基于速度與頻率加權的摩托車舒適性評價

鄒喜紅 石曉輝 施 全 郝建軍

重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室,重慶,400050

基于速度與頻率加權的摩托車舒適性評價

鄒喜紅 石曉輝 施 全 郝建軍

重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室,重慶,400050

考慮輪距濾波的情況下,分析了摩托車振動響應與車速之間的關系,并通過大量試驗找出了摩托車在碎石路和水泥路上行駛時車速的統計規律。在此基礎上,提出了基于速度與頻率加權的摩托車舒適性客觀評價方法,并對某125摩托車進行了舒適性試驗和評價。結果表明,速度和頻率加權加速度均方根值是各種車速下頻率加權加速度均方根值的綜合反映,具有較強的通用性和實用價值。

摩托車舒適性;速度;頻率;加權;評價

0 引言

摩托車的振動通過手把、座位、腳踏三個部位傳遞到人體,其中摩托車手把振動通過手把傳遞到人的手和手臂系統,這種振動屬于局部振動范疇,而腳踏、座位將振動傳遞到人體全身,屬于全身振動范疇。因此,摩托車舒適性評價是局部振動和全身振動的綜合評價,其評價比較復雜[1-2]。

對摩托車振動舒適性的評價通常采用主觀評價和客觀評價。主觀評價雖然考慮了人的感受,但需要大量的專業試驗評價工程師和大量的試驗,而且總是脫離不了主觀性的影響[3-4]。目前,還沒有通用的摩托車舒適性客觀評價方法,現有評價方法主要是通過測試座位處加速度幅值大小和觀察加速度的自功率譜曲線來進行評價,或者通過測試座位處和手把處加速度信號,結合國際標準ISO 2631和ISO 5349進行評價[5-6]。由于車速對摩托車振動響應影響較大,因此在不同車速下得到的評價結果往往有較大的差異[1,7]。

本文在分析摩托車加速度響應與車速關系的基礎上,通過大量試驗,找出了摩托車在碎石路和水泥路上行駛時車速的統計規律,并提出了基于速度和頻率加權的摩托車平順性評價方法,為摩托車舒適性評價提供了新思路。

1 摩托車振動響應與車速的關系

在摩托車行駛過程中,振動輸入主要來自于前后輪的路面激勵,ISO/TC 108/WG9和GB 7031-86均建議用下式對路面功率譜密度進行擬合[8-9]:

假設摩托車在路面上行駛時前后輪通過同一軌跡,H(ω)={H f(ω),H r(ω)}為摩托車上任一點加速度對前后輪輸入的頻率響應函數,其中,H f(ω)、H r(ω)為任一點加速度分別對前后輪輸出的頻率響應函數。由于前后輪經過同一路面有時間差,因此存在輪距濾波,即當前輪輸入為gq(t)時,后輪輸入為gq(t-)(l為軸距),即前后輪輸入為

由于后輪輸入對前輪輸入的時間延遲,故考慮輪距濾波后的頻率響應函數變為

這里稱H(ω,v)為相關頻率響應函數,它體現了輪距濾波信息,同時也是車速的函數。

因此,在路面 Gq(ω)輸入下,系統的響應Y(ω,v)為

由式(4)可以看出,摩托車上任一點的加速度響應與相關頻率響應函數和路面輸入有關。由式(3)知,由于輪距濾波的存在,相關頻率響應函數是車速和頻率的函數;而路面輸入的功率譜由式(1)描述,也是頻率和車速的函數。因此,車速對摩托車的響應影響很大。

2 摩托車典型路面行駛車速統計分析

本文在典型碎石路和水泥路上進行了大量試驗,選取的碎石路基本符合GB 7031-86規定的D級路面,水泥路基本符合GB 7031-86規定的B級路面。試驗時,聘用專業摩托車駕駛員,在晴天正常車流量的情況下,根據其駕駛習慣,在上午和下午分別進行自由行駛,并通過GPS車速儀測量車速,試驗路段長均為3km,每次試驗進行3個循環,在碎石路和水泥路上分別進行了6次試驗。通過試驗發現,在水泥路和碎石路上自由行駛時車速具有一定的規律,圖1所示為水泥路上自由行駛時任意2次的車速分布情況。

圖1 水泥路自由行駛車速概率密度

根據所取參數的不同,貝塔(Beta)分布[10]可以具有多種不同的分布形式,它也能逼近多種分布形式,如常用的正態分布、均勻分布、三角分布、瑞利分布和梯形分布等,在生產實踐中具有廣泛的應用前景和普適性,圖2所示為不同參數的Beta分布曲線。本文采用MATLAB編制程序,對碎石路和水泥路行駛車速形狀參數進行了估計,圖3所示為某次水泥路面自由行駛試驗車速的實際概率分布和擬合的Beta分布曲線,可以看出二者吻合非常好。表1所示為碎石路上6次試驗數據的擬合結果,表2所示為水泥路上6次試驗數據的擬合結果,其中 a、b為 Beta分布的上下限,γ、η為 Beta分布的形狀參數。由表1和表2可以發現,摩托車在碎石路面上行駛時,車速近似服從參數為(2,3)的Beta分布,在水泥路面上行駛時,車速近似服從參數為(3.6,2)的Beta分布,如圖4所示。

圖2 不同形狀參數的Beta函數曲線

圖3 水泥路面自由行駛車速擬合分布情況

表1 碎石路面車速Beta分布參數估計值

表2 水泥路面車速Beta分布參數估計值

圖4 典型路面摩托車車速概率密度分布圖

3 基于速度與頻率加權的摩托車舒適性評價方法

由式(2)和式(4)得摩托車上任一點處加速度響應的功率譜密度為

由前面分析可知,車速服從Beta分布,其概率函數為P(v),則定義

根據車速加權加速度功率譜密度,結合ISO 2631標準[11]和 ISO 5349標準[12],對(ω)信號進行頻率加權,并進一步得到速度和頻率加權的加速度均方根值。基于速度和頻率加權的加速度均方根值舒適性評價具體方法如下:

(1)在碎石路和水泥路上分別進行等速行駛試驗,采集手把、腳踏和座墊處三個方向的加速度時間歷程。由于在車速較低時穩速較難,因此在碎石路上行駛車速分別為 20km/h、30km/h、40km/h和50km/h,在水泥路上行駛車速分別為20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h和80km/h,其他試驗條件和方法參照GB/T 4970-96《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》[13]。

(2)根據采集的等速行駛加速度時間歷程計算其功率譜密度。

(3)由圖4得到各勻速行駛車速的加權系數。以勻速行駛車速為中心車速,計算各車速段對應的概率密度,然后進行歸一化處理,得到各勻速行駛車速對應的概率密度作為速度加權系數。表3所示為碎石路和水泥路勻速行駛車速對應的加權系數。

表3 勻速行駛車速加權系數

(4)根據式(6)和表3對功率譜密度進行速度加權,得到速度加權功率譜密度。

(5)對于座墊和腳踏部位,結合ISO 2631中的參數分別對三軸向的速度加權功率譜密度進行頻率加權,得到單向速度和頻率加權加速度均方根值,并進一步得到總的速度和頻率加權加速度均方根值。

(6)對于手把部位,采用ISO 5349中參數分別對三軸向的速度加權功率譜密度進行頻率加權,得到單向速度和頻率加權加速度均方根值,并進一步得到總的速度和頻率加權加速度均方根值。

(7)以座墊、腳踏和手把處總的速度和頻率加權加速度均方根值對摩托車舒適性進行綜合評價。

4 某125摩托車舒適性評價

本文對某125摩托車在水泥路和碎石路上進行了等速采樣,得到摩托車在不同車速下勻速行駛時腳踏、座位和手把處的加速度時間歷程,并分別采用提出的速度和頻率加權加速度均方根值舒適性評價方法和結合ISO 2631與ISO 5349的頻率加權加速度均方根值評價方法進行了舒適性評價。

表4和表5所示為碎石路面評價結果,表6和表7所示為水泥路面評價結果,其中aω為頻率加權加速度均方根值,Laω為頻率加權振級,avω為車速和頻率加權加速度均方根值,Lavω為車速和頻率加權振級。

表4 碎石路舒適性評價結果(速度與頻率加權)

表5 碎石路舒適性評價結果(頻率加權)

表6 水泥路舒適性評價結果(速度與頻率加權)

由表5和表7可以看出,根據頻率加權加速度均方根值評價法,在不同車速下會得出不同的結論,如在碎石路面30km/h時座墊處為相當不舒適,50km/h時為有一些不舒適。根據速度和頻率加權加速度均方根值評價法(表4和表6),該摩托車在碎石路上座墊和手把位置表現為有一些不舒適,腳踏部位表現為舒適;在水泥路上各個部位均沒有出現不舒適,這與駕駛員的實際反映基本一致。

表7 水泥路舒適性評價結果(頻率加權)

實際行駛過程中,駕駛員等速行駛的情況較少,而且在某一車速下的舒適性并不能反映摩托車的綜合舒適情況。比如,在某一車速下,摩托車的舒適性較差,但在這一車速下行駛的概率較小,因此也不會引起駕駛員的不舒適感。通常所關心的是在不同車速下行駛時駕駛員的綜合舒適程度。通過兩種方法的計算可以看出,速度和頻率加權加速度均方根值并非是各種車速下頻率加權加速度均方根值的簡單平均,而是充分考慮了各種車速所占比例的加權平均,是各種車速下舒適性的綜合反映。同時速度和頻率加權加速度均方根值評價法也為不同摩托車舒適性對比提供了統一的尺度,具有較強的通用性和實用價值。

5 結論

(1)由于輪距濾波的存在,車速對摩托車振動響應有較大的影響,同時對摩托車舒適性有較大的影響。

(2)大量的試驗表明,摩托車在碎石路和水泥路面上行駛時,車速近似服從Beta分布。

(3)速度和頻率加權加速度均方根值是各種車速下舒適性的綜合反映,為摩托車舒適性對比提供了統一的尺度,具有較強的通用性和實用價值。

(4)可以進一步進行大量試驗研究,找出基于速度與頻率加權的摩托車舒適性客觀評價與主觀評價之間的確切關系。

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[13] GB/T 4970-96 汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法[S].北京:中國標準出版社,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

重慶市科技攻關計劃資助項目(2007AA 6006);汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室開放基金資助項目(2010K LM T05)

(編輯 蘇衛國)

鄒喜紅,男,1976年生。重慶理工大學汽車學院副教授、博士。研究方向為車輛道路模擬試驗和 CAE。石曉輝,男,1963年生。重慶理工大學汽車學院教授、博士。施 全,男,1971年生。重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室高級實驗師。郝建軍,男,1963年生。重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室副教授、博士。