基于主观评价和模态分析的摩托车乘坐舒适性改进

赵海军梁 凯周 辉宋伟志贾贵西王海霞刘红霞

（1.洛阳理工学院 机械工程学院，洛阳 471023；2.洛阳理工学院 信息技术中心，洛阳 471023；3.郑州航空工业管理学院 机电学院，郑州 450015)

基于主观评价和模态分析的摩托车乘坐舒适性改进

赵海军1梁 凯2周 辉1宋伟志1贾贵西1王海霞1刘红霞3

（1.洛阳理工学院 机械工程学院，洛阳 471023；2.洛阳理工学院 信息技术中心，洛阳 471023；3.郑州航空工业管理学院 机电学院，郑州 450015)

驾乘舒适性对驾乘人员安全性、摩托车寿命、竞争力有重要影响。主观评价和有限元分析相结合的方法，是提高振动舒适性的一种主要方法。对样车在不同工况下做主观评价，并对比进口车，对摩托车车架进行有限元模态分析。根据实验结果，改进车架，然后进行舒适性主观评价。结果表明，改进后的前七阶模态频率有了不同程度提高，最大达10.69%，发生在第一阶，最小也提高了7.44%，发生在第五阶。改进后的样车舒适性主观评价值在各个工况下都有大幅提高，基本上从难受都提高到了舒服程度，尤其是一档和二档的评价，达到了很舒服的程度。

摩托车 有限元 舒适性 主观评价 模态分析

引言

随着非轨道车辆道路堵塞日益严重，家用汽车作为代步工具的使用越来越受到限制。摩托车作为交通工具，轻便快捷灵活，仍然发挥着重要作用。但是，人们对摩托车振动舒适性追求不断提高，同时摩托车的振动对摩托车寿命和驾乘人员的安全性具有重要影响[1-2]。有限元的发展为摩托车设计开发提供了可靠工具，为改进节约了成本[3-5]。雷刚等运用商业软件建立摩托车有限元模型，实现多学科的动态响应分析和结构优化[6]。面对当前车辆市场的激烈竞争和客户要求，今后在对车辆设计时，不能只注意车辆的振动法规限值，还应兼顾振动舒适性主客观分析评价。尽管采用组织评审团的方式会带来一定的工作量，研发周期一定程度上会变长，但它仍不失为一种好方法[7-8]。人的主观评价虽然工作量偏大，但能真正反映摩托车乘坐舒适程度。

在一款摩托车开发样车试制阶段，对样车进行舒适性评价，并和某品牌进口摩托车进行舒适性主观评价对比，对车架模型进行有限元模态分析。对比实验模态，以提高振动舒适性为目标进行车架结构修改，并对修改前后的样车进行模态频率和主观评价对比。

1 舒适性主观评价

对开发的摩托车样车进行乘坐舒适性评价，评审团成员共三人，分别来自于厂家摩托车专职试车手、经验丰富摩托车修理人员和驾乘摩托车有20年的普通用户，对怠速、一至四挡共5种工况进行评价。根据舒适程度，采用5分制，感觉上分别为特别舒服、很舒服、舒服、难受和特别难受。如果在两者感觉之间，也可以打半分进行区分。同时，为了和样车对比，该评审团还对一辆性能良好的进口摩托车进行了乘坐舒适性评价。评价结果如图1所示。从图1中可以看出，不同工况下，进口车的评价基本上都在很舒服和特别舒服之间，而样车评价基本上都在难受附近。其是四档高速，评审团成员评价接近特别难受的感觉。具体的，评审驾乘人员和摩托车接触的手臂和脚有发麻的感觉，自然感觉特别难受。

图1 不同工况下样车和进口车舒适性评价

2 摩托车车架自由模态分析

为了改变这种不舒服状况，需要从根源分析解决这个问题，所以首先对车架进行模态分析。

2.1 车架结构有限元模型处理

摩托车车架各构件结构之间连接比较复杂，由不同截面的管材和板材焊接而成，如图1所示，主要由车头管、主梁、前斜梁、摇篮、车头管加强板、平梁前上下连接板、平梁、平梁后连接板、斜梁加强板、后斜梁、货架连接板等构成。在建立模型的过程中，采取抽取中面的方法建立摩托车车架壳单元模型。由于各构件的厚度、壁厚相对于构件的长度来说很小，而且壳单元shell相对于实体单元计算速度更快、占用内存更少，计算精度偏差很小。此模型处理过程中，单元大小一般设为4mm，有些细微部分进行了简化。同时，由于矩形单元较三角形单元有更高的精度，所以在划分网格的过程中建立尽可能多的矩形单元。在此模型中，有限元模型如图2所示，共划分了43439个单元，其中三角形单元1277个，四边形单元42162个。

图2 车架有限元模型结构

2.2 模态分析及对比

为了验证有限元模型计算结果的正确性，对模型进行了实验验证.根据摩托车车架有限元模型，利用ANSYS软件，获得车架的前七阶模态频率和动态振型，如表1所示。从表1中可以看出，模态频率误差最大-4.86%，不超过5%，说明所建摩托车车架有限元模型是正确的，可以作为以后分析改进的依据。在此，仅描述第一至第七阶振型，其他不一一列举。

表1 摩托车车架前7阶固有频率

一阶模态是频率为100.99Hz的整体一阶扭转模态，如图3所示。扭转振动的节线是位于车架左右对称面内的一条曲线，该曲线与车架有三个交汇点，分别出现在主梁与车头管加强板连接区域、平叉与摇篮接触处附近的摇篮横梁中心区域以及平梁后连接板中心靠后区域。平梁后端的左右管件交错上下振动，同时摇篮与后斜梁连接处下端在xy平面扭摆，由于平梁后端左右管距节线水平距离较远，因此其上下振幅最大。

七阶模态是频率为277.86Hz的弯扭复合模态，如图4所示。一方面车架平梁左右两管在车架铅垂平面内作弯曲振动，其弯曲振动的中心位置为由平梁与主梁连接处穿越车架平梁延伸到车架尾部的一条直线，有一节线位置位于车架货架连接板与后斜梁加强板尾端之间的区域。

图3 第1阶模态振型

图4 第7阶自由模态振型

3 结构改进及评价

3.1 结构改进

通过对摩托车车架进行模态分析发现，在整个模型中，最大振幅主要发生在后货架连接处，严重影响了摩托车的乘坐舒适性。这是该处的简支梁结构造成的，所以增加后斜梁加强板的长度，有可能改善此种情况。此外，平梁、后斜梁等扭转、弯曲的程度比摩托车前部构件更厉害。为此，对车架结构进行反复修改，并对最后改进结构进行有限元模态分析，并和原先结构的模态分析结果进行对比分析，结果如表2所示。模态振型基本不变，不在此列出。从表2中可以看出，所列的前七阶模态频率有了不同程度提高，最大达10.69%，发生在第一阶，最小也提高了7.44%，发生在第五阶。

表2 摩托车车架改进前后模态频率对比

根据车架的模态频率应该避开发动机在常用转速下工作时所产生惯性载荷的频率范围，同时还有来自路面的激励。摩托车使用单缸四冲程风冷发动机，怠速转速为1500r/min左右。由发动机激励频率的计算公式，可得相应的激振频率为25Hz，远低于车架的低阶模态频率，从而避免了共振现象的发生。

3.2 评价对比

为了验证摩托车的乘坐舒适性，对改进后的样车也做了主观舒适性评价。评价方法、工况和前面的一样，并和改进前的评价进行了对比，结果如图5所示。从图5中可以看出，在各个工况下，舒适性评价都有大幅提高，从难受都提高到了舒服的程度，尤其是一档和二档的评价，达到了很舒服的程度。四档由接近特别难受提高到接近很舒服的程度。尽管和进口摩托车的评价结果相比稍差，但也能达到接受的程度。

图5 改进前后舒适性评价对比

4 结论

根据以上研究，获得如下结论：

（1）不同工况下，样车初步评价基本上都在难受附近，尤其四档高速时评审团成员评价接近特别难受的感觉，而进口车的评价基本上都在很舒服和特别舒服之间；

（2）和实验相比，样车的有限元模态频率误差最大仅为-4.86%，不超过5%，验证了摩托车有限元模型的正确性；

（3）改进后的前七阶模态频率有了不同程度提高，最大达10.69%，发生在第一阶，最小也提高了7.44%，发生在第五阶；

（4）改进后的样车舒适性主观评价值在各个工况下都有大幅提高，基本上从难受都提高到了舒服程度，尤其是一档和二档的评价，达到了很舒服的程度，四档评价结果提高幅度最大。

[1]徐中明，杨建国，张志飞，等.基于多工况并行任务的摩托车悬架参数多目标优化[J].振动与冲击，2013，32（4）：59-65.

[2]Cossalter V，Doria A，Pegoraro R，et al.On the Nonlinear Behavior of Motorcycle Shock Absorbers[J]. Journal of Automobile Engineering，2010，224（1）：15-27.

[3]胡君，李加庆，朱晓明.基于实际路面激励的摩托车车架疲劳寿命分析[J].机械科学与技术，2012，31（10）：1716-1720.

[4]Audenino A L，Belingardi G.Modelling the Dynamic Behavior of a Motorcycle Damper[J].Journal of Automobile Engineering，1995，209（4）：249-262.

[5]吴龙，陈花玲，陈玲莉.摩托车半主动悬架分层预测控制及仿真[J].系统仿真学报，2006，18（8）：2239-2243.

[6]雷刚，赵鹏，刘圣坤，等.基于振动特性的多学科多目标摩托车优化[J]. 机械设计，2012，29（10）：63-66.

[7]吴航，左辉荣，贾志超.摩托车振动的客观评价[J].小型内燃机与摩托车，2011，40（5）：71-73.

[8]吴文智.纯电动轿车车内声品质预测模型开发研究[D].长春：吉林大学硕士学位论文，2014.

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

河南省基础与前沿技术研究计划项目（142300410300，1021022101490），建筑材料行业科技创新计划项目（2013-M1-8），河南省科技攻关项目（132102210435）。