶车速对应的概率密度作为速度加权系数。表3所示为碎石路和水泥路匀速行驶车速对应的加权系数。

表3 匀速行驶车速加权系数

(4)根据式(6)和表3对功率谱密度进行速度加权,得到速度加权功率谱密度。

(5)对于座垫和脚踏部位,结合ISO 2631中的参数分别对三轴向的速度加权功率谱密度进行频率加权,得到单向速度和频率加权加速度均方根值,并进一步得到总的速度和频率加权加速度均方根值。

(6)对于手把部位,采用ISO 5349中参数分别对三轴向的速度加权功率谱密度进行频率加权,得到单向速度和频率加权加速度均方根值,并进一步得到总的速度和频率加权加速度均方根值。

(7)以座垫、脚踏和手把处总的速度和频率加权加速度均方根值对摩托车舒适性进行综合评价。

4 某125摩托车舒适性评价

本文对某125摩托车在水泥路和碎石路上进行了等速采样,得到摩托车在不同车速下匀速行驶时脚踏、座位和手把处的加速度时间历程,并分别采用提出的速度和频率加权加速度均方根值舒适性评价方法和结合ISO 2631与ISO 5349的频率加权加速度均方根值评价方法进行了舒适性评价。

表4和表5所示为碎石路面评价结果,表6和表7所示为水泥路面评价结果,其中aω为频率加权加速度均方根值,Laω为频率加权振级,avω为车速和频率加权加速度均方根值,Lavω为车速和频率加权振级。

表4 碎石路舒适性评价结果(速度与频率加权)

表5 碎石路舒适性评价结果(频率加权)

表6 水泥路舒适性评价结果(速度与频率加权)

由表5和表7可以看出,根据频率加权加速度均方根值评价法,在不同车速下会得出不同的结论,如在碎石路面30km/h时座垫处为相当不舒适,50km/h时为有一些不舒适。根据速度和频率加权加速度均方根值评价法(表4和表6),该摩托车在碎石路上座垫和手把位置表现为有一些不舒适,脚踏部位表现为舒适;在水泥路上各个部位均没有出现不舒适,这与驾驶员的实际反映基本一致。

表7 水泥路舒适性评价结果(频率加权)

实际行驶过程中,驾驶员等速行驶的情况较少,而且在某一车速下的舒适性并不能反映摩托车的综合舒适情况。比如,在某一车速下,摩托车的舒适性较差,但在这一车速下行驶的概率较小,因此也不会引起驾驶员的不舒适感。通常所关心的是在不同车速下行驶时驾驶员的综合舒适程度。通过两种方法的计算可以看出,速度和频率加权加速度均方根值并非是各种车速下频率加权加速度均方根值的简单平均,而是充分考虑了各种车速所占比例的加权平均,是各种车速下舒适性的综合反映。同时速度和频率加权加速度均方根值评价法也为不同摩托车舒适性对比提供了统一的尺度,具有较强的通用性和实用价值。

5 结论

(1)由于轮距滤波的存在,车速对摩托车振动响应有较大的影响,同时对摩托车舒适性有较大的影响。

(2)大量的试验表明,摩托车在碎石路和水泥路面上行驶时,车速近似服从Beta分布。

(3)速度和频率加权加速度均方根值是各种车速下舒适性的综合反映,为摩托车舒适性对比提供了统一的尺度,具有较强的通用性和实用价值。

(4)可以进一步进行大量试验研究,找出基于速度与频率加权的摩托车舒适性客观评价与主观评价之间的确切关系。

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[13] GB/T 4970-96 汽车平顺性随机输入行驶试验方法[S].北京:中国标准出版社,2002.

Evaluation of Motorcycle Ride Com fort Based on Speed and FrequencyWeighting

Zou Xihong Shi Xiaohui Shi Quan Hao Jianjun
Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts,Ministry of Education,Chongqing University of Technology,Chongqing,400050

A relation between motorcycle response and speed was analyzed herein,then through lots of tests,the statistic distributions of speed when motorcycle ran on gravel and concrete road were developed.A nd a new evaluation m ethod of m otorcycle ride com fort based on speed and frequency weighting w as put forward,and the ride com fort of selected 125 motorcyclewas tested and evaluated.The resu lts show that speed and frequency weighting RMS of acceleration is the synthetically reflection to frequency weighting RM S of acceleration at different speeds,w hich has universality and p ractical value.

motorcycle ride com fort;speed;frequency;weighting;evaluation

U483

1004—132X(2011)11—1362—04

2010—08—10

重庆市科技攻关计划资助项目(2007AA 6006);汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室开放基金资助项目(2010K LM T05)

(编辑 苏卫国)

邹喜红,男,1976年生。重庆理工大学汽车学院副教授、博士。研究方向为车辆道路模拟试验和 CAE。石晓辉,男,1963年生。重庆理工大学汽车学院教授、博士。施 全,男,1971年生。重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室高级实验师。郝建军,男,1963年生。重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室副教授、博士。