基于主觀評價和模態(tài)分析的摩托車乘坐舒適性改進(jìn)

趙海軍梁 凱周 輝宋偉志賈貴西王海霞劉紅霞

（1.洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院 信息技術(shù)中心，洛陽 471023；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，鄭州 450015)

基于主觀評價和模態(tài)分析的摩托車乘坐舒適性改進(jìn)

趙海軍1梁 凱2周 輝1宋偉志1賈貴西1王海霞1劉紅霞3

（1.洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院 信息技術(shù)中心，洛陽 471023；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，鄭州 450015)

駕乘舒適性對駕乘人員安全性、摩托車壽命、競爭力有重要影響。主觀評價和有限元分析相結(jié)合的方法，是提高振動舒適性的一種主要方法。對樣車在不同工況下做主觀評價，并對比進(jìn)口車，對摩托車車架進(jìn)行有限元模態(tài)分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)車架，然后進(jìn)行舒適性主觀評價。結(jié)果表明，改進(jìn)后的前七階模態(tài)頻率有了不同程度提高，最大達(dá)10.69%，發(fā)生在第一階，最小也提高了7.44%，發(fā)生在第五階。改進(jìn)后的樣車舒適性主觀評價值在各個工況下都有大幅提高，基本上從難受都提高到了舒服程度，尤其是一檔和二檔的評價，達(dá)到了很舒服的程度。

摩托車 有限元 舒適性 主觀評價 模態(tài)分析

引言

隨著非軌道車輛道路堵塞日益嚴(yán)重，家用汽車作為代步工具的使用越來越受到限制。摩托車作為交通工具，輕便快捷靈活，仍然發(fā)揮著重要作用。但是，人們對摩托車振動舒適性追求不斷提高，同時摩托車的振動對摩托車壽命和駕乘人員的安全性具有重要影響[1-2]。有限元的發(fā)展為摩托車設(shè)計開發(fā)提供了可靠工具，為改進(jìn)節(jié)約了成本[3-5]。雷剛等運(yùn)用商業(yè)軟件建立摩托車有限元模型，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的動態(tài)響應(yīng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]。面對當(dāng)前車輛市場的激烈競爭和客戶要求，今后在對車輛設(shè)計時，不能只注意車輛的振動法規(guī)限值，還應(yīng)兼顧振動舒適性主客觀分析評價。盡管采用組織評審團(tuán)的方式會帶來一定的工作量，研發(fā)周期一定程度上會變長，但它仍不失為一種好方法[7-8]。人的主觀評價雖然工作量偏大，但能真正反映摩托車乘坐舒適程度。

在一款摩托車開發(fā)樣車試制階段，對樣車進(jìn)行舒適性評價，并和某品牌進(jìn)口摩托車進(jìn)行舒適性主觀評價對比，對車架模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析。對比實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)，以提高振動舒適性為目標(biāo)進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)修改，并對修改前后的樣車進(jìn)行模態(tài)頻率和主觀評價對比。

1 舒適性主觀評價

對開發(fā)的摩托車樣車進(jìn)行乘坐舒適性評價，評審團(tuán)成員共三人，分別來自于廠家摩托車專職試車手、經(jīng)驗(yàn)豐富摩托車修理人員和駕乘摩托車有20年的普通用戶，對怠速、一至四擋共5種工況進(jìn)行評價。根據(jù)舒適程度，采用5分制，感覺上分別為特別舒服、很舒服、舒服、難受和特別難受。如果在兩者感覺之間，也可以打半分進(jìn)行區(qū)分。同時，為了和樣車對比，該評審團(tuán)還對一輛性能良好的進(jìn)口摩托車進(jìn)行了乘坐舒適性評價。評價結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，不同工況下，進(jìn)口車的評價基本上都在很舒服和特別舒服之間，而樣車評價基本上都在難受附近。其是四檔高速，評審團(tuán)成員評價接近特別難受的感覺。具體的，評審駕乘人員和摩托車接觸的手臂和腳有發(fā)麻的感覺，自然感覺特別難受。

圖1 不同工況下樣車和進(jìn)口車舒適性評價

2 摩托車車架自由模態(tài)分析

為了改變這種不舒服狀況，需要從根源分析解決這個問題，所以首先對車架進(jìn)行模態(tài)分析。

2.1 車架結(jié)構(gòu)有限元模型處理

摩托車車架各構(gòu)件結(jié)構(gòu)之間連接比較復(fù)雜，由不同截面的管材和板材焊接而成，如圖1所示，主要由車頭管、主梁、前斜梁、搖籃、車頭管加強(qiáng)板、平梁前上下連接板、平梁、平梁后連接板、斜梁加強(qiáng)板、后斜梁、貨架連接板等構(gòu)成。在建立模型的過程中，采取抽取中面的方法建立摩托車車架殼單元模型。由于各構(gòu)件的厚度、壁厚相對于構(gòu)件的長度來說很小，而且殼單元shell相對于實(shí)體單元計算速度更快、占用內(nèi)存更少，計算精度偏差很小。此模型處理過程中，單元大小一般設(shè)為4mm，有些細(xì)微部分進(jìn)行了簡化。同時，由于矩形單元較三角形單元有更高的精度，所以在劃分網(wǎng)格的過程中建立盡可能多的矩形單元。在此模型中，有限元模型如圖2所示，共劃分了43439個單元，其中三角形單元1277個，四邊形單元42162個。

圖2 車架有限元模型結(jié)構(gòu)

2.2 模態(tài)分析及對比

為了驗(yàn)證有限元模型計算結(jié)果的正確性，對模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.根據(jù)摩托車車架有限元模型，利用ANSYS軟件，獲得車架的前七階模態(tài)頻率和動態(tài)振型，如表1所示。從表1中可以看出，模態(tài)頻率誤差最大-4.86%，不超過5%，說明所建摩托車車架有限元模型是正確的，可以作為以后分析改進(jìn)的依據(jù)。在此，僅描述第一至第七階振型，其他不一一列舉。

表1 摩托車車架前7階固有頻率

一階模態(tài)是頻率為100.99Hz的整體一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，如圖3所示。扭轉(zhuǎn)振動的節(jié)線是位于車架左右對稱面內(nèi)的一條曲線，該曲線與車架有三個交匯點(diǎn)，分別出現(xiàn)在主梁與車頭管加強(qiáng)板連接區(qū)域、平叉與搖籃接觸處附近的搖籃橫梁中心區(qū)域以及平梁后連接板中心靠后區(qū)域。平梁后端的左右管件交錯上下振動，同時搖籃與后斜梁連接處下端在xy平面扭擺，由于平梁后端左右管距節(jié)線水平距離較遠(yuǎn)，因此其上下振幅最大。

七階模態(tài)是頻率為277.86Hz的彎扭復(fù)合模態(tài)，如圖4所示。一方面車架平梁左右兩管在車架鉛垂平面內(nèi)作彎曲振動，其彎曲振動的中心位置為由平梁與主梁連接處穿越車架平梁延伸到車架尾部的一條直線，有一節(jié)線位置位于車架貨架連接板與后斜梁加強(qiáng)板尾端之間的區(qū)域。

圖3 第1階模態(tài)振型

圖4 第7階自由模態(tài)振型

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及評價

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過對摩托車車架進(jìn)行模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在整個模型中，最大振幅主要發(fā)生在后貨架連接處，嚴(yán)重影響了摩托車的乘坐舒適性。這是該處的簡支梁結(jié)構(gòu)造成的，所以增加后斜梁加強(qiáng)板的長度，有可能改善此種情況。此外，平梁、后斜梁等扭轉(zhuǎn)、彎曲的程度比摩托車前部構(gòu)件更厲害。為此，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)修改，并對最后改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，并和原先結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。模態(tài)振型基本不變，不在此列出。從表2中可以看出，所列的前七階模態(tài)頻率有了不同程度提高，最大達(dá)10.69%，發(fā)生在第一階，最小也提高了7.44%，發(fā)生在第五階。

表2 摩托車車架改進(jìn)前后模態(tài)頻率對比

根據(jù)車架的模態(tài)頻率應(yīng)該避開發(fā)動機(jī)在常用轉(zhuǎn)速下工作時所產(chǎn)生慣性載荷的頻率范圍，同時還有來自路面的激勵。摩托車使用單缸四沖程風(fēng)冷發(fā)動機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為1500r/min左右。由發(fā)動機(jī)激勵頻率的計算公式，可得相應(yīng)的激振頻率為25Hz，遠(yuǎn)低于車架的低階模態(tài)頻率，從而避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 評價對比

為了驗(yàn)證摩托車的乘坐舒適性，對改進(jìn)后的樣車也做了主觀舒適性評價。評價方法、工況和前面的一樣，并和改進(jìn)前的評價進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，在各個工況下，舒適性評價都有大幅提高，從難受都提高到了舒服的程度，尤其是一檔和二檔的評價，達(dá)到了很舒服的程度。四檔由接近特別難受提高到接近很舒服的程度。盡管和進(jìn)口摩托車的評價結(jié)果相比稍差，但也能達(dá)到接受的程度。

圖5 改進(jìn)前后舒適性評價對比

4 結(jié)論

根據(jù)以上研究，獲得如下結(jié)論：

（1）不同工況下，樣車初步評價基本上都在難受附近，尤其四檔高速時評審團(tuán)成員評價接近特別難受的感覺，而進(jìn)口車的評價基本上都在很舒服和特別舒服之間；

（2）和實(shí)驗(yàn)相比，樣車的有限元模態(tài)頻率誤差最大僅為-4.86%，不超過5%，驗(yàn)證了摩托車有限元模型的正確性；

（3）改進(jìn)后的前七階模態(tài)頻率有了不同程度提高，最大達(dá)10.69%，發(fā)生在第一階，最小也提高了7.44%，發(fā)生在第五階；

（4）改進(jìn)后的樣車舒適性主觀評價值在各個工況下都有大幅提高，基本上從難受都提高到了舒服程度，尤其是一檔和二檔的評價，達(dá)到了很舒服的程度，四檔評價結(jié)果提高幅度最大。

[1]徐中明，楊建國，張志飛，等.基于多工況并行任務(wù)的摩托車懸架參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化[J].振動與沖擊，2013，32（4）：59-65.

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Motorcycle Improvement of Driving and Seating Comfort Based on Subjective Evaluation and Modal Analysis

ZHAO Haijun1, LIANG Kai2, ZHOU Hui1, SONG Weizhi1, JIA Guixi1, WANG Haixia1, LIU Hongxia3
(1.Department of Mechanical Engineering, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023;2. Modern Education Technology Center, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023;3.School of Mechatronics Engineering, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015)

Driving comfort has an influence on safety of driver, life of motorcycle and competition, subjective evaluation and FEA is a main method of improving vibration comfort. On the different conditions subjective evaluation of prototype motorcycle is done and compared with imported one, and FEA modal analysis of motorcycle frame is performed and compared with experimental results. The frame is improved according to the analysis result, and comfortable subjective evaluation is done. It is shown that the front seven mode frequencies after improvement have increase on different degree, the maximum is 10.69% and it is the first, the minimum is 7.44% and it is the fifth. And comfortable subjective evaluation of improved motorcycle has highly increase on the every condition, and it changes from unwell to comfort, especially it feels very well on the first gear and the second gear.

motorcycle, FEA, comfort, subjective evaluation, model analysis

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項(xiàng)目（142300410300，1021022101490），建筑材料行業(yè)科技創(chuàng)新計劃項(xiàng)目（2013-M1-8），河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（132102210435）。