摩托车振动舒适性测试系统搭建及应用*

2014-10-31李加庆

小型内燃机与车辆技术 2014年3期

李加庆

(上海机动车检测中心上海 201805)

引言

振动现象不仅影响到摩托车的骑乘舒适性和操纵稳定性，还容易导致零部件松动和早期疲劳，对行车安全性构成潜在威胁。此外，振动现象带给消费者最直接、最现实的体验，客观上体现了摩托车的整体质量，直接关系到他们是否购买。因此，开展摩托车振动舒适性评价具有非常重要的现实意义。

摩托车的振动舒适性评价包括主观评价和客观评价两个方面。相对而言，客观评价方法便于实现，可以建立统一标准，有利于对产品进行精确的定量评价。客观评价是指根据测定的振动位移、速度、加速度等物理量进行评价［1〗。客观评价方法的主要参考依据为:汽车标准GB/T 4970－2009:《汽车平顺性试验方法》［2］、国际标准ISO 2631:《人体承受全身振动评价指南》［3］和ISO 5349:《人体承受手传振动的测量与评价指南》［4］。

开展摩托车振动舒适性客观评价自然离不开一套合适的道路试验系统，而市场上没有专门针对该试验的试验系统。重庆大学的徐中明［5］、肖建伯［6］等根据实际需求搭建了一套四通道的便携式测试系统。该系统的硬件部分由PC、数据采集器、加速度传感器、恒流源模块等组成，软件系统基于LabVIEW平台开发，包括数据读取、显示、保存、数据分析等功能模块。该系统具有体积小、重量轻、便于安装、自带电源、可以脱离计算机进行数据采集等优点。试验结果表明，该系统满足试验要求，但通道偏少，有必要进一步完善。

1 试验方法及要求

人体对振动的反应十分复杂，包括了各种因人而异的先决条件、活动方式和环境情况。例如，人的年龄、性别、健康状况、身体素质、体重、驾驶姿势、职业等。这些复杂的因素使得振动舒适性的主观评价十分困难。因而国际标准化组织在一些学者实验研究的基础上制定了ISO 2631和ISO 5349。我国等效采用这两个标准制定了相应的国家标准GB/T 13441《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》［7］和GB/T 14790《机械振动人体暴露于手传振动的测量与评价》［8］。天津内燃机研究所主要参照这两个国家标准，同时借鉴国内其他标准，参考国内外的最新研究成果完成《摩托和轻便摩托车振动舒适性试验方法》，基本内容可参考文献［9］，以下以试验方法代替。

试验方法规定测量手把、脚踏、坐垫三个部位的振动加速度，并计算出各部位的总计权加速度均方根值，然后描绘出总计权加速度均方根值与车速的关系曲线，依据该车速特性曲线进行振动客观评价。试验时，受试车在稳速段内要稳住车速，然后以规定的车速匀速驶过试验路段。在进入试验路段时启动测试仪器以测量各部位的加速度时间历程，同时记录受试车行驶速度。测量时间应不短于30s。测量时手把处的振动记录中心频率6．3～1250 Hz的1/3倍频带频率范围内振动信号，坐垫及脚踏处记录中心频率6．3～400 Hz的1/3倍频带频率范围内振动信号。数据处理流程如图1所示。

图1 数据处理流程

一般地，数据采集软件可以直接计算出各1/3倍频程加速度均方根谱值aj，然后按公式(1)计算频率计权。这里的计权主要是指人体对不同频率振动的反应，计权及合成等计算可在Excel软件中实现。

其中，aw为频率计权加速度;aj为1/3倍频程第j频段实测的加速度均方根值;wj为1/3倍频程第j频段的计权因子，见文献［9］中表1和表2;n为1/3倍频程频段总数。

然后将各轴向加速度值合成为总计权加速度均方根值aw0，按公式(2)计算。

其中，awx，y，z为各轴向频率计权后的加速度均方根值，kx，y，z为各轴向计权系数，见文献［9］中表 1。

为了表述方便，一般地，也可将结果表示成对数形式，总加权加速度振级Law，按公式(3)计算。

其中，a0为参考加速度均方根值，a0=10－6m/s2。

2 系统搭建

试验方法规定测试设备一般由加速度传感器、滤波器、均方根值检波器、指示器及磁带记录仪等组成，也可采用设有计权网络的专用测量仪直接读取计权加速度。实际上，由于动态测试技术和现代信号处理方法的发展，振动测量一般由多通道数据采集系统完成，并在计算机上完成计算和显示。基于此，设计了基于数据采集器的摩托车振动舒适性客观评价试验系统，系统构成及测试原理如图2所示。系统主要设备包括传感器和数据采集器。此外，为了驾驶车辆和记录车速，还需要车速记录与显示设备。

图2 系统构成测试原理

2．1 传感器

试验方法要求至少5只传感器，安装在包括左、右手把，左、右脚蹬及座垫等位置。此外，油箱、乘客座位等也是值得考虑的位置。为了方便安装，要求传感器尺寸小、重量轻，一般选择压电式加速度传感器。试验数据显示，X方向、Y方向的振动值与Z向相当，因此，应当选择三轴加速度传感器。试验方法还对传感器的频率范围提出具体要求:手把处频率范围为5．6～1410Hz，坐垫及脚踏处频率范围为0．9～447Hz。因此，传感器的频率范围至少应覆盖1～1．5k Hz。

试验方法对安装也做出规定:手把处的传感器应通过固定座紧固在手把胶套的外端且不影响驾驶员驾驶，传感器的拾振方向应与手心方向一致，符合GB/T 14790．1第4．2．3 节的规定;脚踏处的传感器应通过固定座紧固在脚踏外端且不影响驾驶员驾驶，传感器的拾振方向应与脚的放置位置一致，符合GB/T 13441．1第5．2节的规定;坐垫处的传感器应与人体紧密接触，并且在人体与座椅间放入一安装传感器的垫盘，传感器的拾振方向应与人体乘坐姿势一致，符合GB/T13441．1第5．2节的规定。传感器的重量、尺寸、形状和安装方法，所使用的专用传感器支座在所测量的频率范围内不允许对振动的传递有明显影响。

根据此要求，选择PCB公司的356A16型加速度传感器布置在左、右手把，左、右脚蹬及油箱、乘客座位等位置。该传感器灵敏度为100 mV/g，量程为50 g，频率范围为 0．5 ～ 4．5k Hz，重量仅 7．4g。为了保证行驶安全及保护传感器，设计了专用的手把及脚踏安装夹具。传感器及安装如图3所示，采用钢制安装架固定在脚踏上，传感器再通过磁座吸附在钢支架上。座垫处选择PCB公司的356B41三轴座垫式加速度传感器。其灵敏度为100 mV/g，量程为50 g，频率范围为 0．5 ～1kHz，重量仅 180g，传感器如图4所示。

图3 脚蹬处加速度传感器

图4 座垫加速度传感器

发动机是导致整车振动的主要因素之一，因此，除了加速度传感器，还需要记录发动机的转速，从而利用发动机转速来进行振动分析。选择日本小野公司的HT6100型数字式转速表测量发动机转速。该转速表测量范围达10000 r/min，带有数字显示功能，并能输出脉冲或数字信号。

2．2 数据采集器及分析软件

数据采集器至少应包括16个同步采样通道。根据采样定理，采样频率应不小于3k Hz。采用B＆K公司的3560D数据采集器和PULSE多分析仪系统可以满足这些要求。该数据采集器具有41个高速同步采集通道，各通道具有独立的24位A/D，可同时采集包括前后轴头、左右手把、左右脚蹬、前后座椅、油箱等部位的加速度信号以及转速信号等，采样频率高达25．6kHz。数据采集器通过网线与笔记本电脑相连。待设置好数据采集软件后，驾驶员将电脑背在肩上完成数据采集。数据采集器由单独的蓄电池供电。考虑到试验安全性及安装的便利性，设计了专门的安装支架固定这些设备，系统安装如图5所示。

图5 数据采集系统

试验方法规定测试完成后，先对振动信号进行1/3倍频程频谱分析，然后进行计权处理及合成，处理方法见第1节。PULSE软件具有1/3倍频程分析功能(CPB模块)。利用CPB模块获得各通道加速度信号的1/3倍频程谱，然后将结果导入Excel软件进行计权处理及合成。

2．3 GPS车速记录仪

试验方法规定测量车速特性评价曲线时，首先测试怠速状态，然后车速从比最低稳定车速略高的车速(取10 km/h整数倍)开始，选择10 km/h的级差递增，直至接近最高车速(取10 km/h整数倍)结束，应使用常用档位，实际车速与选定车速误差不大于±2 km/h。试验要求受试车匀速行驶，并记录行驶速度。一般车速表为指针式仪表，为达到试验要求，因此还需要准确的车速显示仪表供驾驶员查看，以便控制车辆。

为满足上述试验要求，采用自行开发的基于GPS的车速记录显示设备，如图6所示。该设备主要由记录仪、显示屏组成，实现原理见文献［10］。该GPS设备动态响应速度快，能及时反映车辆位置和速度的变化，车辆定位精度为10m，匀速行驶速度误差不大于1 km/h。此外，该设备还能实时显示当前行驶车速，非常方便驾驶员控制车辆。

图6 GPS车速记录仪

3 系统应用

3．1 试验条件

为了探讨试验方法和验证搭建好的这套试验系统，开展了实车道路试验。试验在标准沥青跑道上完成。该跑道长1 km，宽8m，路况良好。试验样车是一台125 mL跨骑式摩托车，属于市场上的中高档产品，已经经过初期磨合，车况良好。试验前按要求检查了轮胎气压，并进行充分预热。在后货架上安装了数据采集器、GPS车速记录仪及蓄电池等设备。在全车共安装了9只加速度传感器，包括左右手把各1只，左右脚踏各1只，前后座椅各1只，油箱侧面1只，前后轴头各1只，另外还有1只转速计，共25个同步测量通道。一共试验了8种工况，包括:怠速、一挡10 km/h匀速行驶、二挡20 km/h匀速行驶、三挡30 km/h匀速行驶、四挡40 km/h匀速行驶、五挡50 km/h匀速行驶、五挡60 km/h匀速行驶、五挡70 km/h匀速行驶。设定传感器的动态范围为10 g，分析频率范围为1．6 kHz。

3．2 试验结果

试验时，驾驶员根据GPS车速记录仪控制受试车在稳速段内匀速行驶。试验前启动数据采集器，记录包括加速、匀速、减速全过程的试验数据。试验结束后，根据车速和转速，截取匀速段的信号进行分析。按照第1节所述数据处理方法，获得规定五处位置的试验结果，描绘的振动－车速特性曲线如图7所示。

图7 振动－车速特性曲线

由图7可以看出，振动一般随车速增加而增加，左右手把、左右脚蹬的振动级基本一致，手把处振动明显大于脚蹬和座椅。从整体趋势来看，整车振动状况良好，在高速状态下振动偏大，某些局部位置在某些工况下振动偏大。依据参考文献［2］中的评价表A．6，座椅和脚蹬处于“有些不舒适”的级别;依据参考文献［11］中的表6，手把振动处于“比较舒适”的级别。综合而言，整车振动处于较好的振动水平。驾驶员对这台车的主观评价是整车振动较小，与客观评价结果一致。对于设备安装，驾驶员认为安全可靠，未影响到操控车辆，在试验过程中，未发现传感器失效。