（机械制造及其自动化专业论文）摩托车动态设计及其性能评价方法研究.pdf

中文摘要 摘要 由于缺乏技术和品牌等深层次竞争资源，中国制造业在全球制造业生产链中 处于低端。我国的摩托车产量居世界第一，但其性能与日、美、欧等摩托车还有 较大的差距。虽然多年以来合资和技术引进，但还不完全具有独立自主开发高性 能摩托车产品的能力。动态设计的目的是使设计产品不仅获得满意的性能指标， 还要能安全、耐久的工作。 论文以国家自然科学基金项目“基于集成产品模型的可重用设计理论和方法 研究”( 5 0 3 7 5 1 6 1 ) ，重庆市科技攻关项目“摩托车产品智能化开发技术研究”( 7 8 2 3 1 0 ) ，重庆宗申集团技术攻关项目 v g 2 0 0 发动机降振”为支撑，以摩托车为研究对 象，对综合动态仿真与试验技术进行了深入的研究，主要内容有以下几个方面： 1 ) 制定出了适应动态设计方式的摩托车设计流程。将动态设计方法贯穿在整 个设计流程中，使设计者在设计之初就能把握产品的性能。 2 ) 研究了摩托车设计集成模型，提出了一种基于配置的信息集成模型的层次 结构和表达方式。通过设计者的合理配置组合，形成动态设计所需的摩托车模型。 动态分析的结果用于辅助试验，试验结果用以验证分析模型，实现分析与试验的 协同。 3 ) 分析了发动机的惯性力、惯性力矩，并研究了发动机惯性力的平衡方法。 研究了发动机正交弹性悬挂、发动机非完全正交弹性悬挂的计算方法，研究了发 动机刚性悬挂与车架的匹配问题。结果表明，发动机单轴平衡可以有效降低发动 机的惯性力；发动机弹性悬挂可以有效隔离发动机对车架的激振；激振力的方向 对摩托车车架的振动影响较大，用车架动态分析方法可以实现车架一发动机系统 的匹配。 4 ) 建立了摩托车悬架系统动力学分析模型，进行了摇架运动、受力分析、整 车的飞车分析。建立了z s 2 5 0 g s 型摩托车整车的有限元分析模型，进行了固有频 率、模态、发动机刚性和弹性悬挂下的谐响应分析。实测z s 2 5 0 g s 型摩托车的振 动，得到与谐响应分析一致的结论。 5 ) 探讨了摩托车平顺性c a e 仿真、主观( 感觉) 、客观( 物理量) 等评价方法。 研究了模糊绝对主观评价方法、模糊相对主观评价方法。提出的一种体验模糊主 观评价方法可以快速评价摩托车的平顺性。综合运用国家相关标准并结合摩托车 特点，制定了一种摩托车平顺性客观评价方法，并将客观评价与主观评价联系了 起来。将这些评价方法在z s 2 5 0 g s 型摩托车上予以了实施。 重庆大学博士学位论文 关键词：摩托车，虚拟样机，动态设计，性能评价 英文摘要 a bs t r a c t c h i n e s em a n u f a c t u r i n gi so nt h eb o t t o mo ft h eg l o b a lm a n u f a c t u r i n gc h a i n , b e c a u s eo fl a c k i n gh i g h l e v e lr e s o u r c ef o rc o m p e t i t i o n , s u c ha st e c h n o l o g y , b r a n da n d e t c a l t h o u g hal o to fm o t o r c y c l em a d ei nc h i n a , c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo f m o t o r c y c l em a d ei nc h i n a 谢n 1t h o s em a d ei nj a p a n ，u s ，e u r o p e ，t h e r eh a sab i g g i s h g a p j o i n t i n gv e n t u r ea n df e t c h i n gi nt e c h n o l o g yd i dn o tb r i n gt h ea b i l i t yt od e v e l o p t l i g hp e r f o r m a n c em o t o r c y c l e t h ev i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n ti sat e c h n o l o g yt h a t v i r t u a lp r o d u c tm o d e lb ew e l lu s e di np r o c e s so fn e wp r o d u c td e s i g n , a n dt h ep r o d u c tb e c o n c e i v e d ，d e s i g n e d ，a n a l y z e d ，m a n u f a c t u r e da n dt e s t e d i th e l pd e s i g n e rt os e e km o r e i n n o v a t i v ed e s i g n u s i n gi t , t h ei n n o v a t i o no fc o r p o r a t i o nc a nb eu p g r a d e d t h i st h e s i si ss u p p o r t e db y t h er e u s a b l ed e s i g nt h e o r ya n dt h em e t h o dr e s e a r c h b a s e do ni n t e g r a t e d p r o d u c t m o d e l t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 3 7 5 1 6 1 ) ，t h ei n t e l l i g e n td e v e l o p m e n tt e c h n i c a lr e s e a r c ho f m o t o r c y c l ep r o d u c t s 一 c h o n g q i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c t ( 7 8 2 3 - i0 ) ，a n d r e d u c i n gv i b r a t i o no f v g 2 0 0 e n g i n e c h o n g q i n gz o n g s h e ng r o u pt e c h n o l o g yk e yp r o j e c t 。t h em a i nc o n t e n t s o ft h e s i sa r ef o l l o w i n g 1 ) c a e d on o te x e r ti n f l u e n c eb e c a u s eo ft h em o t o r c y c l ed e s i g nf l o wa tp r e s e n t a n e wm o t o r c y c l ed e s i g nf l o wb a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p ei sp r e s e n t e d ，i no r d e rt om e r g e c a ei nw h o l ed e s i g np r o c e s sa n di n t e g r a t ec a e 、析t l lc a t i ti sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h a tt h eh i b e r a r c h ya n de x p r e s s i o na b o u tat y p eo fi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nm o t o r c y c l e m o d e lb a s e do nc o n f i g u r a t i o n am o t o r c y c l em o d e lb eg e n e r a t e d ，w h i c hc o n t e n t i n g c o n s u m e r , b yd e s i g n e rc o n f i g u r i n gm o d e l 2 ) d y n a m i cd e s i g nm e t h o dh a sb e e na p p l i e di nd e s i g n i n ga n da n a l y z i n gf r a m e a n de n g i n eo fm o t o r c y c l e t h em e t h o do ff r a m ec o n s t i t u t i o nb a s e do ns t r u c t u r a lm o d e l c a nh e l pt of o r mt h em o t o r c y c l ef r a m eq u i c k l ya n de a s i l y t h er e s u l to fm o d ea n a l y s i s c a nb eu s e dt op l a nm o d et e s t o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e s u l to fh a m m e r i n gm o d et e s tc a n t a k et h er o l ei nv a l i d a t i n gm o d ea n a l y s i s 3 )i n e r t i af o r c ea n dm o m e n to fe n g i n eh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dt h em e t h o da b o u t b a l a n c i n gi n e r t i af o r c ea n dm o m e n th a sb e e ns t u d i e d e n g i n ee l a s t i ch a n g i n gm e t h o di s w r i t t e nu p c a l c u l a t i n ga n dt e s t i n gs h o wt h a ts i n g l es h mb a l a n c i n ge f f e c t i v e l yr e d u c e s i n e r t i af o r c ea n dm o m e n to fe n g i n e ，a n ds h o wt h a te n g i n ee l a s t i ch a n g i n ga v a i l a b l y d e c r e a s ef r a m ev i b r a t i o na r i s eb ye n g i n e h i 重庆大学博士学位论文 4 ) i no r d e rt oq u i c k l ye v a l u a t ea n do p t i m i z ed e s i g n , t h et e m p l a t eh a sb e e nu s e dt o b u i l dm o t o r c y c l ea n a l y z i n gm o d e l s u s p e n s i o ns y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n di t s r u n n i n ga n df o r c eh a v eb e e na n a l y z e d i th a sb e e na n a l y z e dt h a tm o t o r c y c l el e a pas l o p e u s e df e mm o d e lo fz s 2 5 0 g sm o t o r c y c l eh a sb e e ns e tu p i n h e r e n tf r e q u e n c y , v i b r a t i o nm o d ea n ds y n t o n i cr e s p o n s eo ft h em o t o r c y c l eh a v eb e e na n a l y z e d t h er e s u l t o f t e s t i n gv i b r a t i o ni sc o n s i s t e n t 、析t ht h er e s u l to fs y n t o n i cr e s p o n s e 5 ) e v a l u a t i n gc o m f o r tp e r f o r m a n c eo fm o t o r c y c l eh a st h r e ew a y s ，c a e ，h u m a n b o d ys e n s ea n dt e s t i n gd a t a t h o s ew a y sa r ea l ld i s c u s s e d i th a sb e e ns t u d i e dt ot h a t f u z z ya b s o l u t eh u m a nb o d ys e n s ea n df u z z yc o m p a r a t i v eh u m a nb o d ys e n s e a n e s p e c i a lw a yi sp r e s e n t e d ，w h i c hq u i c k l ye v a l u a t e sc o m f o r tp e r f o r m a n c eo fm o t o r c y c l e t h ew a yi st e s t - d r i v i n ga n df u z z yh u m a nb o d ys e n s e an e wt e s t i n gd a t aw a yt oe v a l u a t e c o m f o r tp e r f o r m a n c eh a sb e e nc o n s t i t u t e d i ts y n t h e s i z e ss e v e r a ln a t i o n a ls t a n d a r d sa n d c o n s i d e r sm o t o r c y c l ec h a r a c t e r i s t i c t h o s ew a y sh a v eb e e nu s e di ne v a l u a t i n gc o m f o r t p e r f o r m a n c eo fz s 2 5 0 g sm o t o r c y c l e k e y w o r d s ：m o t o r c y c l e ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，d y n a m i cd e s i g n , p e r f o r m a n c ee v a l u a t e i v 学位论文独创性声明 本人声明所 呈 交的尘虹 士 学位论文 孽拉童杰查盘超删4 ：童缝蚴刍座缬缸是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 导师签名： 签字日期：初d 罗石；d 签字醐：吖_ 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的攫士学位论文建越蕴叁盗进鳇丝丝聋鱼j 厦羽饬 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名： 盔垂缝 导师签名：牡 叫年7 月多日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书生逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 论文的研究背景和意义 1 1 1 论文研究背景 制造业是国民经济的基础产业，制造业的发展水平是一个国家科学技术和生 产力发展水平的标志之一。自工业革命以来，制造业不断发展壮大，成为世界各 国国民经济的主导产业。中国已经成为世界瞩目的工业生产大国，由于缺乏技术 和品牌等深层次竞争资源，中国制造业是世界制造生产链中重要的“车间”，但还远 未成为“世界工厂”。在全球制造业的生产链上，中国企业只处在低端。从中国的综 合国力、制造业的素质和竞争能力，特别是拥有的自主核心技术看，与世界经济 史上被称为“世界工厂”的英国、美国和日本相比，还有很大差距。1 1 , 2 1 许多专家学者都认为，产品品质问题是影响中国制造业竞争能力的重要原因。 中国制造业效率不高、缺乏创新严重制约了产品品质的提升；而品质不高附加值 就少、利润薄，也就更没有钱投入研发去提升质量。许多企业的核心技术和装备 基本依赖国外进口。而我国每年上万亿的设备投资中，6 0 以上是引进的。 中国加工制造业的所谓比较优势正日益被进入中国的国外企业以及周边国 家、拉美国家所模仿。依靠劳动力成本、原材料成本等资源成本比较优势已经无 法为中国企业赢得未来。中国制造低成本优势将要面对俄罗斯、印度、巴西等国 的竞争，已经没有太大的发展空间。 随着全球化的加速，美国、欧洲和日本等发达和较发达国家的制造业都在不 断向中国转移，但同时这些国家和地区的制造业的技术水平、创新能力和产品质 量也在不断提高，这就给中国制造业提出了更为严峻的挑战。在外资大量涌进的 同时，中国企业能不能在技术上更多地投入，更快地提升创新能力，提高产品质 量，这将直接关系到中国制造业的生存与发展。 在近几十年来，计算机技术、信息技术、电子技术等得到了飞速的发展，并 在制造业中得到逐渐广泛的应用，传统的制造技术与新发展起来的科技相结合， 产生了多种先进的设计、制造技术、方法和哲理。每次生产模式的革新，都会加 速生产力的发展，也为落后者提供了一个迎头赶上的机会。如何利用新技术所提 供的机遇，抓住用户需求，以最短的时间开发出用户能够接受的产品，已成为市 场竞争的焦点。p 侧 摩托车制造行业是我国制造业非常重要的一个部分。我国摩托车工业是从上 世纪5 0 年代开始起步，但产品一直是仿制苏联4 0 年代的产品。在上世纪8 0 年代 之后，从日本引进了较为先进的生产技术和图纸，才真正开始发展。到1 9 9 3 年， 重庆大学博士学位论文 我国摩托车当年产量达到3 3 5 万辆，超过日本的3 0 2 万辆，之后产量一直居世界 第一，成为世界最大的摩托车生产国。 我国所生产的摩托车都集中在小排量摩托车，并且产品的稳定性、可靠性、舒 适性、排放等方面与日、美、欧等的摩托车还有不小的差距。目前，我国摩托车 还没有成为世界强国之列的主要原因之一是自主开发能力不强。据统计，我国大 陆地区摩托车行业用于技术开发的费用占销售收入不到1 ，而我国台湾为5 ，日 本则在7 以上。这就使我国摩托车行业发展极不健康。 多年以来合资和技术引进，没有解决独立自主开发产品能力的问题。合资企业 中，外方严密控制设计技术，中方只能复制生产。“搅拌式”开发是国内摩托车行业 内很多企业实现“短、平、快”产品开发的“新方法”，例如，更换同排量不同类型发 动机、不同排量发动机互换、等比例缩小、部件互换等。搅拌一次，就宣称推出 一款新车，但实际上没有真正的新产品。 目前对我国的摩托车开发设计人员来说，最难把握的是产品性能问题。一方面 这造成很多厂家不敢改动设计，只能在外观上进行更改，还由此而引发了一些知 识产权的官司。另一方面是更改国外引进产品之后，产生很多难以解决的问题， 如发动机悬挂更改后摩托车的振动加大，摇架更改后舒适性下降等。“搅拌式”开发 更是很难保证整车性能。使用传统的设计方法设计新车，如果想要在开发阶段对 产品的性能有一些把握，设计人员必须要有丰富、全面的理论水平和实践经验。 摩托车的传统设计方法是用统计、类比和经验的方法来完成摩托车的总体设 计。设计师们更多的考虑的是车体的强度、刚度等结构指标，而不是整体的性能。 这样的设计方法显然是不合理的。提高我国摩托车技术水平，培养自主研发能力， 研制高水平、高附加值的摩托车，己成为我国摩托车产业发展当务之急。阻1 3 】 设计正在从传统设计方法向现代设计方法转变，这也给我国摩托车技术的进 步提供了机遇。尽快将动态设计理论和方法融入我国摩托车设计领域中，以培养 自主研发能力。 1 1 2 论文研究意义 我国制造业的产值约占国民经济总值的3 0 以上，它作为国民经济的一个重 要支柱，既要生产高质量、高性能和低成本的产品来提高本行业的竞争能力，又 要开发先进、高效和可靠的产品为其它行业提供生产装备。在世界经济一体化进 程加速的今天，我国制造业必须发展和应用先进的生产制造技术来迎接严峻的市 场竞争，其中新产品的快速响应开发更是提高企业市场竞争能力的关键环节。实 现新产品快速开发需要综合运用产品信息建模、综合动态仿真、虚拟试验等技术。 我国摩托车行业要想保住自己的市场份额，必须不断地快速开发出拥有自主 产权的、质量过硬、造型新颖且成本低廉的产品。这就要求在摩托车新产品的开 2 1 绪论 发中，必须运用动态设计方法。 结合国家自然科学基金项目基于集成产品模型的可重用设计理论和方法研 究( 5 0 3 7 5 1 6 1 ) ，重庆市科技攻关项目摩托车产品智能化开发技术研究( 7 8 2 3 1 0 ) ，重庆宗申集团技术攻关项目( v g 2 0 0 发动机降振，将综合动态仿真与试验 技术应用于摩托车概念设计阶段，实现在设计初始阶段就能把握产品的性能。综 合动态仿真与试验技术的应用改变了以往摩托车的设计流程和方法，可以提高摩 托车开发的技术水平，提高企业的自主创新能力。 1 2 摩托车动态设计研究现状分析 1 2 1 摩托车动态设计研究现状 系统分析中动态是指系统的变量在达到稳定前的动作过程。动态描述了系统 实际的工作过程和状态。动态特性是指系统在随时间变化输入量作用下的响应特 性【1 4 1 。机械系统的动态设计是产品研究和开发过程中，对机械产品的动力学问题 以及与此相关的运动学、动态可靠性、安全性、疲劳强度、工作寿命等问题进行 分析和计算以保证研究和开发的设备具有优良的结构性能和工作性能l 1 5 , 1 6 1 。 摩托车作为一种特殊的机械系统，在工作过程中，除了承受负重载荷，还受 到路面连续冲击载荷以及发动机的惯性力、惯性力矩、燃烧爆振的激励，整个系 统处在较大动态载荷下工作。在这些载荷的作用下，整车的振动和噪声较大，整 车的强度和可靠性也会受到较大的影响。为提高摩托车的可靠性、提高乘员的安 全性和平顺性，较少噪声污染，对摩托车进行动态设计十分必要。零部件、整车、 人车耦合等的动态设计都得到了国内外许多专家、学者的研究。 摩托车是由不同材料、形状各异的多个零部件组装而成，是一种复杂的结构 系统。在这些零部件中，车架是最主要的结构件。将发动机、传动系统、行车部 分和操纵部分等有机的联接在一起，并且承受了全车及载荷的重量，接受了动力 传递装置的扭矩，通过驱动轮与路面的附着产生牵引力，承受路面产生的冲击， 承受发动机的激振。 摩托车动态设计研究中车架得到了更多的关注。 b e e r m a n n ，h j 提出了利用梁、板混合单元对车架横梁与纵梁连接处，进行合 理简化的方法。k i m ，h s 等人对车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详 细的讨论。k a z u o ，n i i y a m a 等人对利用有限元强度分析结果指导车架设计过程进行 了详细的介绍【1 7 - 1 9 1 。惠记庄等人用有限元进行了车架动态的应力和应变分析【2 0 】。 徐中明教授进行了自由模态的计算机仿真分析，利用实验模态分析系统对该 车架进行了实验模态分析，验证了计算机仿真结果，结果表明仿真精度较高，可 将计算仿真与试验相结合分析车架的振动特性【2 1 ，2 3 】。王良等人也采用仿真和试验 3 重庆人学博士学位论文 相结合的方法分析研究摩托车车架的模态特性 2 2 1 。 朱才朝教授等人在对摩托车车架动态特性进行分析计算和实验模态验证，获 得了车架模态参数和振型的基础上，进一步分析路面和发动机激励对车架动态特 性的影响，在考虑到实际安装位置和投入成本的情况下，对摩托车车架结构进行 了改进【2 4 1 。 张先刚等人以某1 2 5 型跨骑式摩托车为例，建立了车架结构的有限元模型， 进行模态分析，研究路面激励和发动机激励对车架动态特性的影响。通过对车架 结构动态性能的评估，找到车架结构的薄弱环节，修改结构，改善车架结构的动 态特性，减少摩托车的振动，为摩托车结构的减振优化研究提供了可借鉴的方法 1 2 5 1 。邓兆祥教授以某2 5 0 型新开发摩托车车架为例，通过建立其整车动力学和灵 敏度分析模型，进行车架的动态灵敏度分析，找出对车架振动响应影响较大的敏 感设计参数，并通过修改敏感设计参数降低某些测点的振动响应【2 6 1 。 胡玉梅等人针对摩托车车架结构复杂，并且在摩托车工作过程中受到路面激 励力作用的特点，模拟了摩托车整车在实际工作过程中的动态强度变化历程，为 摩托车车架动态结构强度设计提供可靠依据【2 7 1 。 张志弘等人基于车架的有限元模型，进行了动力学灵敏度分析和优化设计。 通过改变车架的板厚、管径、壁厚等，在满足约束条件的前提下，达到了性能匹 配效果，有效的降低了振动【2 引。 张志飞等人从手把结构动特性和发动机激励间的匹配关系入手，分析与改进 摩托车的振动。修改手把管结构以提高固有频率，实车振动舒适性道路对比试验 表明修改后提高了手把振动的共振车速，改善了常用车速下的手把振动【2 9 】。 徐中明教授从车体动态特性分析入手分析研究摩托车振动舒适性。以某1 2 5 摩托车为例，采用仿真和试验相结合的方法分析摩托车车架、车架挂发动机的模 态特性，建立了一种有效的简化的车架挂发动机有限元模型。分析发动机对车体 动特性的影响，以及车体动特性与激励的匹配关系，就此对车架提出了改进方案， 模态分析表明车体结构模态特性得到了改善。整车平顺性道路试验结果表明改进 后的车架较好地改善了整车振动舒适性1 3 0 l 。 结合摩托车车架系统的疲劳类型为机械高周变幅疲劳的特点，朱才朝教授提 出采用安全寿命设计方法分析摩托车车架系统疲劳问题。建立了与疲劳试验机试 验工况相对应的摩托车车架系统有限元分析模型，对摩托车车架系统疲劳强度进 行了计算，对车架系统的疲劳寿命进行了预估，为车架疲劳强度分析及寿命预估 提供了理论依据【3 l 】。 对于摩托车，最大的激振源来自运转的发动机，除了改进车架的的设计，减 小发动机的激振也可以改善整车的性能。发动机曲轴一连杆一活塞组属于不平衡 4 1 绪论 旋转机构，会产生比较大的惯性力和惯性力矩，不但影响整车的舒适性，更关系 到整车的动力性和安全性。摩托车发动机的低振动和低噪声设计中，曲轴一连杆 一活塞组是设计的重点。 利用曲轴平衡块预留一定不平衡质量，以消除部分一、二次惯性力和控制最 大一次惯性力方向，这种平衡方法为不完全平衡【3 2 】。 陈红波认为使发动机一阶往复惯性力合力椭圆长轴方向朝向轮胎中心，再调 整长短轴比例可以减小摩托车的振动【3 引。宋立权研究了单缸无平衡轴发动机惯性 力椭圆参数方程、惯性力椭圆标准方程及数学变换，导出了发动机平衡特性参数 的计算公式和反求迭代方程组l 3 4 j ；从平衡设计的理论和计算方法出发，研究发动 机活塞曲柄连杆组的平衡设计，提出了平衡设计快速模拟原理，推导出平衡模拟 设计的计算公式，并给出了相应工程计算实例及平衡设计时的主轴倾角和不平衡 率应满足的定量评价数据1 3 5 。 张琳，黄静等人结合摩托车发动机燃烧过程，分析了燃烧对摩托车发动机惯性 力、倾覆力矩的影响，对摩托车发动机进行了综合平衡研究 3 6 , 3 7 】。 蔡毅，秦松等人采用单平衡轴和对曲轴配重合理设计的方法降低单缸摩托车 发动机的一阶往复惯性力。并开发了计算机辅助分析软件对发动机优化。 3 8 , 3 9 1 偏心滑块机构进行单缸发动机惯性力和惯性力矩的平衡具有结构相对简单、 成本低、占用空间小等特点m 4 。孙学军对偏心滑块平衡机构进行理论分析，推 导得出不平衡惯性力和惯性力矩与设计参数间的关系，并提出了偏心滑块平衡机 构的设计准则【4 2 j 。 用弹性元件隔离激振源和机体，可以有效减小机体的振动。除了上述的减小 发动机的激振力的方法，还可以将发动机进行弹性悬挂 4 3 , 4 4 】，通过调整系统连接 部分刚度、阻尼可以改变系统频率特性1 4 5 1 ，来减小摩托车因发动机激振造成的振 动。 金鑫，孙学军，杜静等人对摩托车发动机的弹性隔振系统进行研究，提出了 摩托车发动机的弹性隔振原理和频率设计准则，建立了发动机弹性系统的动力学 模型，还分析了弹性隔振器对车架动特性的设计要求。结合试验测试，设计出的 弹性隔振器，能有效地隔离发动机系统的高频振动 4 6 - 4 9 1 。 摩托车实际是在包含人在内的动态载荷下上作，因此获得摩托车人一机系统 的动态特性对整车的开发及结构优化设计尤为重要。黄泽好对摩托车系统的固有 频率、模态振型、加速特性、制动特性及转向特性等进行研究，得到摩托车人一 机系统下的动态性能指标，为整车的开发和优化设计上作提供参考【5 0 1 。 h s i e n c h u n gl a i 研究了质心的位置，总重量、轴距、前叉倾角、前轮径距离 等设计参数对乘骑的稳定性和舒适性的影响【5 。h a n s 研究了电动摩托车的设计参 5 重庆大学博士学位论文 数与稳定性和舒适性的关系1 5 引。m o t o m u ，y u k i o 等人研究了摩托车在低速情况下 车手的控制行为对摩托车平稳行驶的影响【5 3 5 4 】。 动态设计是一项正在迅速发展的技术，结合计算机仿真、建模、图形学、智能 技术，实现可视化的动态设计【55 5 6 】。丁剑飞对基于特征的参数化设计方法及特征 的面向对象的表示进行了研究，以此为指导开发了基于s o l i d w o r k s 平台的摩托车 车架参数化设计系统1 5 。 为了减少曲轴系统开发的周期和提高产品的耐久性，t a d a s h in i i n o a 等人采用 一种基于有限元的动态可视化仿真技术，实现准确预测摩托车发动机曲轴系统高 速循运转时的运动行为p 别。 应用虚拟样机技术，杜静建立摩托车虚拟样机设计系统的结构，对摩托车车 架的动态特性、发动机的惯性激振力进行了分析，从整体上掌握摩托车的振动特 性，提高其乘骑舒适性1 5 9 1 。 霍蜀山，杜静等人构建了基于知识工程的摩托车总体设计的结构框架，开发 了基于k b e 的摩托车总体设计系统，为总体设计阶段预测摩托车的动态特性、整 车的动态性能匹配提供支持【6 0 , 6 1 】。 1 2 1 问题与不足 从这些研究可以看出对摩托车车架进行动态设计都是基于车架有限元模型， 以车架的二维或三维图纸来建立有限元模型，用有限元模型进行模态分析，以车 架的试验模态来证实模型的正确。这种基于几何模型的设计方法无法在设计之初 就开展动态设计以把握产品性能。摩托车的动态设计面临多种分析项目，需要在 产品开发设计的各个阶段进行，因此如何建立适应共享的产品综合信息模型，还 需要进一步研究。 在车架的动态分析中，车架、发动机乃至负重应该共同构成一个分析系统， 单独分析车架没有完全反映系统的真实情况。目前在应用动态设计理论和方法解 决对摩托车产品的结构动力问题方面，是从如何优化车架结构，提高刚度等方面 展开，缺乏从系统角度、综合考虑动态参数进行设计，对系统匹配研究更少。需 要深入系统的研究摩托车系统匹配问题。 发动机弹性悬挂是降低摩托车振动的最经济、有效的方法，目前都是针对三 点正交弹性悬挂条件下的研究，缺乏对更一般的情况一多点非正交弹性悬挂的研 究。良好平衡发动机的惯性力、惯性力矩可以有效降低摩托车的振动，准确计算 出发动机的惯性力、惯性力矩有助于动态设计时得到正确的结论。目前的发动机 激振力分析中主要关注于惯性力，而很少研究惯性力平衡后的惯性力矩问题。 6 1 绪论 1 3 摩托车性能评价研究现状分析 1 3 1 摩托车性能评价研究现状 目前我国关于摩托车的国家标准共有5 6 9 个，从材料、加工、零件、装配、 整车、试验等摩托车产品的各个阶段和生产环节作出了较为完善的规范和要求。 摩托车的性能包括动力性、燃油经济性、制动性能、操纵稳定性、振动与平顺性、 噪声与排放、安全性、可靠性等几个大的方面。这些性能指标中，国家对大多数 性能指标作出了强制性规定，并且已经建立这些性能指标的试验规程、评价标准。 随社会经济水平提高，人们对摩托车要求不仅在动力性、承载能力、可靠性等 这些方面，还要求有良好的舒适性。对于摩托车对舒适性影响最大的是噪声和振 动。国家有g b 4 5 6 9 2 0 0 0 摩托车噪声限值及测试方法、g b l 6 1 6 9 2 0 0 0 轻便摩托车 噪声限值及测试方法这两个关于摩托车噪声的标准。这两个标准将噪音简单归结 为声音的强度，以升压级来作为评价的指标，而没有更深入的考虑人对于声音的 感受【6 。 声音品质研究已经成为噪声控制新的发展方向，心理声学为主观评价的实现提 供了理论依据。目前国外在噪声主观评价中常用的参数，大多应用心理声学的参 数，如响度、尖锐度、调制度和有调度，以及愉悦度、烦恼度等两个综合评价指 俐6 3 巧卯。 舒哥群等人采用多元回归分析的方法分析心理学评价指标与主观烦恼度之间 的关系，通过心理声学评价指标的线性组合得到的总评估值与主观评估值之间有 很高的相关性，得出采用心理声学评价指标的线性组合对车辆声音品质进行主观 评价是可行的 6 6 1 。 国际上开展声音品质研究工作已经多年，心理声学的理论有一定发展，但在 设计制造领域的应用还比较欠缺。而我国声音品质的研究工作才刚刚开始，借鉴 国际上的研究方法和成果来研究中国人对声音的主观评价，对提高我国摩托车产 品质量，提高摩托车产品竞争力具有重要意义。1 6 2 , 6 7 】 摩托车运行时，由于发动机的激振和路面的不平度会激起摩托车的振动，这 使乘员处在一个于振动环境中。振动会严重影响了驾乘的舒适性、工作效能和身 体健康。平顺性指摩托车行驶过程中的振动与冲击不致使人体感到不舒适、疲劳、 甚至损害健康的性能，是摩托车一个综合性能指标，也是摩托车众多性能指标中 不容易控制和准确评判的一个性能指标。由于平顺性是根据乘坐者的舒适度来评 价所以它有时又称为乘坐舒适性。摩托车车手的人体感受特性是通过其臀部、手、 角以及腹部等部位感受的摩托车振动的一个综合体会，多个车手的驾驶感受形成 人体感受特性。例 徐中明教授对1 0 余台摩托车进行了平顺性道路试验，得到了客观评价量值。 7 重庆大学博+ 学位论文 采用5 分制，驾驶员进行了主观评价试验，建立了摩托车平顺性主观模糊评价模型。 探讨了客观评价值( 手把处和座位处的加速度) 和主观感觉之间的联系，并给出了两 款具体摩托车平顺性评价结果。【删 通过对i s 0 2 6 3 1 ，g b 4 9 7 0 ，g b 7 9 2 7 等标准的研究，李俊鹏根据人体感受特性 曲线，提出了摩托车乘骑舒适性的两种评价方法一客观评价法和主观评价法。其 中客观评价法的评价指标采用加权加速度均方根值，它给出了乘骑舒适性的定量 评价；主观评价法则基于对大量实测乘骑人员主观评价的统计，给出相对比较主 观的评定旧j 。 为了分析评价摩托车振动舒适性，重庆大学徐中明教授等人开发了便携式数 据采集器，并依据l a b v i e w 开发了数据处理分析系统，构建了摩托车振动舒适性 测试分析系统【j 7 0 l 。顾乾坤等人研制基的可视化的摩托车整车工作状态下的振动测 试分析系统，可以客观测试与评价摩托车的振动状况，评价摩托车的乘坐舒适性， 寻找振动薄弱环节，缩短摩托车新产品开发周期【_ 7 1 】。 为了从整体上掌握摩托车的振动特性，提高其乘骑舒适性，卢少波采用面向 整车系统的数字化功能样机技术，建立了整车的三维模型，用a d a m s 建立整车数 字化功能仿真模型，根据路面的功率谱密度函数，编写路面文件，进行了平顺性 虚拟试验【7 2 j 。 在建立五自由度摩托车动力学模型的基础上，徐中明教授推导了系统振动微 分方程，设计了振动响应求解算法，并应用m a t l a b 编制了计算机仿真计算程序。 在同时考虑了路面随机输入和发动机激励的情况下，对某国产摩托车进行了舒适 性仿真计算【7 3 1 。 征小梅将摩托车实体结构模型进行简化，加入道路模拟的迭代数据作为模拟 路况的激励，进行舒适性分析评价【7 4 】。陈松应用a d a m s 建立摩托车的多刚体模型， 进行动力学仿真，得到垂向振动加速度的自功率谱密度函数，并参考汽车的平顺 性评价指标，利用加速度加权均方根值为评价指标，对摩托车的平顺性进行评价 研究【7 5 】。 唐光武提出了一种一维路面不平度a r m a 数学模型，描述了复杂而且不规则 的路面起伏形状，对g b 7 0 3 1 8 6 车辆振动输入路面平度表示方法规定的路面不 平度模拟表明模型模拟精度好，运算效率高。1 7 6 1 在摩托车设计中，手把、脚踏板以及座椅的空间布置对摩托车的操纵性和驾驶 舒适性有着重要的影响，从而影响整个产品的质量。舒红宇提出了一种用于评价 摩托车驾驶姿态舒适性的方法，运用反向运动学原理和摩托车驾驶员在正常驾驶 姿态时关键关节角的几何关系，采用迭代优选的方法综合评判出摩托车驾驶姿势 的舒适性。1 7 7 】 8 1 绪论 1 3 2 问题与不足 舒适性是在满足使用功能之上对摩托车提出的更高要求。舒适性主要包括噪 声、振动、人机工学等多方面的内容。要改善摩托车在这些方面的性能，需要合 理、准确并迅速地评价其性能。 噪声的声压测量及评价反映的是噪声的能量，没有直接反映出人对噪声的感 受。噪声的心理声学评价能反映人对噪声的真实感受，但这种主观评价方法的研 究还处在理论阶段。将心理声学评价与客观测量评价结合起来，实现一种可以测 量噪声心理声学评价，并用在摩托车的噪声评价中是摩托车噪声评价发展趋势。 摩托车平顺性评价，有基于物理参数的客观评价和基于人体感受的主观评价两 种方式。物理参数通常是摩托车几个部位的加速度。获得加速度数值的方式有c a e 仿真分析和实车测量两种方法。c a e 评价摩托车平顺性需要可信的分析模型和参 数，如何快速建立可信的平顺性整车分析模型还需要进一步研究。主观评价法是 对大量人员长时间乘骑的主观评价统计。平顺性评价结论同样要反映人体真实感 受，因此，客观评价中仅给出关于摩托车振动加速度的数据是不够的。如何快速 完成客观评价，如何将主观评价和客观评价联系起来，并制定出方法和标准，还 需要进行研究。 1 4 论文主要研究内容及结构 论文共分为6 章，主要研究内容如下： 第一章：绪论。介绍论文研究的背景和研究的意义；综述摩托车动态设计、摩 托车性能评价的研究现状，并指出其中还存在的不足。 第二章：摩托车动态设计流程和产品模型。在现行摩托车设计流程基础上，制 定出更适合动态设计的摩托车开发流程，并对摩托车动态设计的集成模型进行研 究，提出模型的层次结构、表达方法。 第三章：车架一发动系统动态设计。提出一种可以便捷地建立起分析模型的 基于构架模型的车架造型方法，用车架分析模态结果辅助模态试验规划；应用锤 击模态试验验证分析模型，由此实现车架设计c a e 与c a t 的协同；推导惯性力、 惯性力矩的计算方法，并进一步论述惯性力的平衡方法，据此对v g 2 0 0 发动机进 行惯性力、力矩的计算和平衡；对发动机正交弹性悬挂和发动机非完全正交弹性 悬挂、发动机一车架匹配等摩托车动态设计问题进行研究。运用动力响应分析方 法，研究车架一发动机系统的匹配问题。 第四章：摩托车整车仿真。采用模板方式建立摩托车分析模型，部件的特性参 9 重庆大学博士学位论文 数由试验和设计参数获得；使用建立的分析模型，对摩托车进行摇架运动分析、 飞车分析；对发动机弹性悬挂下，整车动态响应进行分析。 第五章：平顺性评价及试验方法。论述整车分析模型和道路谱对摩托车平顺性 行c a e 分析方法；根据现有的振动评价标准以及摩托车乘骑特点，建立摩托车平 顺性模糊绝对主观评价、模糊相对主观评价和模糊体验评价方法；建立摩托车平 顺性客观评价方法；对z s 2 5 0 g s 型摩托车进行平顺性试验。 第六章：结论和展望。给出论文的主要结论、研究结果、创新点，并指出进 一步研究的方向和重点。 1 0 2 摩托车虚拟动态设计流程和产品模型 2 摩托车动态设计流程和产品模型 2 1 引言 质量很大程度上决定了产品的市场竞争能力。设计工作是获得高质量产品的 最重要环节。产品的设计可赋予产品“先天特优、先天良好、先天一般、先天不足” 等至关重要的本质特性【7 8 i 。用户的需求具有个性化的特点，市场需求具有多变性 的特点，因此，产品的开发过程还必须快速完成，在最短的时间内，开发出适应 市场需求、性能优良的产