基于道路模拟的摩托车平顺性分析

2016-08-11斯维

大科技 2016年10期

关键词：座垫方根值平顺

斯维

（隆鑫通用动力股份有限公司重庆市九龙坡区 400039）

基于道路模拟的摩托车平顺性分析

斯维

（隆鑫通用动力股份有限公司重庆市九龙坡区 400039）

通过综合应用道路模拟试验技术、有限元分析法以及多体动力学仿真技术，即可建立清晰的摩托车平顺性仿真模型，从而可以通过验证并改进仿真模型，实现平顺性分析。本文根据相关标准，探讨了摩托车平顺性的客观评价方法，并对摩托车平顺性仿真进行客观的评价，以供参考。

道路模拟；摩托车；平顺性

1 引言

为了评估摩托车平顺性，主要以道路模拟试验机为基础，融合现代的仿真技术，即可建立一个明确清晰的虚拟样机模型，从而通过计算机，实现对摩托车平顺性的仿真模拟试验，在制造出物理样机之前，能够对整车的动态特性有整体性的了解，对于节约成本、缩短设计周期以及指导设计而言意义重大。

2 摩托车道路模拟试验

一般来说，对于摩托车的道路模拟试验，可以采用以下四种方法：道路剖面仪模拟试验、有效路面模拟试验、远程参数控制（RPC试验和6c）标准道路激励谱模拟试验。对于含路面不平激励作用下的摩托车，在进行行驶平顺性的动力学建模之后，还需要使用垂向刚度的弹簧模型，来替代轮胎模型，进而对建模的具体过程实施简化，从而建立车身垂向、俯仰及前后的轮弹跳，总共四个自由度多体动力学模型。试验运用的是谐波叠加法，建立起C级路面的模型，并同时应用于多体动力学模型的仿真分析中，实现道路模拟摩托车平顺性试验。在模拟试验过程中，采用两通道轮胎藕合道路模拟试验机，激振摩托车系统，将C级路面的模型转化成激振器的驱动信号，并对驾驶员坐垫和脚踏位置的振动加速度进行了测试，同时与仿真分析结果进行对比，验证了仿真模型的正确性。

3 摩托车的平顺性探讨

3.1 摩托车振动传播途径分析

摩托车作为人们日常生活的重要交通工具之一，对其振动舒适性的要求也在日益提高，而产生摩托车振动的激励源主要不平路面激励和发动机激励两种。而摩托车本身的振动又传递途径包括以下三种：①由手传递至手臂，然后传至人体；②由坐垫传递至臀部、腰以及人体；③由脚踏，传递至脚、腿以及人体。如果长时间处于这种较大的振动行车状态中，将严重损害到驾驶员、乘客的健康，瞬间的剧烈振动还会影响驾驶员感知与判断，甚至引起交通事故。

摩托车是一个复杂的多体动力学振动系统，为测定其行驶平稳性，可进行摩托车行驶的平顺性建模措施，运用垂向刚度的弹簧模型替代轮胎模型，简化建模过程，建立起车身垂向、俯仰及前后轮弹跳四个自由度多体动力学的虚拟模型；此外，还需对摩托车系统，实施道路模拟试验，采用两通道轮胎的道路模拟试验机，对摩托车系统采取C级路面激励下的激振试验，测试驾驶员坐垫、脚踏等位置的实际振动加速度，对比仿真分析结果，获得平顺性结论。

3.2 摩托车平顺性分析模型的建立

摩托车整车的仿真模型，主要包括以下部件：车架、后平义、方向把、脚踏板、油箱、座垫、人体模型、前后减振器、前后路面以及前后轮胎等。其中，路面试验能够帮助获得前后轮的位移激励，按照ADAMS路面格式，可以建立三维路面模型。车架使用的是以MSC.ADAMS为基础建立的柔性体车架。此处的仿真为平顺性仿真，可以依据轮胎材料、三维模型得知轮胎质量、径向转动惯量以及周向转动惯量等多种物理特性；而依据轮胎型号，则能够得知轮胎自由半径、宽度以及扁平率等；对于前后轮，则可通过静加载实验，获取其垂直刚度。前后减振器通常采用的是分段弹簧模拟，其刚度、阻尼等信息均需依靠实验获得。对于全身振动，采用的是总加权加速度均方根值，作为评价指标，计算公式如下：

式中：αfeet，αseat-trans，αseat-pitch分别是脚踏板、座位的单点加权线加速度均方根值，座位单点加权角加速度均方根值。

4 基于轮胎藕合道路模拟试验机的试验测试

4.1 试验测试

道路模拟试验机是摩托车平顺性研究的重要测试手段之一，可以采用两通道轮胎祸合道路模拟试验机对摩托车系统进行了不平路面激励下的振动测试。

道路模拟试验机的硬件组成主要有：①液压系统，由液压泵站、分油器及储能器构成的液压源、2个液压线性作动器构成的激振器和伺服阀组成；②机械系统，由前后车轮托盘、2个侧向立柱和1个侧向约束支架的约束系统组成；③电控系统，由工作站台、阀控制器、调节器及多通道的模拟输人和数字输入输出组成；④数据采集系统的主要测点是驾驶员座垫、脚踏、手把以及行李箱位置。

在上述C级不平路面的激励下，运用两通道轮胎藕合道路模拟试验机，对摩托车系统实施激振试验，采集各测点的位置振动加速度及其均方根值的响应。由于人体对于振动的感受，与振动频率、强度、方向和暴露时间相关，且人体对不同频率振动的敏感程度不同，通常规定1/3倍的频带中心频率和加权因子。

按照标准要求，对骑乘者座垫、脚踏和手把的位置振动加速度，进行加权计算。由于行李箱处垂向振动加速度最大，沿前进方向和侧向方向的振动加速度要小些；而手把位置在垂向和侧向方向的振动加速度均较大，沿前进方向的振动要小些；脚踏位置在侧向的振动加速度要比垂向和前进方向的大；座垫位置垂向和侧向的振动加速度比较接近，要比前进方向的大。在道路模拟的试验中，由于摩托车侧向的约束与实际路面行驶时的状况存在差异，导致摩托车在实际振动过程测量结果与实际测试数据存在差异。总体而言，行李箱处振动最大，手把位置和脚踏位置次之，座垫处振动最小。

4.2 试验结果平顺性分析

4.2.1 振动舒适性分析

对摩托车振动舒适性的评价可参考机械振动对人体影响的评价方法。机械振动对人体的影响分为全身振动和局部振动，其中摩托车座垫和脚踏位置属于前者，而手把属于后者。相关标准推荐采用总加权加速度均方根值对人体的舒适与健康进行评价，具体计算各轴向加权加速度均方根值如下式所示：

计算总加权加速度均方根值：

式中：αwix，αwiy，αwiz分别是 x，y，z轴的加权加速度均方根值；kx，ky，kz分别为相应加权系数。

对于手把位置和座垫而言，3个加权系数均为1；对于脚踏位置而言，3个加权系数分别为0.25，0.25和0.40其中，获得总计权加速度均方根值如表1所示。

表1 人体不同部位的总计权加速度均方根值

加权加速度均方根值与人体主观评价可知，当摩托车在C级路面以30km/h的车速行驶时，除脚踏处感觉不舒适外，座垫和手把均感觉极不舒适。由于没有采用专门座垫加速度传感器，因此，座垫处加速度传感器的安装位置和实际情况存在差别；为了方便安装该传感器，需要移除摩托车座垫材料，因此，摩托车实际行驶时的座垫处总计权加速度值会比测量值小；此外，手把处振动也较大，因此，本款摩托车平顺性仍然有待改善。

4.2.2 座垫处1/3倍频程与功率谱密度分析

骑乘者座垫处的振动加速度数据，需实施1/3倍频程分析，得到计权、不计权时1/3倍频程如图1所示。由图可知，不计权时，座垫处垂直振动加速度为中心频率12.5Hz时，其取最大值是0.18g；计权时，座垫处垂直振动的加速度明显减小，中心频率12.5Hz时，取得最大值是0.11g。同时，由于计权、不计权相比，座垫处垂直振动的加速度由0.41g减小到0.2g，可见，加权系数对骑乘者座垫的垂向振动加速度具有的影响较大。

图1 骑乘者座垫处计权与不计权1/3倍频程图

进一步试验测试数据，即可分析自功率谱，得到骑乘者座垫垂向的振动加速度功率谱密度，得知座垫处功率谱密度主要集中于1.7Hz和11.6Hz左右，同时因为存在轴距滤波效应，在6Hz附近也出现一个峰值。此外，前后轮弹跳固有频率附近的峰值要明显高于其他2个峰值，可见骑乘者座垫处的振动主要由前后轮振动即不平路面的激励所造成。

4.2.3 手把局部振动分析

对手把引起的局部振动分析结果（见表2）进行分析，得出以下结论：①局部振动的高频成分占的比例很大，这主要是局部振动的频率加权函数在高频处的加权值比全身振动时大得多；②手把处的加权加速度的矢量和比全身振动大得多。可以看出Y方向的振动贡献量也不小，这可能是布置传感器时，坐标是生物坐标系，与整车的行驶坐标系不一样。所以对于手把振动来说，应该同时考虑三个方向的加速度。