摩托车台架与路试振动试验的对比分析 

（苏 辉，王震武，冯占闯，刘 琳，董海栋）

        摘  要：本文以某品牌125骑式车为例，使用Brüel & Kjær公司的LAN-XI数据采集硬件就该车完成路试振动及台架振动试验所采集的左右手把、左右脚踏以及坐垫共5个点的振动数据，通过PULSE软件完成数据后处理分析，综合得出该车的振动水平，同时对摩托车振动试验方法提出建议。

        关键词：Brüel & Kjær；LAN-XI  数据采集硬件；PULSE；道路振动；台架振动

        随着各国对摩托车及轻便摩托车相关法规的不断加严，以及人民生活水平的不断提高，人们对于摩托车的要求也越来越高，目前我国的摩托车主要是出口国外，为了适应市场的发展，摩托车厂家对于摩托车及轻便摩托车驾乘舒适性的要求逐渐重视起来，而且摩托车整车振动性能的优劣直接关系到车辆的稳定性及行驶的安全性，一些摩托车企业也在从事关于如何降低摩托车整车振动方面的研究。

        摩托车的振动舒适性，即保持车辆在行驶过程中成员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，也称之为平顺性、乘坐舒适性，该性能的好坏极大地影响了驾驶员以及乘员的舒适性、安全性以及疲劳强度。

        目前对如何评价摩托车振动舒适性，还没有国家标准可以参考，本文根据行业标准《摩托车和轻便摩托车振动舒适性试验方法》（征求意见稿）规定的试验方法，对于摩托车的左右手把、左右脚踏以及坐垫处进行振动数据的采集，以此评价车辆振动的大小。

1 试验条件

1.1 环境条件： 

1）平均风速不大于 3 m/s ，瞬时风速不大于 5 m/s；

2）大气压力不小于 95 Kpa；湿度不大于 95%。 

1.2  试验道路：试验道路应平直、干燥，不平度应均匀无突变，长度不小于1km ，两端应有30~50m的稳速路段。试验道路的其他条件应符合GB/T5378 中 3.2.3 试验 道路一节的规定。

2 试验准备

2.1 仪器准备

        此次振动试验的采集设备为:

        LAN-XI  数据采集硬件，型号为：3050型6通道模块和3053型12 通道模块；

        三向智能振动加速度传感器，型号分别为：B&K4524加速度传感器、B&K4515-B 座椅型加速度传感器；

        校准器为B&K4294 型手持式校准器。

下文分别对以上设备进行简单介绍。

2.1.1 LAN-XI  数据采集硬件

        数据采集硬件是一种多用途的模块化硬件系统，单模块可以作为独立前端，也可通过局域网同步技术组成分布式系统。3050型6通道模块作为LAN-XI系列的核心产品，它旨在覆盖尽量多的声学和振动测量应用。3053型12通道模块为大系统测量提供了一种紧凑的 经济型解决方案。

2.1.2 三向智能加速度传感器

1）B&K 4524 型三向智能加速度传感器

        B&K 4524 型加速度传感器是轻质三轴压电加速度计，每种型号在三个互相垂直的方向上同时进行测量，并且独立地输出信号。4524 系列都有一个4针接头。传感器的六个面中有五个可作为安装面，且带有安装卡槽，可方便而快速地安装在测量面或者测量点上。B&K 4524 型三向智能加速度传感器具备一下特点：高的灵敏度相对重量比率；轻质(<5 克)；良好的低频响应；电绝缘；气密封；六个面中有五个易于安装的表面。

        此压电加速度计内置有一个前置放大器，灵敏度的形式为电压每单位加速度(mV/g)。B&K 4524型三向智能 加速度传感器是以一个公用惯性质量块为中心而构造的， 这种单一质量块设计使得此三轴加速度计非常紧凑，所有轴拥有同一个参考点。这种设计确保了测量的准确性和一致性，即使处于复杂的振动模式中也不会有问题。惯性质量块外面环绕着一个压电环，而这个压电环由三片独立悬挂的弧形臂环绕。 由于悬挂销的作用，不同部分承受不同加速度方向的剪切力。对信号进行适当求和 处理，就能获得x 、y和z轴的输出。

2）B&K 4515-B 座椅型三向智能加速度传感器

        B&K 4515-B 座椅型三向智能加速度传感器是专门为测量全身振动而设计的。它由装在半刚性丁腈橡胶盘中的三轴加速度计组成。它可以放在座椅上，也可以绑在身上。它可以检测沿着车身、后至前、侧至侧的方向的振动。

        在日常使用中常见的影响加速度传感器测量结果的因素有以下几点：

1）环境温度

        一般通用的加速度传感器可以承受达 250℃的高温而不损坏。在更高的温度下，加速度传感器的压电陶瓷材料开始去极化，以致其灵敏度会永久性改变。如果去极化不是特别严重，这样的加速度传感器在重新校准后也许仍然可以使用。采用特殊压电陶瓷材料的加速度计可在温度达到 400℃的条件下使用。

        所有压电材料都对温度敏感，所以任何环境温度的改变都会导致加速度计的灵敏度变化。基于这个原因，所有的B&K 加速度传感器都提供了一条灵敏度对温度的校准曲线，这样可以在测量温度显著高于 20℃时，根据灵敏度的改变量修正测量的加速度幅值。压电式加速度计还有一种现象，即在很小的温度脉动（温度瞬变）测量环境下，输出也会变化。这个问题一般只在测量很低幅值或很低频率时才显现出来。

2）连接线缆

        由于压电式加速度传感器具有高的输出阻抗，连接线缆引发的噪声信号可能会导致测量问题。这些干扰可能源自接地回路、摩擦电噪声或电磁噪声。接地回路电流有时会在加速度计线缆的屏蔽层传播，这是因为加速度传感器和数采设备是分开接地的。可以通过对加速度传感器底座和安装表面进行电隔离来破坏接地回路，比如使用上文提到的云母片。摩擦电噪声常常会引入到加速度传感器的连接线缆内，这是由线缆自身移动导致的。这种噪声源自线缆内各层导线的弯曲，挤压和拉伸所产生的当地电容和电荷量的变化。使用涂了恰当石墨的加速度传感器缆且将线缆绑定或粘在与加速度计越近越好的平面上，可避免这个问题。

3）底座应变

        当加速度传感器安装在形状变化的表面上时，有一部分应变传到敏感元件，从而产生不必要的输出信号。

4）磁场

        压电式加速度传感器的磁灵敏度十分低，通常低于 0.01 至 0.25m/s² 每千高斯，即使加速度传感器以最不利的方向放置在磁场中。

5）湿度

        B&K加速度传感器都是通过环氧树脂或焊接密封的，可保证在潮湿的环境下可靠工作。加速度传感器的连接头应使用防酸腐蚀的室温硫化硅橡胶或胶粘剂进行密封。如果在潮湿区域长久使用，则应该用带一体式线缆的工业用加速度计。

6）声噪

        机器产生的噪声幅值通常不足以引起振动测量的明显误差。

7）横向振动

        压电式加速度传感器对于不同于主轴方向的振动也具有敏感性。在垂直于主轴的横向平面上，灵敏度低于主轴灵敏度的 3%至 4%（一般低于1%）。由于横向共振频率通常是主轴共振频率的1/3，所以还应该考虑到可能存在高幅值的横向振动。

2.1.3 加速度计校准器

        加速度计校准器采用B&K 4294型手持式加速度计校准器。试验中传感器的前后过程校准是必不可少的，因为加速度传感器上的任何静态应力都有可能影响传感器的灵敏度。

        B&K 4524 型三向智能加速度传感器在指定的环境限值范围内，比如不要承受过高的冲击、温度、辐射剂量等，就能使加速度传感器的性能在长期使用中改变很小。然而通常在使用中，加速度传感器常常遭受激烈对待，这会导致其性能产生显著变化，有时甚至会永久损坏。当加速度传感器从手的高度摔到水泥地面时，它可能承受了几千g的冲击。因此需要校准来确保测量用加速度传感器未损坏 。最简单的校准检查的方法是使用B&K 4294 型手持式加速度计校准器进行校准 。B&K 4294型校准器有一个内置的小型振动台，可精确地以 10 m/s²加速度值振动。把加速度计固定在振动台，当振动台以10 m/s²振动时，观察加速度计的输出，即可检查其灵敏度。另外还可使用一个参考加速度计，将其与需校准的加速度计同时固定在振动台上。振动台振动时，两个加速度计的输出比值正比于它们的灵敏度比值，由于已知参考加速度计的灵敏度，校准加速度计的未知灵敏度即可准确得到。

2.2 测量主机和传感器的安装

        依照行业标准《摩托车和轻便摩托车振动舒适性试 验方法》（征求意见稿），采用非计权网络的测试方法，使用B&K 4524共4个三向加速度传感器，分别布置在左右手把、左右脚踏上，B&K 4515坐垫三向加速度传感 器固定在摩托车坐垫上，在同一工况下测定各测点（坐垫、脚踏、手把）的x、y、z 三个方向上的加速度值（如下图所示），数据由连接线分别送入主机 B&K 3050、B&K 3053测振系统处理并记录，车速使用GPS设备进行监测，由驾驶员控制试验车速。B&K 3050、B&K 3053 测试主机的整体安、手把、脚踏位置处 B&K 4524 型三向智能加速度传感器安装、B&K 4515-B 座椅型加速度传感器安装如下图 1。

B&K 3050 、B&K 3053 测试主机的整体安装

左、右手把振动传感器

左、右脚踏振动传感器

手把、脚踏位置处B&K 4524型三向智能加速度传感器安装

图 1 B&K 4515-B 座椅型加速度传感器安装

试验仪器在安装过程中需要注意以下两点：

1）各传感器、连接线缆及测试主机要求牢固固定在受试车辆上，并且不影响驾驶员的正常驾驶。

2）试验开始前用B&K 4294校准器分别对B&K 4524 及 B&K 4515加速度传感器进行校准；测量后，再分别对各个加速度传感器进行校准。

3）加速度计在测点处的安装方法是获取准确的振动测量结果的决定性因素之一。草率的安装会导致安装共振频率的降低，这会很大程度地限制加速度计的有效频率范围，常用的安装方法是用薄层蜂蜡将加速度计粘在测点上，如果需要在机器上设置永久安装点，而又不能钻螺纹孔，这时可以用胶粘。可通过硬胶把它们安装在测点处。软胶则建议使用环氧基树脂和氰基丙烯酸盐粘合剂，使用软胶会相当程度地降低加速度计的有效频率范围。

2.3 样车准备

        车辆必须清洁（无油污、泥土），装备应齐全，轮胎气压应符号车辆技术条件的要求，车辆主要紧固螺栓应紧固正常，样车燃油和润滑油量满足要求。

2.4 人员准备

驾驶员：

1）驾驶员身高1.75m±0.05m ，驾驶员及其装备的总质量75kg±5kg；

2）驾驶员在振动测试中应坐在规定的驾驶位置上，双手控制方向把，双脚放在脚蹬上，双臂正常伸展，整个试验过程中，应尽量保持驾驶姿势不变。

3 试验方法

3.1 测量档位、速度选取

        档位选取：根据《摩托车和轻便摩托车振动舒适性试验方法》（征求意见稿）中 4.6 项规定受试车辆的档位选择按照GB 16169-2005《摩托车和轻便摩托车加速行驶噪声限值及测量方法》中的 7.4～7.4.3.3.1 档位选择部分执行。

        车速选取：测量车速首先测试怠速状态，然后车速从比最低稳定车速略高的车速（取10km/h 整数倍）开始，根据试验需要，选择10km/h或5km/h的级差递增，直至接近最高车速（取10km/h整数倍）结束，实际车速与选定车速误差见下表1。

表 1  车速误差

试验时，车辆以规定的车速匀速驶过试验路段，受试车应在车速稳定后，记录摩托车在不同车速时手把处中心频率 6.3Hz～1250Hz的1/3 倍频程范围内的振动信号，以及坐垫及脚踏处中心频率6.3～400Hz的1/3 倍频 程范围内的振动信号所对应的振动数据，测试时间不低于30s。

4 试验数据处理

        使用 Brüel & Kjær公司LAN-XI数据采集硬件配套的PULSE软件对该车采集的道路振动数据和台架振动数据进行后处理分析。

4. 1  单一方向振动加速度均方根值：

根据得到的1/3倍频带加速度均方根谱值αj ，根据 下式计算αw ：

           （1）

αw ——频率计权加速度，m/s²。

αj ——1/3倍频程第j频段实测的加速度均方根值，m/s²。

wj             1/3倍频程第j频段相应的计权系数，见《摩 托车和轻便摩托车振动舒适性试验方法》（征求意见稿）附录B。

n  ——1/3倍频程频段总数。

2.总计权加速度均方根值， αwo 按下式计算：

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

 （2） k(x,y,z )  各轴向对应计权系数。见《摩托车和轻便摩托车振动舒适性试验方法》（征求意见稿）附录B。

α(x,y,z)    三轴向计权加速度均方根值，m/s²。

5 试验结果的比对分析

5.1 路试振动测得：

路试振动试验评价汇总

5.2 台架振动测量测得：

台架振动试验评价汇总

6 路试振动试验与台架振动试验的比对、 分析

6.1 路试振动试验与台架振动试验的比对

6.1.1 相同点：

1）路试振动试验与台架振动试验的试验条件、试验前期的准备及仪器的安装过程相同；

2）路试振动试验与台架振动试验的过程中档位以及试验速度相同；

3）路试振动试验与台架振动试验的数据分析过程相同；

4）路试振动试验与台架振动试验中驾驶员的体感基 本一致；

6.1.2不同点：

1)速度的稳定度不同。路试振动试验的速度波动性相比台架振动试验速度的波动性较大。台架振动试验过程中，驾驶员根据底盘测功机的测试曲线控制跟踪车速， 路试振动试验过程中，驾驶员根据VBOX的显示控制跟踪车速，在路试试验过程中由于场地的干扰，路试试验的车速稳定度相比在台架试验时候的车速要偏差大一些， 如下图2所示。

路试速度曲线

台架试验速度曲线 

图2  试验速度曲线

        通过上图可以发现，驾驶员在路试试验过程中，根据VBOX的显示，在车辆在50Km/h 、60Km/h的试验过程中，车辆的最高速度达到了51.7Km/h 、61.83Km/h ，而且试验的速度曲线不够平滑，说明试验过程中试验速度的波动较大，相比在台架上试验而言，50Km/h以及60Km/h 速度的波动较小，因为台架试验不会受到试验场地的大小以及外来环境的影响，所以试验速度曲线比较平滑， 试验速度的波动较小。

6.2 结果分析

1）对比路试振动以及台架振动试验结果发现，路试振动结果相比台架振动试验结果偏大，也就是说车辆在路试的振动相比台架的振动值要偏大一些，个人觉得，这并不能够完全的反应出车辆的振动舒适性，因为路试过程中摩托车收到外界环境的影响，如发动机激励、路面激励的作用，其次还有悬架参数、车轮跳动量、坐垫处刚度、车辆的结构动态特性等作用力，这些参数对于摩托车的振动舒适性影响较大，所以只通过一个简单的路试试验并不能完全反映出该车的振动舒适性，但摩托车终究是需要在道路上行驶的，所以在车辆振动舒适性评价的研究中，应该将路试以及台架振动试验相结合， 路试以及台架试验各占一定的比列，以路试试验为主， 以路试试验结果占总结果的70% ，台架试验结果占总结果的30% ，通过两者的结合来综合反应车辆的振动舒适性能。

2）试验过程中车辆挡位的选择依照《摩托车和轻便摩托车振动舒适性试验方法》（征求意见稿）中 4.6 项规定，受试车辆的档位选择按照 GB16169-2005《摩托车和轻便摩托车加速行驶噪声限值及测量方法》中的7.4 ~ 7.4.3.3.1档位选择部分执行，其中GB16169-2005《摩托车和轻便摩托车加速行驶噪声限值及测量方法》挡位的规定如下（两轮摩托车）：

a）受试车辆变速器前进档位为4个或4个以下，用二档测量

b）受试车辆变速器前进档位为5个或5个以上，发动机排量小于或等于 175ml 时，只用第三档测量发动机排量大于175ml时，分别用第二档位和第三档位测量

        通过在路试以及台架振动试验中发现，《摩托车和轻 便摩托车振动舒适性试验方法》（征求意见稿）中对于挡位的规定（两轮摩托车）不符合实际试验需求，参照 GB16169-2005《摩托车和轻便摩托车加速行驶噪声限值及测量方法》中的7.4～7.4.3.3.1档位选择，其中摩托车和轻便摩托车加速行驶噪声限值及测量方法中规定档位 一般选择均在2档以及3档，试验过程中发现2档以及3档在车辆高速行驶中都不能够满足实际情况。例如当试验车速需要达到60Km/h或者速度更高时 ，按照GB16169-2005《摩托车和轻便摩托车加速行驶噪声限值 及测量方法》挡位的规定（两轮摩托车）车辆挡位应该在2档或者在2、3挡位，但是在实际试验中运用2档以及3档的最高车速均不能够达到 60Km/h。所以在实际试验过程中，车辆在50Km/h以上行驶中的挡位选择一般为最高档位，路试以及台架振动试验挡位的选取应该切合实际，以准确的反映出受检产品的性能为目的，保证试验的可行性。

7 改善摩托车振动舒适性的建议

        摩托车在行驶过程中主要受到了如发动机激励、路面激励的作用，其次还有悬架参数、车轮跳动量、坐垫处刚度、车辆的结构动态特性等作用力，因此对于如何提高车辆的舒适性，提出以下建议：

1）车体的振动频率应该避开悬架系统的频率，通过改变车辆的固有频率表，使得车辆在行驶过程中产生的振动与车辆的固有频率不会产生共振，从而减小车辆的 振动，提高整车的振动舒适性。

2）车体的模态频率应避开发动机激励和路面激励的频率范围，避免产生共振。

参考文献

[1] 《摩托车和轻便摩托车振动舒适性试验方法》（征求意见稿）