摩托車臺架與路試振動試驗的對比分析 

（蘇 輝，王震武，馮占闖，劉 琳，董海棟）

        摘  要：本文以某品牌125騎式車為例，使用Brüel & Kj?r公司的LAN-XI數據采集硬件就該車完成路試振動及臺架振動試驗所采集的左右手把、左右腳踏以及坐墊共5個點的振動數據，通過PULSE軟件完成數據后處理分析，綜合得出該車的振動水平，同時對摩托車振動試驗方法提出建議。

        關鍵詞：Brüel & Kj?r；LAN-XI  數據采集硬件；PULSE；道路振動；臺架振動

        隨著各國對摩托車及輕便摩托車相關法規的不斷加嚴，以及人民生活水平的不斷提高，人們對于摩托車的要求也越來越高，目前我國的摩托車主要是出口國外，為了適應市場的發展，摩托車廠家對于摩托車及輕便摩托車駕乘舒適性的要求逐漸重視起來，而且摩托車整車振動性能的優劣直接關系到車輛的穩定性及行駛的安全性，一些摩托車企業也在從事關于如何降低摩托車整車振動方面的研究。

        摩托車的振動舒適性，即保持車輛在行駛過程中成員所處的振動環境具有一定舒適度的性能，也稱之為平順性、乘坐舒適性，該性能的好壞極大地影響了駕駛員以及乘員的舒適性、安全性以及疲勞強度。

        目前對如何評價摩托車振動舒適性，還沒有國家標準可以參考，本文根據行業標準《摩托車和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》（征求意見稿）規定的試驗方法，對于摩托車的左右手把、左右腳踏以及坐墊處進行振動數據的采集，以此評價車輛振動的大小。

1 試驗條件

1.1 環境條件： 

1）平均風速不大于 3 m/s ，瞬時風速不大于 5 m/s；

2）大氣壓力不小于 95 Kpa；濕度不大于 95%。 

1.2  試驗道路：試驗道路應平直、干燥，不平度應均勻無突變，長度不小于1km ，兩端應有30~50m的穩速路段。試驗道路的其他條件應符合GB/T5378 中 3.2.3 試驗 道路一節的規定。

2 試驗準備

2.1 儀器準備

        此次振動試驗的采集設備為:

        LAN-XI  數據采集硬件，型號為：3050型6通道模塊和3053型12 通道模塊；

        三向智能振動加速度傳感器，型號分別為：B&K4524加速度傳感器、B&K4515-B 座椅型加速度傳感器；

        校準器為B&K4294 型手持式校準器。

下文分別對以上設備進行簡單介紹。

2.1.1 LAN-XI  數據采集硬件

        數據采集硬件是一種多用途的模塊化硬件系統，單模塊可以作為獨立前端，也可通過局域網同步技術組成分布式系統。3050型6通道模塊作為LAN-XI系列的核心產品，它旨在覆蓋盡量多的聲學和振動測量應用。3053型12通道模塊為大系統測量提供了一種緊湊的 經濟型解決方案。

2.1.2 三向智能加速度傳感器

1）B&K 4524 型三向智能加速度傳感器

        B&K 4524 型加速度傳感器是輕質三軸壓電加速度計，每種型號在三個互相垂直的方向上同時進行測量，并且獨立地輸出信號。4524 系列都有一個4針接頭。傳感器的六個面中有五個可作為安裝面，且帶有安裝卡槽，可方便而快速地安裝在測量面或者測量點上。B&K 4524 型三向智能加速度傳感器具備一下特點：高的靈敏度相對重量比率；輕質(<5 克)；良好的低頻響應；電絕緣；氣密封；六個面中有五個易于安裝的表面。

        此壓電加速度計內置有一個前置放大器，靈敏度的形式為電壓每單位加速度(mV/g)。B&K 4524型三向智能 加速度傳感器是以一個公用慣性質量塊為中心而構造的， 這種單一質量塊設計使得此三軸加速度計非常緊湊，所有軸擁有同一個參考點。這種設計確保了測量的準確性和一致性，即使處于復雜的振動模式中也不會有問題。慣性質量塊外面環繞著一個壓電環，而這個壓電環由三片獨立懸掛的弧形臂環繞。 由于懸掛銷的作用，不同部分承受不同加速度方向的剪切力。對信號進行適當求和 處理，就能獲得x 、y和z軸的輸出。

2）B&K 4515-B 座椅型三向智能加速度傳感器

        B&K 4515-B 座椅型三向智能加速度傳感器是專門為測量全身振動而設計的。它由裝在半剛性丁腈橡膠盤中的三軸加速度計組成。它可以放在座椅上，也可以綁在身上。它可以檢測沿著車身、后至前、側至側的方向的振動。

        在日常使用中常見的影響加速度傳感器測量結果的因素有以下幾點：

1）環境溫度

        一般通用的加速度傳感器可以承受達 250℃的高溫而不損壞。在更高的溫度下，加速度傳感器的壓電陶瓷材料開始去極化，以致其靈敏度會永久性改變。如果去極化不是特別嚴重，這樣的加速度傳感器在重新校準后也許仍然可以使用。采用特殊壓電陶瓷材料的加速度計可在溫度達到 400℃的條件下使用。

        所有壓電材料都對溫度敏感，所以任何環境溫度的改變都會導致加速度計的靈敏度變化。基于這個原因，所有的B&K 加速度傳感器都提供了一條靈敏度對溫度的校準曲線，這樣可以在測量溫度顯著高于 20℃時，根據靈敏度的改變量修正測量的加速度幅值。壓電式加速度計還有一種現象，即在很小的溫度脈動（溫度瞬變）測量環境下，輸出也會變化。這個問題一般只在測量很低幅值或很低頻率時才顯現出來。

2）連接線纜

        由于壓電式加速度傳感器具有高的輸出阻抗，連接線纜引發的噪聲信號可能會導致測量問題。這些干擾可能源自接地回路、摩擦電噪聲或電磁噪聲。接地回路電流有時會在加速度計線纜的屏蔽層傳播，這是因為加速度傳感器和數采設備是分開接地的。可以通過對加速度傳感器底座和安裝表面進行電隔離來破壞接地回路，比如使用上文提到的云母片。摩擦電噪聲常常會引入到加速度傳感器的連接線纜內，這是由線纜自身移動導致的。這種噪聲源自線纜內各層導線的彎曲，擠壓和拉伸所產生的當地電容和電荷量的變化。使用涂了恰當石墨的加速度傳感器纜且將線纜綁定或粘在與加速度計越近越好的平面上，可避免這個問題。

3）底座應變

        當加速度傳感器安裝在形狀變化的表面上時，有一部分應變傳到敏感元件，從而產生不必要的輸出信號。

4）磁場

        壓電式加速度傳感器的磁靈敏度十分低，通常低于 0.01 至 0.25m/s2 每千高斯，即使加速度傳感器以最不利的方向放置在磁場中。

5）濕度

        B&K加速度傳感器都是通過環氧樹脂或焊接密封的，可保證在潮濕的環境下可靠工作。加速度傳感器的連接頭應使用防酸腐蝕的室溫硫化硅橡膠或膠粘劑進行密封。如果在潮濕區域長久使用，則應該用帶一體式線纜的工業用加速度計。

6）聲噪

        機器產生的噪聲幅值通常不足以引起振動測量的明顯誤差。

7）橫向振動

        壓電式加速度傳感器對于不同于主軸方向的振動也具有敏感性。在垂直于主軸的橫向平面上，靈敏度低于主軸靈敏度的 3%至 4%（一般低于1%）。由于橫向共振頻率通常是主軸共振頻率的1/3，所以還應該考慮到可能存在高幅值的橫向振動。

2.1.3 加速度計校準器

        加速度計校準器采用B&K 4294型手持式加速度計校準器。試驗中傳感器的前后過程校準是必不可少的，因為加速度傳感器上的任何靜態應力都有可能影響傳感器的靈敏度。

        B&K 4524 型三向智能加速度傳感器在指定的環境限值范圍內，比如不要承受過高的沖擊、溫度、輻射劑量等，就能使加速度傳感器的性能在長期使用中改變很小。然而通常在使用中，加速度傳感器常常遭受激烈對待，這會導致其性能產生顯著變化，有時甚至會永久損壞。當加速度傳感器從手的高度摔到水泥地面時，它可能承受了幾千g的沖擊。因此需要校準來確保測量用加速度傳感器未損壞 。最簡單的校準檢查的方法是使用B&K 4294 型手持式加速度計校準器進行校準 。B&K 4294型校準器有一個內置的小型振動臺，可精確地以 10 m/s2加速度值振動。把加速度計固定在振動臺，當振動臺以10 m/s2振動時，觀察加速度計的輸出，即可檢查其靈敏度。另外還可使用一個參考加速度計，將其與需校準的加速度計同時固定在振動臺上。振動臺振動時，兩個加速度計的輸出比值正比于它們的靈敏度比值，由于已知參考加速度計的靈敏度，校準加速度計的未知靈敏度即可準確得到。

2.2 測量主機和傳感器的安裝

        依照行業標準《摩托車和輕便摩托車振動舒適性試 驗方法》（征求意見稿），采用非計權網絡的測試方法，使用B&K 4524共4個三向加速度傳感器，分別布置在左右手把、左右腳踏上，B&K 4515坐墊三向加速度傳感 器固定在摩托車坐墊上，在同一工況下測定各測點（坐墊、腳踏、手把）的x、y、z 三個方向上的加速度值（如下圖所示），數據由連接線分別送入主機 B&K 3050、B&K 3053測振系統處理并記錄，車速使用GPS設備進行監測，由駕駛員控制試驗車速。B&K 3050、B&K 3053 測試主機的整體安、手把、腳踏位置處 B&K 4524 型三向智能加速度傳感器安裝、B&K 4515-B 座椅型加速度傳感器安裝如下圖 1。

B&K 3050 、B&K 3053 測試主機的整體安裝

左、右手把振動傳感器

左、右腳踏振動傳感器

手把、腳踏位置處B&K 4524型三向智能加速度傳感器安裝

圖 1 B&K 4515-B 座椅型加速度傳感器安裝

試驗儀器在安裝過程中需要注意以下兩點：

1）各傳感器、連接線纜及測試主機要求牢固固定在受試車輛上，并且不影響駕駛員的正常駕駛。

2）試驗開始前用B&K 4294校準器分別對B&K 4524 及 B&K 4515加速度傳感器進行校準；測量后，再分別對各個加速度傳感器進行校準。

3）加速度計在測點處的安裝方法是獲取準確的振動測量結果的決定性因素之一。草率的安裝會導致安裝共振頻率的降低，這會很大程度地限制加速度計的有效頻率范圍，常用的安裝方法是用薄層蜂蠟將加速度計粘在測點上，如果需要在機器上設置永久安裝點，而又不能鉆螺紋孔，這時可以用膠粘。可通過硬膠把它們安裝在測點處。軟膠則建議使用環氧基樹脂和氰基丙烯酸鹽粘合劑，使用軟膠會相當程度地降低加速度計的有效頻率范圍。

2.3 樣車準備

        車輛必須清潔（無油污、泥土），裝備應齊全，輪胎氣壓應符號車輛技術條件的要求，車輛主要緊固螺栓應緊固正常，樣車燃油和潤滑油量滿足要求。

2.4 人員準備

駕駛員：

1）駕駛員身高1.75m±0.05m ，駕駛員及其裝備的總質量75kg±5kg；

2）駕駛員在振動測試中應坐在規定的駕駛位置上，雙手控制方向把，雙腳放在腳蹬上，雙臂正常伸展，整個試驗過程中，應盡量保持駕駛姿勢不變。

3 試驗方法

3.1 測量檔位、速度選取

        檔位選取：根據《摩托車和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》（征求意見稿）中 4.6 項規定受試車輛的檔位選擇按照GB 16169-2005《摩托車和輕便摩托車加速行駛噪聲限值及測量方法》中的 7.4～7.4.3.3.1 檔位選擇部分執行。

        車速選取：測量車速首先測試怠速狀態，然后車速從比最低穩定車速略高的車速（取10km/h 整數倍）開始，根據試驗需要，選擇10km/h或5km/h的級差遞增，直至接近最高車速（取10km/h整數倍）結束，實際車速與選定車速誤差見下表1。

表 1  車速誤差

試驗時，車輛以規定的車速勻速駛過試驗路段，受試車應在車速穩定后，記錄摩托車在不同車速時手把處中心頻率 6.3Hz～1250Hz的1/3 倍頻程范圍內的振動信號，以及坐墊及腳踏處中心頻率6.3～400Hz的1/3 倍頻 程范圍內的振動信號所對應的振動數據，測試時間不低于30s。

4 試驗數據處理

        使用 Brüel & Kj?r公司LAN-XI數據采集硬件配套的PULSE軟件對該車采集的道路振動數據和臺架振動數據進行后處理分析。

4. 1  單一方向振動加速度均方根值：

根據得到的1/3倍頻帶加速度均方根譜值αj ，根據 下式計算αw ：

           （1）

αw ——頻率計權加速度，m/s2。

αj ——1/3倍頻程第j頻段實測的加速度均方根值，m/s2。

wj             1/3倍頻程第j頻段相應的計權系數，見《摩 托車和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》（征求意見稿）附錄B。

n  ——1/3倍頻程頻段總數。

2.總計權加速度均方根值， αwo 按下式計算：

αwo  = [kx(2)αxw2  + ky(2)αyw2  + kz(2)αzw2 ]1/ 2                

 （2） k(x,y,z )  各軸向對應計權系數。見《摩托車和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》（征求意見稿）附錄B。

α(x,y,z)    三軸向計權加速度均方根值，m/s2。

5 試驗結果的比對分析

5.1 路試振動測得：

路試振動試驗評價匯總

5.2 臺架振動測量測得：

臺架振動試驗評價匯總

6 路試振動試驗與臺架振動試驗的比對、 分析

6.1 路試振動試驗與臺架振動試驗的比對

6.1.1 相同點：

1）路試振動試驗與臺架振動試驗的試驗條件、試驗前期的準備及儀器的安裝過程相同；

2）路試振動試驗與臺架振動試驗的過程中檔位以及試驗速度相同；

3）路試振動試驗與臺架振動試驗的數據分析過程相同；

4）路試振動試驗與臺架振動試驗中駕駛員的體感基 本一致；

6.1.2不同點：

1)速度的穩定度不同。路試振動試驗的速度波動性相比臺架振動試驗速度的波動性較大。臺架振動試驗過程中，駕駛員根據底盤測功機的測試曲線控制跟蹤車速， 路試振動試驗過程中，駕駛員根據VBOX的顯示控制跟蹤車速，在路試試驗過程中由于場地的干擾，路試試驗的車速穩定度相比在臺架試驗時候的車速要偏差大一些， 如下圖2所示。

路試速度曲線

臺架試驗速度曲線 

圖2  試驗速度曲線

        通過上圖可以發現，駕駛員在路試試驗過程中，根據VBOX的顯示，在車輛在50Km/h 、60Km/h的試驗過程中，車輛的最高速度達到了51.7Km/h 、61.83Km/h ，而且試驗的速度曲線不夠平滑，說明試驗過程中試驗速度的波動較大，相比在臺架上試驗而言，50Km/h以及60Km/h 速度的波動較小，因為臺架試驗不會受到試驗場地的大小以及外來環境的影響，所以試驗速度曲線比較平滑， 試驗速度的波動較小。

6.2 結果分析

1）對比路試振動以及臺架振動試驗結果發現，路試振動結果相比臺架振動試驗結果偏大，也就是說車輛在路試的振動相比臺架的振動值要偏大一些，個人覺得，這并不能夠完全的反應出車輛的振動舒適性，因為路試過程中摩托車收到外界環境的影響，如發動機激勵、路面激勵的作用，其次還有懸架參數、車輪跳動量、坐墊處剛度、車輛的結構動態特性等作用力，這些參數對于摩托車的振動舒適性影響較大，所以只通過一個簡單的路試試驗并不能完全反映出該車的振動舒適性，但摩托車終究是需要在道路上行駛的，所以在車輛振動舒適性評價的研究中，應該將路試以及臺架振動試驗相結合， 路試以及臺架試驗各占一定的比列，以路試試驗為主， 以路試試驗結果占總結果的70% ，臺架試驗結果占總結果的30% ，通過兩者的結合來綜合反應車輛的振動舒適性能。

2）試驗過程中車輛擋位的選擇依照《摩托車和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》（征求意見稿）中 4.6 項規定，受試車輛的檔位選擇按照 GB16169-2005《摩托車和輕便摩托車加速行駛噪聲限值及測量方法》中的7.4 ~ 7.4.3.3.1檔位選擇部分執行，其中GB16169-2005《摩托車和輕便摩托車加速行駛噪聲限值及測量方法》擋位的規定如下（兩輪摩托車）：

a）受試車輛變速器前進檔位為4個或4個以下，用二檔測量

b）受試車輛變速器前進檔位為5個或5個以上，發動機排量小于或等于 175ml 時，只用第三檔測量發動機排量大于175ml時，分別用第二檔位和第三檔位測量

        通過在路試以及臺架振動試驗中發現，《摩托車和輕 便摩托車振動舒適性試驗方法》（征求意見稿）中對于擋位的規定（兩輪摩托車）不符合實際試驗需求，參照 GB16169-2005《摩托車和輕便摩托車加速行駛噪聲限值及測量方法》中的7.4～7.4.3.3.1檔位選擇，其中摩托車和輕便摩托車加速行駛噪聲限值及測量方法中規定檔位 一般選擇均在2檔以及3檔，試驗過程中發現2檔以及3檔在車輛高速行駛中都不能夠滿足實際情況。例如當試驗車速需要達到60Km/h或者速度更高時 ，按照GB16169-2005《摩托車和輕便摩托車加速行駛噪聲限值 及測量方法》擋位的規定（兩輪摩托車）車輛擋位應該在2檔或者在2、3擋位，但是在實際試驗中運用2檔以及3檔的最高車速均不能夠達到 60Km/h。所以在實際試驗過程中，車輛在50Km/h以上行駛中的擋位選擇一般為最高檔位，路試以及臺架振動試驗擋位的選取應該切合實際，以準確的反映出受檢產品的性能為目的，保證試驗的可行性。

7 改善摩托車振動舒適性的建議

        摩托車在行駛過程中主要受到了如發動機激勵、路面激勵的作用，其次還有懸架參數、車輪跳動量、坐墊處剛度、車輛的結構動態特性等作用力，因此對于如何提高車輛的舒適性，提出以下建議：

1）車體的振動頻率應該避開懸架系統的頻率，通過改變車輛的固有頻率表，使得車輛在行駛過程中產生的振動與車輛的固有頻率不會產生共振，從而減小車輛的 振動，提高整車的振動舒適性。

2）車體的模態頻率應避開發動機激勵和路面激勵的頻率范圍，避免產生共振。

參考文獻

[1] 《摩托車和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》（征求意見稿）