冷傳剛

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

摩托車懸架裝置，對(duì)摩托車的乘坐舒適性和行駛平穩(wěn)性有著重要的影響，如果懸架裝置設(shè)計(jì)不合理，會(huì)對(duì)舒適性產(chǎn)生極大影響[1]。而解決乘騎時(shí)整車共振，頻率過高等摩托車高速行駛時(shí)的不穩(wěn)定問題，前提就是要建立摩托車前后懸架振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)模型，并確定軸荷、剛度和阻尼系數(shù)等振動(dòng)參數(shù)。振動(dòng)模型參數(shù)是否合理，是影響乘坐舒適性的關(guān)鍵。軸荷可以通過測(cè)量直接得到，而剛度和阻尼系數(shù)參數(shù)卻很難直接得到，比較簡便的方法就是先確定懸架系統(tǒng)的偏頻和阻尼，進(jìn)而通過振動(dòng)理論計(jì)算得到。偏頻和阻尼是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要概念，偏頻指車輛質(zhì)量系統(tǒng)中，某一個(gè)質(zhì)量振動(dòng)時(shí)的部分頻率。阻尼系數(shù)就是使自由振動(dòng)衰減的各種摩擦和其它阻礙作用。本文通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得了某大排量摩托車的軸荷、偏頻和阻尼，并通過理論計(jì)算得到了摩托車懸架系統(tǒng)的各個(gè)振動(dòng)模型參數(shù)。

1 測(cè)試原理

摩托車前后懸架減震器的振動(dòng)模型如圖1所示，該模型為一個(gè)雙自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，其中m1，m2分別為雙自由度的質(zhì)量，k1，k2為雙自由度的剛度，c1，c2為雙自由度的阻尼。

圖1 摩托車懸架振動(dòng)模型

根據(jù)振動(dòng)學(xué)理論，系統(tǒng)前后部分的固有頻率分別為：

進(jìn)行偏頻和阻尼比的測(cè)試時(shí)，通常測(cè)量摩托車減震器上方的振動(dòng)加速度，其加速度具有如下形式：

可以看出，系統(tǒng)做有阻尼的自由振動(dòng)時(shí)，其位移和加速度的固有頻率是相同的，可以通過測(cè)量加速度的固有頻率確定位移的固有頻率。加速度的振幅隨時(shí)間逐漸衰減，圖2為加速度理論衰減曲線。

圖2 加速度理論衰減曲線

如果相鄰兩峰間的時(shí)間間隔為T，則偏頻f為：

式中：T為懸架振動(dòng)周期（s），阻尼比ξ為[3]：

在進(jìn)行阻尼比的計(jì)算時(shí)，由于存在零線偏移，很難確定準(zhǔn)確的峰值，故對(duì)公式（6）進(jìn)行修正，將多個(gè)峰值的結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算，修正公式如公式（7）所示。

通過以上分析可以看出，只要得到前后懸架的加速度自由衰減振動(dòng)曲線，即可確定車輛的偏頻和阻尼比。

2 測(cè)試流程

偏頻和阻尼比的測(cè)試過程如圖3所示。本次測(cè)試采用滾下法[4]使車輛懸掛系統(tǒng)產(chǎn)生自由衰減振動(dòng)。測(cè)試前，將非測(cè)試端的減震器用鎖緊裝置鎖住，如圖4所示。加速度傳感器置于減震器上方，將車輛測(cè)試端的車輪，沿斜坡駛上凸塊，本次測(cè)試使用的凸塊高度為158 mm，測(cè)試時(shí)樣車擋位處于空擋，發(fā)動(dòng)機(jī)處于熄火狀態(tài)，將樣車車輪從凸塊上推下，車輪滾下時(shí)盡量保證輪胎軸線與地面平行，滾下瞬間人不扶車輛確保車輛不受任何外力。用LMS數(shù)據(jù)采集軟件記錄車身上自由衰減振動(dòng)的時(shí)間歷程，每次記錄時(shí)間不小于6 s，保證衰減振動(dòng)曲線完整，共記錄3～5次。前后軸荷的測(cè)量通過數(shù)字指示稱直接稱量，保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 偏頻阻尼比測(cè)試

圖4 鎖緊裝置鎖住減震器

前后軸荷的測(cè)量通過數(shù)字指示稱直接稱取，如圖5、圖6所示，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 軸荷測(cè)試過程

圖6 軸荷測(cè)試結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為采集到的某大排量摩托車前減震自由衰減過程原始數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，由于存在高頻波的干擾，圖中的曲線為各個(gè)頻率波形的疊加，由于高頻波的振動(dòng)加速度信號(hào)起主導(dǎo)作用，從圖中很難看出減震器做自由衰減振動(dòng)的周期性波形，所以還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。對(duì)車身部分的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)頻率的濾波處理，濾波后的波形如圖8所示，周期性已經(jīng)非常明顯，讀取一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)周期的時(shí)間，可以計(jì)算出前后減震器的偏頻。

圖7 前減震原始數(shù)據(jù)

圖9 后減震初次濾波

圖10 后減震二次濾波

后減震器部分的衰減曲線經(jīng)初次低通濾波后仍存在高頻波的干擾，如圖9所示，根據(jù)曲線的周期，可以粗略估計(jì)其頻率為2 Hz左右，在保證不丟失懸架振動(dòng)數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行進(jìn)一步的低通濾波，得到了周期性明顯的衰減曲線，如圖10所示，從而得到車身后部的偏頻和阻尼比，結(jié)果如表1所示。

表1 偏頻阻尼比結(jié)果

根據(jù)軸荷及偏頻和阻尼比的測(cè)試計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)一步求出前后懸架減震器的剛度和等效線性阻尼系數(shù)。

將各個(gè)參數(shù)帶入上述公式，可以得到圖1中前后懸架減震器的振動(dòng)模型參數(shù)，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 前后減震器振動(dòng)模型參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

由于偏頻的測(cè)試影響因素較多，而且剛度和阻尼系數(shù)結(jié)果都是由偏頻結(jié)果計(jì)算得到的，為確保測(cè)試結(jié)果的有效性，用簡單方法對(duì)偏頻結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。人為按壓前后減震器，使摩托車前后減震器按照其固有頻率振動(dòng)，按壓時(shí)不能破壞減震器固有頻率，如圖11所示。記錄在一定時(shí)間內(nèi)前后減震器的振動(dòng)次數(shù)。

圖11 偏頻結(jié)果驗(yàn)證

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種不同方法測(cè)試結(jié)果相差在10%以內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果是有效的。

1 沈好民.摩托車懸架裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)分析及設(shè)計(jì)[J].摩托車技術(shù)，2012（5）：38-41

2 宋康，陳瀟凱，林逸.動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].汽車工程，2016，38（4）：488-494，505

3 張令彌.振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)態(tài)分析[M].北京：航空工業(yè)出版社，1992

4 何璇.輪胎/車輪均勻性及相關(guān)汽車振動(dòng)分析研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015