摩托车减振系统及乘骑舒适性研究（可编辑）

摩托车减振系统及乘骑舒适性研究 天津大学硕士学位论文摩托车减振系统及乘骑舒适性研究姓名:吴涛申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:张宝欢;丁志敏201104摘 要我国的摩托车市场广阔,产品样式不断更新,竞争激烈,用户需求不断变化,但没有改变的是消费者对车子舒适性,安全性等的要求,生产出性能更优的摩托车。消费者对摩托车质量的要求也不断提高。因此,解决困扰国内摩托车制造企业产品质量瓶颈的振动舒适性问题已成为当务之急。摩托车的舒适性指的是:摩托车在行驶中所产生的振动冲击,不会导致人体感到不舒服、疲劳甚至损害机体的性能。舒适性是摩托车各项目性能参数中一个很重要的数值,参数的优劣不仅仅关系到骑乘人员的疲劳度、舒适性、以至骑乘人员的安全,也会关系到摩托车的燃油经济性和燃烧效率。伴随用户的需求以及当前摩托车制造技术的进步,客户对摩托车骑乘舒适性提出了更高品质的需求。因此深入研究和改进摩托车骑乘舒适性有着广阔的前景,而减振技术是确保车辆具有良好的行驶舒适性和安全性的有效保障。本文通过建立适当的摩托车系统动力学模型包括简易直观的刚体一弹簧一阻尼模型和深入的有限元模型,对摩托车减振系统及骑乘舒适性进行动态仿真研究;在摩托车骑乘舒适性测试评价指标的方面,则参照四轮车振动舒适性的评价指标及其测量方法,依据摩托车骑乘的特点,初步提出评价摩托车骑乘舒适性评价的指标研究体系。并在动力学模型基础上依据摩托车动力学性能特征,研究其影响骑乘舒适性的影响原因,仿真研究该摩托车各个结构参数改变后对骑乘舒适性的改变。初步建立摩托车骑乘舒适性评价的指标参数及其计算机仿真方法和试验检测方法。实现该摩托车系统动力学的动态仿真,并针对隆鑫骑士车系列摩托车骑乘舒适性差的现状,提出改进方案并实施,对改进后摩托车进行骑乘舒适性检测,使其骑乘舒适性达到现有用户认可的摩托车骑乘舒适性水平。通过理论研究与实证分析,找出一系列可以有效度量摩托车减振系统舒适性的指标,寻求一种可以及时、准确甄别摩托车减振系统舒适性的一般方法。关键词:摩托车,舒适性,有限元模型,动态仿真,系统动力学,试验检测%跏 , ,.,佗, .晌加锄锄., 巾辩嬲 .够勺托 锄: ,。 ,.锄 。 .咖. 体 , 叮,佗体.锄 陀., 璐 , 锄锄 衔., 如 他 锄曲 陀陀.,锄他 &弱 锄慨.够 , 佗锄 ;鸭他.嬲他,躯陷,陀叮. 咖锄 ,他,他旭把瞪. .叫 倦. 鲫姗,舳 锄甜, . 陀曲 锄 觚锄, 锄. . :, ,第一章 引言第一章 引言.对本课题研究简介国内的摩托车是从世纪年代开始起步,到世纪已经过半个多世纪的发展,仔细品味国内摩托车行业的发展过程,可以说国内摩托车基本上是在仿制发展。并且在仿制过程中只追求速度和数量,忽视经验的吸收,没有进行自主研发,从而致使国内摩托车企业新品开发能力弱、没有技术含量、市场竞争能力极差的状况,导致市场占有率低【。同欧洲美洲以及日本摩托车制造商相比,国内企业不仅在摩托车的外型设计上落后,而且产品质量更加无法竞争。加入后,全球市场及全球制造产业链条形成,国内摩托车工业面临更强有力的市场竞争和换代产品的挑战。因此国内的摩托车制造企业,必须提高企业的开发设计能力,敢于学习,采用先进的开发技术,尽快的提高产品品质,从而满足客户的需求。随着消费者对摩托车乘坐舒适性要求的不断提升。解决长期困扰国内摩托车制造企业产品质量瓶颈的摩托车振动舒适性问题已成必然。目前,我国的摩托车市场广阔,竞争十分的激烈,用户需求不断变化,但没有改变的是消费者对车子舒适性,安全性等的要求,生产出性能更优的摩托车。骑乘舒适性与很多因素有关,是一个综合性的研究课题,随着人们生活水平的提高,这个问题的研究越来越受重视。我国的摩托车企业必须尽快提高摩托车的开发设计水平,采用先进的研发技术,不断提高摩托车品质,以满足市场需求【。摩托车振动问题是国内摩托车生产企业普遍遇到的一个问题,振动不仅仅影响产品自身操控稳定性、安全性及产品的使用寿命,而且关系到骑乘者的乘坐舒适性。然而国内摩托车企业到目前为止,对振动问题还没有系统的解决办法:仍维持在:发现问题再解决问题的层面上。没有在前期方案样车设计阶段就把振动问题考虑进去,从而导致就产品开发周期延长,开发成本无法降低,市场价格没有竞争力。为了改变传统落后的开发模式,必须在前期方案样车设计阶段深入研究摩托车的振动问题。因此,研究摩托车行使的舒适性和安全性成为一项长期性的研究课题,摩托车的振动主要来自发动机自身振动和路况的作用;发动机运转时产生的振动是摩托车振动的的只要来源。选择布局合理的发动机与车架的配合连接方式,减振器系统的刚度和阻尼,以及车架自身焊接组合方式,对控制和降低整车的振动也具第一章引言有明显的作用【。本课题将针对摩托车减振系统进行舒适性研究。.本课题研究的目的及实用意义传统的分析方法并不能从根源上解决摩托车的舒适性问题,因而利用计算机模拟分析与实验相结合的方法来解决摩托车的舒适性问题具有重要意义。本文针对 排量摩托车在行驶过程中多个部位存在较大的振动问题,通过有限元模拟分析及实验的手段,得到其动态特性,找出了该款摩托车存在较大振动问题的原因。从而对其结构进行了改进,优化了其动态特性,很好的改善了该款摩托车的振动状况,并通过模拟分析和实验的手段验证其减振效果。.本课题的研究现状目前,国内外普遍采用的摩托车减振器主要有伸缩筒式前悬架和弹簧阻尼后悬架等,随着摩托车技术的发展,对摩托车前后悬架装置的设计已开始采用更为新颖的变直径和变节距弹性元件,如油压阻尼器、油一气调节装置、负载调节装置、摇臂杠杆式中心减振装置等先进结构。这些新技术的普及,能迅速衰减因车速、负载及多种路况变化所带来的冲击和振动,将振抗自动调节到最佳技术状态,极大地改善了摩托车的减振性能,不同程度地提高了摩托车骑乘的适应性,舒适性、平稳性和安全性【】。合理设置减振器的刚度和阻尼,对改善摩托车的操纵稳定性、骑乘舒适性具有举足轻重的作用。对于现代运动型多用途摩托车而言,传统的弹簧液压式减振器存在诸多难以克服的弊端:螺旋弹簧受到冲击后会产生振动,持续的振动易导致骑乘者疲劳和烦躁,潜伏不安全隐患;减振器的阻尼力越大,振动消减得越快,但却使并联在减振器外部的螺旋弹簧不能充分发挥作用,同时过大的阻尼力,还可能导致减振器连接零件及车架损坏:液压阻尼力随着温度的变化而变化,长时间使用后,液压油与细小孔壁之间的摩擦以及液体分子内摩擦产生大量的热量,导致液压油温度升高,粘度迅速降低,阻尼力也随之减小,减振器的减振性能随之恶化;反应迟钝,无法适应复杂多变的运动型摩托车行驶工况要求,如高速行驶中突遇障碍物,往往易于导致减振器击穿,完全失去减振作用:调节非常有限,现有的多级可调减振器一般只能调节螺旋弹簧的预载荷,增大弹簧的刚度。无法真正满足不同路面、不同载荷的行驶工况要求;无法同时满足现代摩托车行驶舒适性和运动性之间对立的矛盾,前者要求悬挂系统行程要大、刚度要低;而后者则完全相反,无论怎么调节都无法使二者完美兼顾。第一章引言国内对摩托车的基础理论研究相对于四轮车要薄弱得多。尤其对骑乘舒适性的研究涉及更少。在四轮车行驶舒适性研究方面,已有相应的国际标准和国家标准,并制定了相应的实验检测标准。同时国内亦有研究者依据现有国际和国家标准提出了一些新的评价指标。因此,本课题在现有四轮车减振系统舒适性评价指标的基础上,提出评价摩托车骑乘舒适性的评价指标和计算方法,从而初步建立摩托车骑乘舒适性的评价指标体系及检测方法【。随着计算机技术的发展,/技术已经广泛应用于各类工程分析中。传统的从初设计、制造原型、实验后方案寻优、再制造、性能测试、反复修改、设计到最后成型的分析设计思路,已经被现代虚拟产品开发方法所代替。在摩托车骑乘舒适性的评估与分析中,往往需要大量的路况试验和台架模拟试验,这些试验周期长,费用高。随着计算机集成技术的发展,出现了许多功能强大的工程分析软件,如有限元分析.,多体动力学软件.等,如果把这些工具充分加以应用和结合,建立较为准确而符合实际的摩托车骑乘舒适性分析模型,进行仿真实验和分析,可以大大地减少试验次数。这样既降低了费用又加快了新产品开发的周期。因此,以/的集成技术为基础的虚拟产品开发模式将是摩托车骑乘舒适性研究与分析的必然趋势。通过文献调研,现有摩托车振动动态特性分析大多存在如下不足:一是采用比较简单的模型,将摩托车分成几个独立的集中质量,这几个集中质量只有质量没有刚度,他们之间用无质量的弹簧连接,这种方法虽然物理概念简单,计算方便,但由于模型简单,与实际结构差别较大,所以计算得的结果精确度很难以令人满意:二是只研究摩托车单一零部件如车架的动态特性,研究整车的较少,尤其在国内就更少,但我们知道摩托车是由很多个零件组成的整体,显然单独研究部件的动态特性是远远不够的,不足以反映摩托车整体的动态特性,必须建立摩托车整车的动态模型才能全面掌握摩托车的动态特性,才能对摩托车的整体设计提供更全面更具有参考价值的数据。同时因为摩托车是一个复杂的多体系统,在对摩托车进行动态特性仿真时,由于算法的限制大多数的研究者都把摩托车视作柔性体进行研究,而忽略或者简化了摩托车的刚体部件,同时由于受到技术条件和资源的限制,国内在对摩托车多体系统方面的研究也相对比较贫乏,还没有一个成功的方案供参考。而在舒适性评价方面,我国现阶段对摩托车舒适性方面的研究还很少,至今还没有一个合适的评价指标来供参考】。在摩托车设计中,需要对摩托车舒适性进行预测评估,或在考虑整车舒适性的条件下对系统中的一些主要参数进行优化设计,这要求选用合适的动力模型对摩托车舒适性进行动态仿真,因而建立合适的动力学模型对摩托车的振动特性进第一章引言行仿真研究将成为摩托车舒适性仿真研究方面最重要的工作。.本课题研究的目标和内容本课题通过建立合适的摩托车系统动力学模型包括简易直观的刚体一弹簧一阻尼模型和深入的有限元模型【刀对摩托车减振系统及骑乘舒适性进行动态仿真研究;在摩托车骑乘舒适性测试评价指标的方面,则参照四轮车振动舒适性的评价指标及其测量方法,依据摩托车骑乘的特点,初步提出评价摩托车骑乘舒适性评价的指标体系。并在动力学模型基础上依据摩托车动力学性能特征,研究其影响骑乘舒适性的影响原因,仿真研究该摩托车各个结构参数改变后对骑乘舒适性的改型。.本课题研究的目标初步建立摩托车骑乘舒适性评价的指标参数及其计算机仿真方法和试验检测方法。实现该摩托车系统动力学的动态仿真,并针对隆鑫骑士车系列摩托车骑乘舒适性差的现状,提出改进方案并实施,对改进后摩托车进行骑乘舒适性检测,使其骑乘舒适性达到现有用户认可的摩托车骑乘舒适性水平。.本课题研究的内容分析我国摩托车减振系统舒适性改进措施:摩托车减振系统有限元模型的建立方法:有限元模型对减振系统参数进行优化分析:摩托车减振系统性能评价;.本课题拟采用的研究方法和技术路线.本课题拟采用的研究方法在摩托车减振系统舒适性评价指标的研究方面,依据摩托车减振的实际情况,参照四轮车减振系统评价的研究成果,提出摩托车减振系统舒适性的指标体系,并完成评价甄别的方法。在掌握了摩托车减振系统结构及其参数的基础上,采用从简单模型到复杂模型的方式,建立摩托车减振系统的模型包括简易直观的刚体一弹簧一阻尼模型和深入的有限元模型,并借助试验结果对模型进行修第一章 引言改,从而建立合适的摩托车减振系统仿真模型,并在其基础上仿真研究摩托车各结构参数对减振系统舒适性的影响。.本课题拟采用的技术路线参照四轮车减振系统舒适性的评价指标及其计算方法,依据摩托车减振系统的特点,初步提出评价摩托车减振系统舒适性的指标体系。制定出实验测试方案。并完成评价甄别的方法。建立摩托车的减振系统模型包括简易直观的刚体一弹簧一阻尼模型和深入的有限元模型,并对该摩托车减振系统舒适性进行仿真。完成该摩托车减振系统相关计算,计算出刚度和模态。在有限元模型基础上仿真研究摩托车各结构参数对减振系统舒适性的影响。第二二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍.摩托车的整体结构摩托车虽小,但它的技术含量也不逊色与四轮车,摩托车由车架系统、减振系统、转向系统、轮胎系统、发动机及变速传动总成等几部分构成。这几部分通过相应的连接组合在一起,可以看出摩托车是一个复杂的振动系到】。车架车架是摩托车的主体,相当于人体的骨架,车架的主要功能是组合摩托车的各个分系统,使其构成一个整体,来承受分系统的重量和摩托车行驶过程中的各种外力。车架的结构强度不仅要能够保证各个分系统的安装,而且要满足舒适性、操控和稳定性等技术条件,所以摩托车车架是一个质量控制非常严谨的组成件。车架是可以由不规则的焊管,无缝管,板材等组件通过焊接组合构成,在某些位置可以增加加强板。其它的冲压部件可以通过一定的螺纹方式直接或间接的连接到车架主体上的。车架的结构根据实际摩托车的造型进行局部修改,但其基本结构可以概括为如下几中形式:摇篮式车架、跨接菱形式车架、脊梁式车架、低跨式车架、组合摇臂式车架,如图.所示。本文所研究的款骑士摩托车的车架结构为摇篮式车架形式。图.摇篮式车架图.跨接菱形式车架第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍图.脊梁式车架 图低跨式车架图.组合摇臂式车架前减振系统摩托车的前减振系统是前轮与车体弹性连接的机构,又可以称为前叉。它通过方向柱与车架焊接立管相连接,通过上联板与方向把相连接,并用螺栓固定,下端通过前叉组件的左、右减振器及杠杆机构与车轮相接。前前减振系统常见形式有两种,一是套筒式,一是下连杆式。本文所研究摩托车的前悬挂装置属于套筒式。前减振系统的主要功能为控制前轮左右转向,以引导和控制摩托车的行驶方向,并缓和前轮的冲击。后减振系统后减振系统是后轮与车体的弹性连接机构,主要由平又、后减振器等部件所组成。后减振决定后轮的行程,而减振器对振动起衰减作用。后减振系统的结构形式主要为摆臂式,具体可分为双臂式、单臂式两种。本文所研究的摩托车为单臂普通式后减振系统,该后减振系统为单简型后减振,用销轴与车架平叉连接。当摩托车受到冲击时,压缩弹簧使减振器缩短,从而减轻了对车架的冲击。后减振器是由弹簧和阻尼组成,其性能参数对摩托车的乘骑舒适性的影响第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍非常的明显。轮胎系统轮胎是摩托车与地面接触的部分,摩托车车轮所起的作用主要有传递动力、转向、缓冲外界冲击、承载车重以及提高附着性能等,因而要求轮胎应具有适宜的弹性和承载能力、与路面之间有良好的附着性。摩托车的前轮通常为从动轮,除了支承车架前部的重量外,还用来改变摩托车的行驶方向。后轮通常为驱动轮,除了支承车架后部的重量外,主要将发动机及传动系统的驱动扭矩传给路面,从而驱动摩托车向前行驶【】。发动机发动机是摩托车主要动力来源同时也是主要振动来源,所以它在摩托车结构中占有重要的地位,是摩托车最重要的组成部件。发动机主要由机体组件、曲柄连杆机构、配气系统、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统等几大部分组成。发动机一般是通过螺栓刚性连接在车架上的,但是这种连接方式必将把发动机的振动传递到整车中,因此现在很多摩托车都通过发动机的弹性悬置来降低发动机的振动向车架的传递程度】。本论文中车型仍然采用发动机与车架的刚性连接方式。其它部件摩托车其它部件主要是指油箱、化油器、空滤器、进气管、消声器、座垫、电气系统、前后制动器等部件。这些部件对整车的振动舒适性影响小。.摩托车的减振系统工作原理综上可知,摩托车减振系统由前后减振器及其部件构成,前后减振是摩托车的减振装置,由它吸收路况产生的冲击,缓解摩托车的振动,提高乘坐的舒适性,减轻车体各部分的受力等。摩托车减振器按照其工作介质分,有空气式、液压式和油气式三种类型;按照工作缸筒结构分,有单筒式和双简式两种【】。本文所研究的摩托车的前减振器属于是伸缩单简式减振器;后减振器属于是液压式减振器。减振器是由弹簧和阻尼组成,阻尼一般是非线性变化的阻尼,摩托车厂的减振器一般是由固定的配套厂家所提供,它的好坏对摩托车的骑乘舒适性影响非常的明显。减振器本质就是阻尼部件。当受到外界刺激时,减振器起到缓解、吸收和消耗掉能量的作用.并把机械能转化成其他形式的能量释放到周边的环境中。液压减振器内部设计有多个阻尼孔洞和阀门结构,液压油在其中来回运动时,会产生摩擦,并吸收车体振动时产生的能量,从而达到降低振动的目的【】。第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍.摩托车减振的主要数学模型和外部特征所建立的数学模型减振器数学模型的构建是车辆动力学工程中的重要研究目的。现在的摩托车减振器,已构建了如下三种模型】。第一种是复杂的非线性模型。该种模型是采用流体力学中的物理定理,并根据减振器内部液体的流动现象构建的。模型中参考数据较多,如和模型有个数据。此种模型可用于研究减振器自身的特征,但不能理想的应用于摩托车减振系统的模拟。第二种是线性模型,例如模型。但该种模型不能准确的描述减振器特征。第三种是简单的非线性模型。该种模型是经过实际试验的方法构建的,模型虽然仅含有较少的参考数据,但是既能准确的描述减振器的特征,又能理想的用于摩托车减振系统的模拟。该种型的代表是剑桥大学等人设计的的参数模型。该模型可以在以内与试验结果想符合,代表着减振器数学模型研究的最新理论。该模型将真实的减振器简化为一种物理模型。下图.就是一种物理模型,由一阻尼器和一非线性弹簧构成。阻尼器的阻尼力和输入速度以及弹簧压缩速度之间的差值呈现为分段线性关系,弹簧的弹性力和弹簧的位移呈现非线性关系。因为阻尼器和弹簧为串联关系,阻尼力和弹簧力数值相同,可用表示,该也是减振器的输出阻尼力。 , /、 厂。,/。厂图.减振器物理模型针对此物理模型,等人提出了下列的数学模型:第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍一一锵量 口毛铲一譬口毛肚蠡绋.?或。影。口掣缈肚白口一?口影舯十煮糌学?认口、/羔丝口模型中含有、仅、,个参考数据,能取得这些参考数据,模型就能确剧毗】。减振器的外部特征减振器的外部特征可以用力和位移的关系来表示,如图.、图.所示。它表示减振器在压缩和复原行程中阻力的变化特征,上面为复原行程,下面为压缩行程。可以看出复原及压缩时的最大阻力值,就是图中封闭曲线所包围的面积,该曲线也叫示功图【引。经过测量减振器的示功图,就可以直观的发现减振器结构设计的效果好坏,是否满足设计要求,以及在各种做作情况下,减振器的工作状况和发生问题时的原因。一款性能优良的减振器产品,它的力的位移特性的示功图,应该丰满、圆滑,不出现空行程、畸变等现象;通过观察减振器的示功图可以快速检测出减振器性能的好坏,如图.所示的示功图,可以看出该减振器设计较为理想,而图.所示的示功图因右侧出现明显空行程,复原阻力不够。该减振器减振效果不好,所以减振器出厂时每支产品都附有示功图。第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍舢图.减振效果较理想的减振器示功图.抛图.减振效果欠理想的减振器示功图.摩托车的减振设计方式介绍前减振器摩托车采用的前减振器主要以伸缩式为主,包括正置式和倒置式【。为了使轮胎具有良好的接地特性,并控制加减速时车身角度。摩托车采用的前减振器非常重视./以下低速区域的特性,追求这个速度区间里复原行程和压缩行程切换时阻力响应特性。以越野摩托车为例,它的行进线路中存在山地路段,有时还会在运动路段上存在有飞跃距离以上的三连跳。经过这样的跳跃后着地时,前减振器所经受的压缩最大速度为/,接着,着地后的复原速度为./,在这样的山地地段中,为保护驾驶员和摩托车,并且不影响骑乘舒适性,前减振器的行程设计为,它具有普通公路摩托车.倍以上的工作行程。此外,在最大压缩行程的前处,更设计有缓冲结构,可以缓慢降低速度。后减振器摩托车采用的后减振器的前减振器一样,同样追求低速区域的性能,其结构主要以摇臂和后减振器连接而成的结构为主,由于摇臂和后减振器连接有杠杆比,所以后减振器阻力比较大,复原和压缩阻力比也不再是?倍,其压缩第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍阻力低速区域和复原阻力基本相同,中高速阻力比为倍。后减振器是通过连接摇臂运动,可以得到好的非线性特性。以越野车后减振器为例,越野车用后减振器在外型和性能上与普通公路型摩托车用后减振器没有明显区别,具有相同的优点。液压减振器工作原理液压减振器中阻力产生的原理是:伴随活塞的运动,液压油在流路中运动时,流路内部及流路进、出口压力下降产生的差值,称为阻尼力。想要改变阻尼力,就要改变流路的通过面积。越野车用前减振器结构如图.所示,这种类型的前减振器,复原、压缩阀系构造,多采用后减振器阀系结构。在某一速度下,液压油通过活塞上设计的小孔流进,流出时受到阀片的阻挡,形成压力差,所产生的阻力,称为纯阻力。复原侧阻力调整部位图.前减振器结构示意后减振器结构如下图.所示,这种类型的后减振器为中心独立式,行程短,低速区域压缩阻力很大,所以在复原阀系结构中,也设计了可以产生压缩阻力的构造,由于这种减振器阻力比较大,阀系的构造采用阀片叠加,增加开启难度,可以使低速区域的阻力稳定。第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍率,静图.后减振器结构示意.摩托车的减振舒适性研究理论介绍在对摩托车进行骑乘舒适性研究和预测评估,或在考虑整车舒适性的条件下对减振系统进行优化设计时,首先要求选用合适的有限元模型包括简易直观的刚体一弹簧一阻尼模型和深入的有限元模型对摩托车的舒适性进行动态仿真,而且往往所建立的有限元模型的质量直接的影响到对车辆舒适性的评价结果,因此选用的模型越复杂,计算要求给出的结构参数值就越多、越精确【】。如果这些基本参数值有微小的误差,经过复杂的计算后,误差就有可能会变得很大,甚至影响到结果的合理性。另外,摩托车是一个极其复杂的振动系统,它的主要振动来源于路况和发动机的刺激,其主要振动为垂直振动和俯仰振动。在实际分析中,不能把各种因素都考虑进去,因此需要根据主要和次要关系进行假设和简化【,】。摩托车振动系统是线性的,所以只需考虑摩托车在垂直方向上的振动,这就可以使问题的分析和计算工作得以简化,而且能满意的描述摩托车的振动特征。摩托车振动是影响摩托车行驶舒适性和安全性的重要因素。振动不仅让人感到疲劳,而且由振动所引起的应力变动,会造成安全性能下降,因此,在对摩托车舒适性的研究中降低摩托车振动才是重点。摩托车的振动来自多种因素,首先是环境的影响:主要是路况刺激和发动机运转所引起的刺激;其次,是摩托车悬挂结构,阻尼以及刚度的影响;其三是摩托车运行速度及驾驶员操控状态。摩托车在各种路面上行驶,转弯、上坡、下坡等,都会产生垂直振动、纵向摆动及横第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍向摆动等振动现象。振动不仅产生于环境影响,同时,还产生于驾驶员的操作,如转向不足或超速。研究振动是一项复杂的工作,本文主要研究目标是垂直振动,便于分析它对摩托车舒适性、安全性造成的影响,并设计出理想的悬挂参数,阻尼常数和弹性刚度,从而改进摩托车减振系统舒适性【。对于整车,影响振动舒适性因素有三:一是摩托车减振弹簧的刚度和阻尼:二是摆臂的长度;三是弹簧与摆臂间的夹角。因此优化减振系统的结构和参数,是提高整车行驶振动舒适性的重要手段。.摩托车有限元模型的建立计算机技术的快速发展,使有限元法也大量应用到工程开发,有限元法就是数值计算,它首先把设想的整体分割成数目有限的个体单元,个体单元之间只在指定的节点处相互连接,从而组成一个单元集合体,用以代替原来的整体,在节点处引入等效代替数据,作为单元上的外力;其次,每个单元用分块近似的思路,用简单函数来代表位移分布规律,并按弹性、塑性理论替代单元节点力和位移之间的关系,最后把所有单元的这种关系集中,得到一组以位移为未知数的方程组,再用矩阵理论在计算机上求出各个位移分量和应力值幽】。在对摩托车进行动态特性分析时,采用这样的方法建立有限元模型:一是采用简单的模型,将整体分为几个独立的质点,这几个质点只有质量没有刚度,质点之间用无质量的弹簧连接,这种方式物理概念简单,计算简单,但与实际结构差别较大,因此计算结果往往不能令人满意。二是只研究整体中的单一零部件的动态特性,研究整体的较少。摩托车是由多个部件组成的整体,单纯研究某一个部件的特性是远远不够精确的,因为整车是一个复杂的系统,必须建立整车的动态模型才能控制其动态特性,也才能对整车设计提供更全面更具有参考价值的参考值【。随着计算机发展,大量的有限元分析平台软件不断的涌现,这也使得有限元模拟法深入的应用到工程中,实现了复杂结构的性能求解。在创建整体有限元模型时,必须如实的反映整体实际结构的力学特征,保证精确度。因此有限元分析计算结果的实际符合度,直接受模型、载荷值、约束条件等条件的影响,所以此建立合理准确的分析模型是有限元分析中的一个非常重要的过程们。.建立摩托车有限元模型时的假设和简化第二章摩托乍的减振系统及舒适性研究理论介绍摩托车有限元模型的建立,首先应该是对车架进行分解,而后是分解其他的零件,并把零件有限元模型与车架模型相连接,构成整车模型。分解的原则是:一要体现工程结构的力学性能,二要保证工程结构的符合性,因为摩托车是一个复杂的立体结构,要建立一个与实际结构相符合的有限元模型,必须抓住结构特点并使其它零件简化。根据摩托车结构特性和部分零件的实际特性,在建立摩托车的有限元时需做如下简化:车架焊接组件之间焊接牢固。摩托车的部分零件,在摩托车实际行驶过程中变形量小,对结构整体刚度的影响也小,所以把它们作为质点施加在对应的节点。有些零件是为了满足装配要求而设计的,这些零件对结构的变形影响很小,因而可以忽略。如某些装配支撑。节点的细化程度,在关键点要适当增加节点密度。实际车架的组件都是都采用焊接连接成为整体。在分析中,需将节点设置在焊缝上,这样应力会沿焊缝传递,从而保证变形的连续和协调。摩托车对称于它的纵轴线,所以摩托车没有横向角振动,可以简化为单一平面内的振动。摩托车发动机振动只考虑垂直方向的力和水平方向的力。.摩托车整车有限元模型建立整车有限元模型的建立是在摩托车车架的有限元模型的基础上,把发动机、前后减振器、轮胎及其它系统等都装配在车架上面构建的。摩托车前后减振器的主要作用是支撑车架,缓解振动。减振器模型的建立需要遵守下列原则:一要有足够的约束,用来以消除结构的刚体位移。二要约束与真实情况一致。将前后减振器模拟成线性的弹簧和阻尼,不考虑其它因素,作为弹性支撑,采用有限元法中的弹簧单元来模拟,在弹簧单元中可以采用实际的刚度和阻尼【删。而刚度和阻尼的参考值,可测试得出。轮胎是复杂的弹簧阻尼系统,因此建立与实际相符的有限元模型,不仅影响计算结果,而且计算量大。所以实际情况是把轮胎简化为质点和弹簧阻尼单元,轮轴用杆单元分解,前后轮的质量作为质点分别加在轮轴的中间节点上,作为轮胎的同效果质点,上面部分采用减振器和车身联接.下面部分采用弹簧阻尼单元与地面联接,弹簧的刚度和阻尼系数即为轮胎刚度和阻尼系数的同效果值.】。轮胎等效刚度和阻尼系数可查轮胎标准得到或者是用下列计算式得出:第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍缸口口?,口,艿经验系数;式中:口、口.、口:艿:径向变形;轮胎内气压?:上面所建的摩托车整车有限元模型关注了两种激励方式一路况刺激和发动机刺激,明确了摩托车的最主要振动方式?垂向振动和俯仰振动,准确地反映摩托车的实际振动,并且模型中采用的结构参数和路面参数都容易测得,只要采用合理的计算方法,就能满足实际精度要求,从而保证计算结果【。.摩托车减振系统性能评价摩托车减振器性能的评价可分为性能、强度和耐久性三个方面。骑乘者会直接感受到减振器的性能差异,因此性能评价是以实际路况测试为主,再结合试验室台架测试共同来测定。实际路况测试时,需五位驾驶员,测试后将五个人的评价意见综合起来得出结论,这使得评价变得复杂,受环境因素影响也多:而试验室台架测试性能,由于有量化技术指标,评价相对直观和容易操作,但不能直接观察到减振器的综合性能,因此,如何结合两方面的评价得出需要的性能显得尤为重要。强度和耐久性评价则是通过已经确定的量化技术指标,在专业用的试验设备上完成。.摩托车减振系统性能减振器性能评价往往是通过骑乘摩托车来进行的,当确定一款新车型时.先要定位消费群体,是以舒适性为主,还是以高速度为主,是以城区为主,还是兼顾城镇结合,或主打农村兼顾货运,这样的定位既能给驾驶员测试方向,不至于评价时偏差太大。当前,摩托车主机厂和摩托车减振器生产商,对减振器的性能评价仍依赖于实际路况的测试评价。驾驶员根据测试感受进行评价可分为两种:对干扰因素的评价,这种评价较难预测,称为被动式感受评价,如乘坐舒适性及操控性等;由驾驶员对摩托车响应能力的评价,如操控性及驾驶姿势的变化等,称为能动式感受评价。一般说,能动式感受评中驾驶员评价的主观影响更大。第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍摩托车的运动情况分为三类:上、下路面凹凸不平及惯性力运动,前、后行驶、停止时的加、减速运动及横向路线变更或转弯时运动。减振器与阻尼器是上、下运动的,所以直接影响到乘坐舒适性及驾驶姿势变化。前、后运动与横向运动,会对减振器加载惯性力,引起上、下运动,如加减速时的惯性及转弯时车体的下降。驾驶员进行实车测试评价时,路况及行驶条件可以事先确定。上下运动时,应选路况差的路面进行评价。前后运动主要是测试加速、减速时车身角度的变化,其变化的大小、速度、触底感等都可以做为评价的对象。横向运动时,操控性可以从摩托车操控的响应速度以及对响应时间进行评价。为了使评价客观、准确,加快减振器设计的改进及判定,必须掌握驾驶员测试评价和摩托车运动数据之间的对应关系。乘坐舒适性评价:通过采集车身上、下加速度数据值进行评价,下图为两者之间相互关系。从图中看到,摩托车座垫部位上下加速度的二倍平均值非加速度的平方值与乘坐舒适性评分之间有着密切关系。翅众、,众胜皋生疆镪. . .加速度的倍平均图.骑乘舒适性评价第二章摩托率的减振系统及舒适性研究理论介绍稳定性评价:摩托车手把管位置的振动可于稳定性评价。下图为根据手把振动角平均值进行的稳定性评价,从图中看到,振动角度与感觉评价的关系遵循韦伯法则,评价的绝对值会根据驾驶员及路况不同而不同,因此将其作为相对评价标准会较有效。荒废、凸凹不平路 平坦路车?扣卜车如 卜车?舢 ?黍巢、善四. .平均手把振动角卢图根据平均手把振动角进行的稳定性评价作为稳定性的评价数据,摩托车响应横向运动函数的共振点放大值和衰减值有关,横向运动时的稳定性评价如图.所示,车载仪器布局如图所示。第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍加速 度计车载仪的布局亭 呻鲁勺衰减.,髓,偏转速度/转向力矩的传递特性。感觉弘价图横向运动时的稳定性评价第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍氅。铠俄 倔转度.根懈偏转速牛振幅实放值不同产生的感觉变化婺钧国. .偏转速半变动的减褒系教根据偏转速半变动的战褒系数彳同产生的感觉变化图迂回前进的评价在这里,感觉评价以分值分进行分等。进行操作输入并获得转向力矩后,摩托车横向运动输出响应.就可以得到偏转速度、行驶速度及车架的横向加速度数据。测试时,驾驶员左手握住手把胶,施加作为冲击力输入的转向力,以便输出函数值,得出六个共振点的放大系数与减衰数据。图.为转向力输入后,偏转速度输出的共振点的放大系数数据和减衰数据,该两组数据与感觉评价之间的相互关系是:放大系数越低,减衰越大,稳定性评价值越高。图一为摩托车的迂回前进时产生的横向运动特征,即偏转速度、行驶速第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍度及转向角的实效值与感觉评价间的反比关系,也能反应摩托车的横向运动特征与阻尼特性之间存在的正比关系。为了使评价客观,准确,除了以感觉评价为基础,还要用一定的物理数据作为评价量进行评估,以便测定摩托车特性。给摩托车施加一定的输入量,就会得到摩托车的响应输出量,然后根据输入、输出问的关系来决定评价值。评价值有三种计算方法:向摩托车施加代表性的输入波形,如脉冲、梯形、半余弦脉冲等,得出此时的运动波形。接着再按输出波形代表的特征值如反应时间、减衰时间等大小进行评价;用于输入的计算方法,事先规定输出值,再计算为达到既定输出而必须的输入值大小,由此进行评价;用于输入与输出比例的计算方法,计算输入想对应的输出的函数关系,以此函数作为显著特征进行评价。从输入、输出看摩托车的运动。如下表。表.从输入、输出看摩托车的运动输入 输也运动干扰输人:路 分身的二下加速 波形面凹凸小 鹰:光谱密度析连续突起 .把人座他堆?.突起上下轮腑的接地力 波形运动光潜密度分析操作输人:加 吁回转化移 波形后.变化率前后 速度.碱迷度 前舀觚赣轮胎的接地力 波形:升.滞后运动.操作输入:转 波形滞后.超程偏转角.速率向力矩.女装转角。速串角 阳化移横向干扰输入:路偏速书 渡肜【减衰时删运动嘣凹凸小弘, 专速书侧风.气动力 转阳横向加速度下面列举几个试验方法和评价实例:乘坐舒适性:摩托车行驶与乘坐舒适性因素:摩托车行驶时测量车身及手把管位置的加速度,再乘以人类的振动感觉特征值,计算二倍平均值,得出平第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍方根。该平方根为综合性乘坐舒适性的评价依据。摩托车的振动传递特性,向车轮施加过渡输入与连续输入后,此时车子输出的响应测定值,即乘坐舒适能力值。操控性:以圆形轨迹旋转行驶,测定回转中的转向力矩、转向角、车身的倾斜角极限,以及最大横向加速度等性能参数。回转行驶是一种频率响应测试,用于检测手把胶位置扭矩的大小、车的响应速度、最大通过速度等。线路偏移、障碍物躲避,将摩托车的过渡性响应作为测定对象,检测其运动及偏移时间变化,以及障碍物躲避性能等。行进稳定性,车子在受到干扰脉冲输入时,车身的可控制性,或摇晃前进时的稳定性评价,计算干扰输入后,运动的衰减时间。通过减时间可得出振幅的半减衰时间,并与标准值对比,加以判断。侧风安全性,检测突然刮风时,车身对侧风的响应及可控制性。可在测试跑面上设置侧风测试仪器。路况不良特性,测试从路面上传来干扰时,车身的响应性及可控制性,为使输入条件简单,可以在前进路线上度角的地方设置凸起物进行测试。减振器实验台评价是整车在模拟实验台上进行的,如下图.所示:图. 整车试验台上下运动:将前、后减振器分离进行测试,模拟状况如图.所示,该实验用于评估前减振器的乘坐舒适性,转鼓一卜附有凸起物,是模拟路况凹凸不平的路面时,施加的干扰输入。忽略轮胎回转影响,可用一台伺服液压缸代替转鼓,施加上下振动输入,该方法比较简单。在评估单一减振器性能时,可考虑模拟试验,并制作相当摩托车前叉的振动模型机构,仅前减振器采用实体,以由此来测为实验台。试振动的传递特性,图?第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍?一一一敲背图.模拟路框试验台币罩,圜谯压图.模拟路框试验台第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍利用实验台进行相当于整车试验的评价技术,目前还不算完善。另外,如果横向运动也在实验台上模拟试验进行测试,还不如利用计算机仿真技术来计算模拟更实用。摩托车减振器弹簧和阻尼器的特征可用单品进行实验台试验评价。评价对象除弹簧及阻尼器的基本性能、与整机配合使用时的动态特性外,还包括构成要素为对象的单元特性。评价项目如下表所示。.表.单元评价项目分麦 鼢项目 评价内容 对象弹簧含空气,豫:弹簧负荷?位移特性 镝,后醯蕞嚣藏售器静负荷特性弹簧负葡与位移的芰系阻力一速度特性 酋.后藏震嚣阻力与速度的关系速度特性基树每生阻力一墨度特性 髓着阻尼嚣温度变化,阻力的变化盈度搬 麓.后赢霞嚣阻力一巨衰特性 前减曩墨连续加振昏.阻力的衰战变化耐久性阻力一一宰特性 与额事变化相对应的阻力响应性前,后减曩嚣动态能阻力过度响应性 单一梯形输八时的阻力响应性 麓.后砖霞暑魔擦力 阻尼器的密封邬。导向郎的滑动摩蠢 前.后域曩暑缓冲薮符特性大外力输八时.用于吸啦殖康冲击的性锻缓冲阻力 葡藏毫薯个别糙缓冲垫特性 后置暑用于吸收大外力箱八时缓冲垫的再性负霄与位移关系雌 弯曲,拧折外力输人时的惟 箭减曩暑.摩托车减振器的性能判定判定的基本原则:乘坐的舒适性:降低弹簧刚度,调低弹簧上部共振频率可提升乘坐的舒适性。在共振频率之外,阻尼比系数越低,乘坐的舒适性越佳,但弹簧上部共振频率附近,如果没有足够丰富的阻尼比,则会感觉太轻、乘坐感不舒适,所以要根据整车的特性选择适当的阻尼比系数.。提高预压阻力,跨越路面凸起处时,感觉会生硬。为此降低预压阻力,提升复原阻力,既能保证乘坐的舒适性,还能保证必要的阻力。增加质量,弹簧上部共振频率和阻尼比系数会随之变低,乘坐的舒适性交佳,但如果要保持这种感觉,就需要弹簧参数、阻力值与质量成比例上升。接地性能:在共振频率之外,阻尼比系数越低,接地性能越好,但在共振频率附近,接地性能会随着振动的增大而降低,特别是弹簧下部共振频率附近最明显。在路况较好的路面,因外力干扰小,为了保证乘坐的舒适性,则选较低的阻力;为提高接地性能,并避免弹簧下部共振,则选择较高阻力。如果阻尼比系数过高,在弹簧上、下部共振点之间的频率区域,接地性能会降低,为保证第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍良好的接地性能,阻尼比系数应在.?.左右。减速及加速时,惯性会向地面传递,为保证接地性能,弹簧除设计合理外,还必须牢固固定。坐姿的变化:弹簧设计合理,较小的位移就能衰减外力,坐姿变化小。提高阻力也能一样使坐姿变化小。通过位移改变弹簧预压和阻力的减振器,对坐姿变化小很有作用。复原阻力/预压阻力比一旦增大,在路况差的路面上行驶时,车身下降。物理行程:受到路面输入时,阻力越大,物理行程小。受到惯性力时,坐姿变化会与一样。操控性:接地性能影响减振器组件的性能,在路况差的路面接地性能变差时,轮胎会横向打滑,操控性变差。摩托车的规格参数及其它因素对操控性的影响也很大。综上,操控性取值时,弹簧特性与阻力并不能同时满足设计要求,而是相对立的。因此,需要考虑摩托车的规格参数,按上述内容进行综合评估,从而选择合适的弹簧与阻力值。如果使用一般的弹簧特性及阻力值,得出的性能也会有使用范围。虽然在这个使用范围内已经满足使用需求,但如果超出这个范围,那就需要弹簧及阻尼器的性能多样化,并根据使用环境不同切换所使用的弹簧及阻尼器。减振器在调整时,判定倾向如下表所示:表.判定的倾向婀功麓 琨童厦后部下沉安势.住转弩时容男转向不足翳,、哪口蜘动时上下运动空化自.风吹动基后暑珥变成群郎下沉蜜务.舒适毫轻謦.转弯时容量转向过魔飘增大?呸吹动毫变小.岛豇的凹陷吸啦惶童芝高速行驶时会产生吹动毫置碌?一国在一?般匠铆遵行驶时后蛇运动最瞒.秉坐童嚣般舒适与调曩时一.摹.路面凹陷吸收性交整曩一曩一动时詹蕲曝甲毫变小后阻力婀碧面凹陷嗳收性坟好压簟舅加麓时下陷更快.在大凹陷处容易蛾奄面阳瞒暖收性变斧压簟怠体上有较硬蔓觉.幻晕太强后轮齄的接撼会小一动时俯冲理象埭加甜曩暑捆面调叠油面童后. 下总体上窑马活动.也客毫姿势几乎不变化.佩蠢饵翻鲁种不目的西动时俯冲理会少非线性特性抽墨上升总体:恬访藿少.不客岛麓毫行驶时腑轮动作重大.加叠遗时有姿势童化复曩一相反.鬃坐舒适性蹙佳陷八后复原迟.总会有点下陷麓部下础置曩凹陷嘎收筹.巷饥置嘎吱的阻力啊鹪动时陷入快岛底压簟总体朗碥暖收件查予.忸垒有啪毫动时有帖力.底蜒刍:蠢少膦一凹陷吸收性差.矗龟哇嘎吱的第二章摩托车的减振系统及舒适性研究理论介绍各附加功能作用:预压调整:摩托车减振器的判定都是按乘坐一个人体重进行的,当乘坐两个人或载物时,减振器会压缩很多,因此前照灯的光轴,以及初始判定的几个状态都会变化动。为避免这个不合格项,减振器都配置了预压调整装置。阻力可调整装置:有些摩托车减振器还配备了阻力可调整装置,驾驶员可根据路况,行驶状态等进行调整。减振器的判定顺序:先要调整乘坐姿势。先调整变化范围大的后减振弹簧,再按前减振器的坐姿、后减振器阻力、前减振器阻力这样的顺序进行减振器判定。各调整装置的对应现象,各调整功能在强、弱之间变化时的感觉变化倾向参见表.。虽然上边对减振器出现的代表性现象进行了简单的讲述,但在实际调整过程中,必须根据车况,路况进行调节。第三章摩托车动力学模型的建立第三章摩托车动力学模型的建立下面介绍摩托车的研究及改进情况,主要进行了如下的一些研究工作,并取得了一定的成绩:一.建立了乙公路越野摩托车车架静强度分析有限元模型,对主梁与摇篮连接处进行了细化处理,整个模型共有个单元,并分别计算了该款摩托车在人、人和人情况下的静应力分布,分析结果表明:货架与其连接处、摇篮与主梁连接处出现了应力集中,属于危险区域,有必要考虑对这些区域的结构进行改进: 当摩托车行驶在较好路面上时,破坏的可能性较小,相反,当摩托车行驶在崎岖不平的乡村公路上时,破坏的可能性较大。二.建立了公路越野摩托车车架自由模态分析有限元模型,整个模型共有个单元,提取了车架的前阶模态振型和自振频率,分析结果表明:该摩托车车架的动态特性与同类型摩托车的动态特性接近,综合评价为良好。.摩托车车架结构静强度分析模型的建立摩托车车架不仅支撑着发动机、骑乘者和其他总成,在使用过程中,还始终受到来自不平路面的冲击以及发动机的激励作用,是摩托车最容易出现结构强度问题的构件