李加慶

(上海機動車檢測中心 上海 201805)

引言

振動現(xiàn)象不僅影響到摩托車的騎乘舒適性和操縱穩(wěn)定性，還容易導(dǎo)致零部件松動和早期疲勞，對行車安全性構(gòu)成潛在威脅。此外，振動現(xiàn)象帶給消費者最直接、最現(xiàn)實的體驗，客觀上體現(xiàn)了摩托車的整體質(zhì)量，直接關(guān)系到他們是否購買。因此，開展摩托車振動舒適性評價具有非常重要的現(xiàn)實意義。

摩托車的振動舒適性評價包括主觀評價和客觀評價兩個方面。相對而言，客觀評價方法便于實現(xiàn)，可以建立統(tǒng)一標準，有利于對產(chǎn)品進行精確的定量評價?？陀^評價是指根據(jù)測定的振動位移、速度、加速度等物理量進行評價［1〗?？陀^評價方法的主要參考依據(jù)為:汽車標準GB/T 4970－2009:《汽車平順性試驗方法》［2］、國際標準ISO 2631:《人體承受全身振動評價指南》［3］和ISO 5349:《人體承受手傳振動的測量與評價指南》［4］。

開展摩托車振動舒適性客觀評價自然離不開一套合適的道路試驗系統(tǒng)，而市場上沒有專門針對該試驗的試驗系統(tǒng)。重慶大學(xué)的徐中明［5］、肖建伯［6］等根據(jù)實際需求搭建了一套四通道的便攜式測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分由PC、數(shù)據(jù)采集器、加速度傳感器、恒流源模塊等組成，軟件系統(tǒng)基于LabVIEW平臺開發(fā)，包括數(shù)據(jù)讀取、顯示、保存、數(shù)據(jù)分析等功能模塊。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、便于安裝、自帶電源、可以脫離計算機進行數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足試驗要求，但通道偏少，有必要進一步完善。

1 試驗方法及要求

人體對振動的反應(yīng)十分復(fù)雜，包括了各種因人而異的先決條件、活動方式和環(huán)境情況。例如，人的年齡、性別、健康狀況、身體素質(zhì)、體重、駕駛姿勢、職業(yè)等。這些復(fù)雜的因素使得振動舒適性的主觀評價十分困難。因而國際標準化組織在一些學(xué)者實驗研究的基礎(chǔ)上制定了ISO 2631和ISO 5349。我國等效采用這兩個標準制定了相應(yīng)的國家標準GB/T 13441《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價》［7］和GB/T 14790《機械振動 人體暴露于手傳振動的測量與評價》［8］。天津內(nèi)燃機研究所主要參照這兩個國家標準，同時借鑒國內(nèi)其他標準，參考國內(nèi)外的最新研究成果完成《摩托和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》，基本內(nèi)容可參考文獻［9］，以下以試驗方法代替。

試驗方法規(guī)定測量手把、腳踏、坐墊三個部位的振動加速度，并計算出各部位的總計權(quán)加速度均方根值，然后描繪出總計權(quán)加速度均方根值與車速的關(guān)系曲線，依據(jù)該車速特性曲線進行振動客觀評價。試驗時，受試車在穩(wěn)速段內(nèi)要穩(wěn)住車速，然后以規(guī)定的車速勻速駛過試驗路段。在進入試驗路段時啟動測試儀器以測量各部位的加速度時間歷程，同時記錄受試車行駛速度。測量時間應(yīng)不短于30s。測量時手把處的振動記錄中心頻率6．3～1250 Hz的1/3倍頻帶頻率范圍內(nèi)振動信號，坐墊及腳踏處記錄中心頻率6．3～400 Hz的1/3倍頻帶頻率范圍內(nèi)振動信號。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

一般地，數(shù)據(jù)采集軟件可以直接計算出各1/3倍頻程加速度均方根譜值aj，然后按公式(1)計算頻率計權(quán)。這里的計權(quán)主要是指人體對不同頻率振動的反應(yīng)，計權(quán)及合成等計算可在Excel軟件中實現(xiàn)。

其中，aw為頻率計權(quán)加速度;aj為1/3倍頻程第j頻段實測的加速度均方根值;wj為1/3倍頻程第j頻段的計權(quán)因子，見文獻［9］中表1和表2;n為1/3倍頻程頻段總數(shù)。

然后將各軸向加速度值合成為總計權(quán)加速度均方根值aw0，按公式(2)計算。

其中，awx，y，z為各軸向頻率計權(quán)后的加速度均方根值，kx，y，z為各軸向計權(quán)系數(shù)，見文獻［9］中表 1。

為了表述方便，一般地，也可將結(jié)果表示成對數(shù)形式，總加權(quán)加速度振級Law，按公式(3)計算。

其中，a0為參考加速度均方根值，a0=10－6m/s2。

2 系統(tǒng)搭建

試驗方法規(guī)定測試設(shè)備一般由加速度傳感器、濾波器、均方根值檢波器、指示器及磁帶記錄儀等組成，也可采用設(shè)有計權(quán)網(wǎng)絡(luò)的專用測量儀直接讀取計權(quán)加速度。實際上，由于動態(tài)測試技術(shù)和現(xiàn)代信號處理方法的發(fā)展，振動測量一般由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，并在計算機上完成計算和顯示?；诖耍O(shè)計了基于數(shù)據(jù)采集器的摩托車振動舒適性客觀評價試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成及測試原理如圖2所示。系統(tǒng)主要設(shè)備包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器。此外，為了駕駛車輛和記錄車速，還需要車速記錄與顯示設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成測試原理

2．1 傳感器

試驗方法要求至少5只傳感器，安裝在包括左、右手把，左、右腳蹬及座墊等位置。此外，油箱、乘客座位等也是值得考慮的位置。為了方便安裝，要求傳感器尺寸小、重量輕，一般選擇壓電式加速度傳感器。試驗數(shù)據(jù)顯示，X方向、Y方向的振動值與Z向相當，因此，應(yīng)當選擇三軸加速度傳感器。試驗方法還對傳感器的頻率范圍提出具體要求:手把處頻率范圍為5．6～1410Hz，坐墊及腳踏處頻率范圍為0．9～447Hz。因此，傳感器的頻率范圍至少應(yīng)覆蓋1～1．5k Hz。

試驗方法對安裝也做出規(guī)定:手把處的傳感器應(yīng)通過固定座緊固在手把膠套的外端且不影響駕駛員駕駛，傳感器的拾振方向應(yīng)與手心方向一致，符合GB/T 14790．1第4．2．3 節(jié)的規(guī)定;腳踏處的傳感器應(yīng)通過固定座緊固在腳踏外端且不影響駕駛員駕駛，傳感器的拾振方向應(yīng)與腳的放置位置一致，符合GB/T 13441．1第5．2節(jié)的規(guī)定;坐墊處的傳感器應(yīng)與人體緊密接觸，并且在人體與座椅間放入一安裝傳感器的墊盤，傳感器的拾振方向應(yīng)與人體乘坐姿勢一致，符合GB/T13441．1第5．2節(jié)的規(guī)定。傳感器的重量、尺寸、形狀和安裝方法，所使用的專用傳感器支座在所測量的頻率范圍內(nèi)不允許對振動的傳遞有明顯影響。

根據(jù)此要求，選擇PCB公司的356A16型加速度傳感器布置在左、右手把，左、右腳蹬及油箱、乘客座位等位置。該傳感器靈敏度為100 mV/g，量程為50 g，頻率范圍為 0．5 ～ 4．5k Hz，重量僅 7．4g。為了保證行駛安全及保護傳感器，設(shè)計了專用的手把及腳踏安裝夾具。傳感器及安裝如圖3所示，采用鋼制安裝架固定在腳踏上，傳感器再通過磁座吸附在鋼支架上。座墊處選擇PCB公司的356B41三軸座墊式加速度傳感器。其靈敏度為100 mV/g，量程為50 g，頻率范圍為 0．5 ～1kHz，重量僅 180g，傳感器如圖4所示。

圖3 腳蹬處加速度傳感器

圖4 座墊加速度傳感器

發(fā)動機是導(dǎo)致整車振動的主要因素之一，因此，除了加速度傳感器，還需要記錄發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，從而利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速來進行振動分析。選擇日本小野公司的HT6100型數(shù)字式轉(zhuǎn)速表測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速表測量范圍達10000 r/min，帶有數(shù)字顯示功能，并能輸出脈沖或數(shù)字信號。

2．2 數(shù)據(jù)采集器及分析軟件

數(shù)據(jù)采集器至少應(yīng)包括16個同步采樣通道。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不小于3k Hz。采用B＆K公司的3560D數(shù)據(jù)采集器和PULSE多分析儀系統(tǒng)可以滿足這些要求。該數(shù)據(jù)采集器具有41個高速同步采集通道，各通道具有獨立的24位A/D，可同時采集包括前后軸頭、左右手把、左右腳蹬、前后座椅、油箱等部位的加速度信號以及轉(zhuǎn)速信號等，采樣頻率高達25．6kHz。數(shù)據(jù)采集器通過網(wǎng)線與筆記本電腦相連。待設(shè)置好數(shù)據(jù)采集軟件后，駕駛員將電腦背在肩上完成數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器由單獨的蓄電池供電。考慮到試驗安全性及安裝的便利性，設(shè)計了專門的安裝支架固定這些設(shè)備，系統(tǒng)安裝如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗方法規(guī)定測試完成后，先對振動信號進行1/3倍頻程頻譜分析，然后進行計權(quán)處理及合成，處理方法見第1節(jié)。PULSE軟件具有1/3倍頻程分析功能(CPB模塊)。利用CPB模塊獲得各通道加速度信號的1/3倍頻程譜，然后將結(jié)果導(dǎo)入Excel軟件進行計權(quán)處理及合成。

2．3 GPS車速記錄儀

試驗方法規(guī)定測量車速特性評價曲線時，首先測試怠速狀態(tài)，然后車速從比最低穩(wěn)定車速略高的車速(取10 km/h整數(shù)倍)開始，選擇10 km/h的級差遞增，直至接近最高車速(取10 km/h整數(shù)倍)結(jié)束，應(yīng)使用常用檔位，實際車速與選定車速誤差不大于±2 km/h。試驗要求受試車勻速行駛，并記錄行駛速度。一般車速表為指針式儀表，為達到試驗要求，因此還需要準確的車速顯示儀表供駕駛員查看，以便控制車輛。

為滿足上述試驗要求，采用自行開發(fā)的基于GPS的車速記錄顯示設(shè)備，如圖6所示。該設(shè)備主要由記錄儀、顯示屏組成，實現(xiàn)原理見文獻［10］。該GPS設(shè)備動態(tài)響應(yīng)速度快，能及時反映車輛位置和速度的變化，車輛定位精度為10m，勻速行駛速度誤差不大于1 km/h。此外，該設(shè)備還能實時顯示當前行駛車速，非常方便駕駛員控制車輛。

圖6 GPS車速記錄儀

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3．1 試驗條件

為了探討試驗方法和驗證搭建好的這套試驗系統(tǒng)，開展了實車道路試驗。試驗在標準瀝青跑道上完成。該跑道長1 km，寬8m，路況良好。試驗樣車是一臺125 mL跨騎式摩托車，屬于市場上的中高檔產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)過初期磨合，車況良好。試驗前按要求檢查了輪胎氣壓，并進行充分預(yù)熱。在后貨架上安裝了數(shù)據(jù)采集器、GPS車速記錄儀及蓄電池等設(shè)備。在全車共安裝了9只加速度傳感器，包括左右手把各1只，左右腳踏各1只，前后座椅各1只，油箱側(cè)面1只，前后軸頭各1只，另外還有1只轉(zhuǎn)速計，共25個同步測量通道。一共試驗了8種工況，包括:怠速、一擋10 km/h勻速行駛、二擋20 km/h勻速行駛、三擋30 km/h勻速行駛、四擋40 km/h勻速行駛、五擋50 km/h勻速行駛、五擋60 km/h勻速行駛、五擋70 km/h勻速行駛。設(shè)定傳感器的動態(tài)范圍為10 g，分析頻率范圍為1．6 kHz。

3．2 試驗結(jié)果

試驗時，駕駛員根據(jù)GPS車速記錄儀控制受試車在穩(wěn)速段內(nèi)勻速行駛。試驗前啟動數(shù)據(jù)采集器，記錄包括加速、勻速、減速全過程的試驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)速，截取勻速段的信號進行分析。按照第1節(jié)所述數(shù)據(jù)處理方法，獲得規(guī)定五處位置的試驗結(jié)果，描繪的振動－車速特性曲線如圖7所示。

圖7 振動－車速特性曲線

由圖7可以看出，振動一般隨車速增加而增加，左右手把、左右腳蹬的振動級基本一致，手把處振動明顯大于腳蹬和座椅。從整體趨勢來看，整車振動狀況良好，在高速狀態(tài)下振動偏大，某些局部位置在某些工況下振動偏大。依據(jù)參考文獻［2］中的評價表A．6，座椅和腳蹬處于“有些不舒適”的級別;依據(jù)參考文獻［11］中的表6，手把振動處于“比較舒適”的級別。綜合而言，整車振動處于較好的振動水平。駕駛員對這臺車的主觀評價是整車振動較小，與客觀評價結(jié)果一致。對于設(shè)備安裝，駕駛員認為安全可靠，未影響到操控車輛，在試驗過程中，未發(fā)現(xiàn)傳感器失效。

4 結(jié)論

1)根據(jù)試驗方法要求，搭建了專門用于摩托車振動舒適性客觀評價試驗的試驗系統(tǒng)，主要包括加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、GPS測速儀等設(shè)備。試驗應(yīng)用表明，該測試系統(tǒng)結(jié)果正確，滿足試驗方法要求。系統(tǒng)安裝方便，安全可靠，試驗效率高。

2)試驗結(jié)果表明，左右手把、左右腳踏的振動級基本一致，考慮到它們的對稱性和粘貼傳感器的便利性，在測試條件受限時，可優(yōu)先選擇左手把、右腳蹬。

3)該系統(tǒng)通道多，可充分采集需要評價的其他局部振動熱點，除用于振動舒適性評價外，還可以用于一般振動試驗分析。

1 中國國家標準化管理委員會．GB/T 4971－2009汽車平順性術(shù)語和定義［S］．北京:中國標準出版社，2009

2 中國國家標準化管理委員會．GB/T 4970－2009汽車平順性試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，2009

3 ISO2631－1－1997，Mechanical vibration and shock － E-valuation of human exposure to whole－body vibration－Part 1:General requirements

4 ISO5349－1－2001，Mechanical vibration－Measurement and evaluation of human exposure to hand－transmitted vibration－Part 1:General requirements

5 徐中明，李俊鵬，張志飛，等．摩托車振動舒適性測試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用［J］．汽車工程，2006，28(2):176～180

6 肖建伯．摩托車平順性評價試驗研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2006

7 中國國家標準化管理委員會．GB/T 13441．1－2007，機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1部分:一般要求［S］．北京:中國標準出版社，2007

8 中國國家標準化管理委員會．GB/T 14790．1－2009，機械振動人體暴露于手傳振動的測量與評價第1部分:一般要求［S］．北京:中國標準出版社，2009

9 李加慶，朱強．摩托車振動舒適性客觀評價方法探討［J］．小型內(nèi)燃機與摩托車，2013，42(5):90～93

10李加慶，朱秀峰．基于GPS和GPRS的摩托車道路試驗監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］．摩托車技術(shù)，2010(10):49～51

11徐中明，張志飛，黃澤好，等．摩托車平順性評價研究［J］．汽車工程，2007，29(2):160～164