2024年6月13日发(作者：辉善芳)
第２８卷
第２期
Ｖ０１．２８
重庆理工大学学报（自然科学）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
２０１４年２月
Ｆｅｂ．２０１４
Ｎｏ．２
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４２５（ｚ）．２０１４．０２．００５
发动机和路面激励下的摩托车平顺性
仿真分析及评价
汪雅丽 ，雷 刚
（重庆理工大学ａ．车辆工程学院；
ｂ．重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆４０００５４）
摘 要：针对重庆某摩托车企业某款摩托车开发的需要，应用多体动力学软件ＡＤＡＭＳ对
摩托车基于路面和发动机激励进行仿真建模，并参照汽车振动舒适性的评价指标及计算方法对
该摩托车的平顺性进行分析及评价。
关键词：摩托车平顺性；ＡＤＡＭＳ；舒适性评价方法
文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—８４２５（２０１４）０２－００２２—０６ 中图分类号：Ｕ４６１．４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｒｉｄｅ Ｃｏｍｆｏｒｔ Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏａｄ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
ＷＡＮＧ Ｙａ．．．１ｉ，ＬＥＩ Ｇａｎｇ
（ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｐａｒｔｓ ａｎｄ Ｔｅｓｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ’Ｓ ｐｒｏｄｕｃｔ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍ。
ｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ（ＡＤＡＭＳ）ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏａｄ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ
ｔｏ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｆｏｒｔ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｉｔｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ—
ｃｙｃｌｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ；ＡＤＡＭＳ；ｃｏｍｆｏｒｔ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ
摩托车乘骑平顺性是摩托车的重要性能指标 进行评价 一 。
之一。本文应用多体动力学分析软件ＡＤＡＭＳ建
立了基于路面和发动机激励下某企业摩托车整车
１ 整车刚柔耦合系统动力学建模
摩托车实际零部件结构相对较为复杂，摩托
刚柔耦合多体动力学模型并进行平顺性仿真分
析，参照汽车振动舒适性的评价方法对其平顺性
收稿日期：２０１３—１０—２５
基金项目：重庆市教委科研基金资助项目（ＫＪ０９０５１０）
作者简介：汪雅丽（１９７９一），女，硕士研究生，主要从事ＣＡＤ／ＣＡＥ方面研究；通讯作者雷刚（１９６８一），男，博士，教
授，主要从事计算力学、ＣＡＤ／ＣＡＥ方面研究。
引用格式：汪雅丽，雷刚．发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价［Ｊ］．重庆理工大学学报：自然科学
版，２０１４（２）：２２—２７．
Ｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔ：ＷＡＮＧ Ｙａ—ｌｉ，ＬＥＩ Ｇａｎｇ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｒｉｄｅ Ｃｏｍｆｏｒｔ Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏａｄ
．
ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１４（２）：２２
—
２ｌ７
汪雅丽，等：发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价 ２３
车动力学模型由车架、前后悬架、后叉、发动机、前
后轮胎、方向把和人体座椅系统等９部分组成。
本文研究的是摩托车驾乘平顺性，主要研究某摩
托车在Ｂ级路面直线行驶工况下，由路面不平整
度和发动机共同激励下整车的振动响应。本文对
所建立的摩托车整车动力学模型做如下假设 ３ ：
①在行驶过程中，车身只做垂直于地面的直线运
动，车身相对于地面的侧倾不予考虑；②取消前叉
相对于车架的转动自由度，不考虑摩托车转向；③
没有建立链条传动的驱动力施加模型，而是将驱
动力矩以运动的形式直接加在后轮上；④在模型
的建立过程中，不考虑油箱和车身等覆盖件相对
方位的变化，只考虑各自的重量和转动惯量，并且
采用固定约束将各构件固定连接到车架上；⑤用
理想约束替代各构件的实际接触，比如操纵架与
车架之间用固定副约束，不计两者之间的相互碰
撞作用效果；⑥摩托车前后减振器主要起支撑车
体、减缓振动和冲击的作用，在模型中前后减振器
用具有相应刚度和阻尼的弹簧代替；⑦用理想铰
链代替后叉与车架之间的约束，两者之间可以相
互转动，不能上下窜动和相互扭动。
１．１ 多刚体模型的建立
首先借助ＣＡＴＩＡ软件建立摩托车的三维实体
模型（如图１），根据摩托车实际结构和相对连接
关系，利用虚拟装配功能将各构件进行虚拟装配，
利用ＣＡＴＩＡ与ＡＤＡＭＳ的数据交换接口，将在
ＣＡＴＩＡ中装配好的三维数据结构导人到ＡＤＡＭＳ
多体动力学分析系统中，以获得几何模型。
图１ 摩托车主要零部件装配
各构件保留各自的质量惯性信息和各构件之
间相对位置信息。为使仿真结果更加真实、精确，
创建球体来模拟人体。人体质量７５ ，其中６０ ｋｇ
作用在座椅上，左右手把各分布２．５ ｋｇ，左右脚踏
各分布５ ｋｇ。球体与座椅、手把、脚踏之问均简化
为固定铰链。通过对摩托车各零部件之间的运动
约束关系和作用力关系的分析，以及基于对模型
简化的假设，本文在ＡＤＡＭＳ环境中建立运动约束
关系如下 ：①后叉与车架后臂支撑之间用
Ｒｅｖｏｌｕｔｅｄ Ｊｏｉｎｔ连接，后叉只能绕安装轴转动；②
前减振器内筒与方向把之间采用Ｆｉｘｅｄ Ｊｏｉｎｔ连接，
前减振器内外筒之间采用Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｊｏｉｎｔ连接，
前减振器内外筒在运动中始终保持前伸角不变；
③在直线行驶仿真时，因为方向把与车架之间不
考虑转向，所以方向把与车架采用Ｆｉｘｅｄ Ｊｏｉｎｔ连
接；④进行直线行驶仿真时，在车身上添加了３个
面内约束Ｉｎｐｌａｎｅ Ｊｏｉｎｔ，而且每一个面内约束至少
保证一个约束点始终保持在给定的平面内，确保
摩托车始终在垂直于地面的平面内做直线运动，
不发生侧倾；⑤前轮与前减振器外筒、后轮与后叉
分别使用转动铰链相连；⑥由于摩托车发动机、油
箱、坐垫和消声器实际上是通过螺栓刚性连接到
车架上，故简化为固定铰链；⑦通过在前后悬架安
装位置处建立弹簧单元模拟悬架，并定义其阻尼
和刚度参数值。在ＡＤＡＭＳ中建立多刚体动力学
模型如图２所示。
图２多刚体动力学模型
１．２发动机建模
发动机的振动主要来自发动机气缸内的气体
爆发压力以及活塞一连杆一曲轴机构因运动而产
生的惯性力和惯性力矩，包括往复惯性力和旋转
离心惯性力。本文以缸内燃烧爆发压力为激励
源，对发动机进行运动学和动力学分析，计算发动
机在工作状态下对整车的激励。发动机实体模型
汪雅丽，等：发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价 ２５
Ｎ・ｍｍ，活塞压力曲线和平衡时阻力曲线如图６、７
所示。然后将发动机压力曲线导入ＡＤＡＭＳ中的
ＡＫＩＳＰＬ函数中，以此来定义在活塞和发动机体之
间的相互作用力。在ＡＤＡＭＳ中建立曲轴转角的
测量ＭＥＡ—ＡＮＧＬＥ一１。分别在活塞和箱体上施加
大小相同、方向相反的压力函数，以此来模拟发动
机运转过程中的实际运动过程（燃油燃烧释放的
气体压力对发动机的作用），即发动机对整车产生
的激励。
２ ．
Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ
。 。 ｏ０ Ｘ／ ｄ ４如 。。 。
图６ ２ ０００ ｒ／ｍｉｎ时活塞压力曲线
图７平衡时阻力曲线
２．３ Ｂ级路面激励的模拟
摩托车平顺性分析时，路面不平度是路面相
对于某个基准平面的高度随道路走向而变化的程
度，具有完全随机的性质。本文根据１９８４年国际
标准化组织在文件ＩＳＯ／ＴＣ１０８／ＳＣ２Ｎ６７中提出的
“路面不平度表示方法草案”和长春汽车研究所制
定的ＧＢ７０３１《车辆振动输入——路面平度表示》
标准相关计算公式。根据采样定理和离散的傅里
叶变换，利用Ｍａｔｌａｂ可编写随机路面谱，如图８所
示。其中：手把各轴向的频率根据ＩＳ０５３４９推荐
的６．３～ｌ ０００ Ｈｚ分析范围取 ＝１ ０００ Ｈｚ；座位
处频率根据ＩＳ０２６３１推荐的０．５～８０ Ｈｚ分析范围
取ｆｌ＝０．５ Ｈｚ；车速 ＝４０ ｋｍ／ｈ。
鲁
皇
中
恒
静
图８ Ｂ级路面谱
将在Ｍａｔｌａｂ中生成的车速为４０ ｋｍ／ｈ的Ｂ级
路面导入试验台与台座之间的平动副模型中，使
试验台可以产生Ｂ级路面激励，最终建立整车平
顺性仿真模型。
３ 摩托车平顺性仿真’ Ｖ。 。…’… ’，’
３．１平顺性评价指标
目前国际上通用的关于振动的标准为
ＩＳ０２６３ １《人体承受全身振动评价指南》和ＩＳ０５３４９
《人体接触手传动振动的测量和评价指南》２种标
准 Ｊ。ＩＳ０２６３１是全身振动方面标准；ＩＳ０５３４９是
局部振动方面国际标准。其中，ＩＳ０２６３１—１：１９９７
（Ｅ）适用于交通工具的振动环境；ＩＳ０５３４９—１：
２００１（Ｅ）适用于手持式动力工具及用手操作的机
器的振动测试与评价。
ＩＳＯ２６３ １采用加权加速度均方根值０ 来评价
舒适性。将加权加速度均方根值。 ，换算为加权
振级 ｎ 和Ｌａ与人体主观感觉的关系，ｗ 见表１ 。
表１ Ｌａｈｗ和。 与人的主观感觉之间的
关系（坐椅、脚踏处）
重庆理工大学学报
ＩＳＯ５３４９认为人体对不同频率手传振动的敏
感程度不同。在ＩＳＯ５３４９的２００１版本中推荐使用
３轴向振动的总值评价指标。将手把振动总加权
加速度均方根值ｎ 换算为加权振级 ‰、ｎ 和
Ｌ。 与人体主观感觉的关系，见表２。
表２ Ｌａｈｗ和Ⅱ 与人的主观感觉之问的
关系（手柄位置）
７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
３．２摩托车平顺性仿真
ＡＤＡＭＳ内部提供一些数值分析中常用的求
解器，包括ＡＢＡＭ、ＧＳＴＩＦＦ、Ｃｏｎｓｔａｎｔ—ＢＤＦ、ＷＳＴＩＦＦ
等，其仿真时间和步长针对模型求解的不同要求
进行设置，时间越长越能观察系统的长期运动学
和动力学行为，而步长选择得越小就可以获得越
精确的解答，但是计算时间也更长。不同的求解
器有不同的特点。综合考虑计算精度和时间，选
择Ｄｙｎａｍｉｃｓ进行分析，试验参数设置时间为２０ Ｓ，
步长为１０ ０００。本文以Ｂ级路面４０ ｋｍ／ｈ车速模
拟迭代驱动信号，同时添加发动机２ ０００ ｒ／ｍｉｎ爆
破曲线压力函数产生的样条函数ＳＫＩＳＰＬ作为输
入进行仿真。由于篇幅限制，仅列出部分响应信
号，如果图９—１４所示。
８ｏｏ０
３０ｏ０
－２０ｏ０
＿７ｏｏ０
一
ｌ２０ｏｏ
０ １．０ ２．０ ３．０ ４．０ ５．０
ｔ／ｓ
图９手把处 方向加速度时域曲线
Ｉ Ｊ
．
山 ～一
３７．５ ７５ ０ ｌｌ２．５ ｌ ５０．０
ｆ／Ｈｚ
图１０手把处 方向功率密度谱曲线
ｌ５ ０００
８２５０
１ ５００
０
－
５ ２５Ｏ
２ １ １ Ｏ
Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ
．
１２ ０００
０ １．０ ２．Ｏ ３ ０ ４．０ ５．０
ｔ｜ｓ
图ｌ１脚蹬处Ｚ方向加速度时域曲线
Ｏ ３７．５ ７５．Ｏ １１２ ５ ｌ５Ｏ ０
ｆ／Ｈｚ
图１２脚蹬处Ｚ方向功率密度谱曲线
４ ５００
ｔ－
０
一
。
１ ０００
罟－６ ５００
一
１２０００
０ １．０ ２．０ ３．０ ４．０ ５．０
ｔ／ｓ
图１３座位处Ｚ方向加速度时域曲线
汪雅丽，等：发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价
２
５
２
Ｏ
１
５
ｌ
Ｏ
Ｏ
５ Ｏ
２７
４结束语
本文对摩托车基于路面和发动机激励下的平
顺性进行分析研究。应用多体动力学分析软件
ＡＤＡＭＳ建立了整车刚柔耦合多体动力学模型。
０ ３７ ５ ７５ ０ １ｌ２．５ ｌ ５０．０
在此基础上，以Ｂ级路面和发动机激励为输入，参
ｆ／Ｈｚ
图１４座位处Ｚ方向功率密度谱曲线
３．３平顺性评价
应用本文３．１节的主客观评价指标，分别将
测试点３个方向的功率密度谱曲线导入Ｍａｔｌａｂ，按
ＩＳ０２６３１和ＩＳ０５３４９的相关公式和加权系数计算
出坐垫、脚踏和手把处的加权加速度均方根值０
换算为加权振级￡ 进行主客观评价，结果见
表３。
表３顺性评价（频率加权）
从表３可以看出：根据频率加权加速度均方
根值评价法，该摩托车以发动机转速为２ ０００
ｒ／ｍｉｎ，车速为４０ ｋｍ／ｈ在Ｂ级路面上行驶时，坐
垫、脚踏和手把处的平顺性分别表现为很不舒服
和有些不舒服，其中手把处的频率和振级超过乘
坐感觉舒适时的频率和振级较多。
照汽车振动舒适性的评价指标及其计算方法对其
平顺性进行仿真分析及评价。仿真分析结果与实
际驾乘感受相符合，为摩托车平顺性的改进奠定
了基础。
参考文献：
［１］ 汪雅丽，雷刚．某两轮摩托车车架模态特性分析［Ｊ］．
重庆理工大学学报：自然科学版，２０１０，２４（１２）：９８
—
１０１．
［２］徐中明，张志飞，陈刚，等．摩托车平顺性主观评价分
析［Ｊ］．重庆大学学报：自然科学版，２００７，３５（６）：５
—
８．
［３］ 张勇，欧健．汽车平顺性仿真模型及试验研究［Ｊ］．现
代制造工程，２０１２（６）：３８—４１．
［４］ 邹喜红．基于道路模拟的摩托车平顺性研究［Ｄ］．成
都：西南交通大学，２０１０．
［５］林砺宗，潘大亨，傅招国，等．基于ＡＤＡＭＳ的六自由度
液压动感平台建模及运动学仿真［Ｊ］．机床与液压，
２０１２（１２）：１６６—１６９，１７４．
［６］ 钱士才，高宏力，李文涛．基于ＡＤＡＭＳ的机床主轴刚
柔耦合系统建立及性能分析［Ｊ］．四川兵工学报，２０１２
（６）：６９—７Ｏ．
［７］徐中明，张志飞，李俊鹏，等．应用ＩＳ０２６３１和ＩＳ０５３４９
评价摩托车平顺性［Ｊ］．小型内燃机与摩托车，２００６，
３５（６）：５—８．
（责任编辑刘舸）
2024年6月13日发(作者：辉善芳)
第２８卷
第２期
Ｖ０１．２８
重庆理工大学学报（自然科学）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
２０１４年２月
Ｆｅｂ．２０１４
Ｎｏ．２
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４２５（ｚ）．２０１４．０２．００５
发动机和路面激励下的摩托车平顺性
仿真分析及评价
汪雅丽 ，雷 刚
（重庆理工大学ａ．车辆工程学院；
ｂ．重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆４０００５４）
摘 要：针对重庆某摩托车企业某款摩托车开发的需要，应用多体动力学软件ＡＤＡＭＳ对
摩托车基于路面和发动机激励进行仿真建模，并参照汽车振动舒适性的评价指标及计算方法对
该摩托车的平顺性进行分析及评价。
关键词：摩托车平顺性；ＡＤＡＭＳ；舒适性评价方法
文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—８４２５（２０１４）０２－００２２—０６ 中图分类号：Ｕ４６１．４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｒｉｄｅ Ｃｏｍｆｏｒｔ Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏａｄ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
ＷＡＮＧ Ｙａ．．．１ｉ，ＬＥＩ Ｇａｎｇ
（ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｐａｒｔｓ ａｎｄ Ｔｅｓｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ’Ｓ ｐｒｏｄｕｃｔ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍ。
ｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ（ＡＤＡＭＳ）ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏａｄ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ
ｔｏ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｆｏｒｔ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｉｔｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ—
ｃｙｃｌｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ；ＡＤＡＭＳ；ｃｏｍｆｏｒｔ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ
摩托车乘骑平顺性是摩托车的重要性能指标 进行评价 一 。
之一。本文应用多体动力学分析软件ＡＤＡＭＳ建
立了基于路面和发动机激励下某企业摩托车整车
１ 整车刚柔耦合系统动力学建模
摩托车实际零部件结构相对较为复杂，摩托
刚柔耦合多体动力学模型并进行平顺性仿真分
析，参照汽车振动舒适性的评价方法对其平顺性
收稿日期：２０１３—１０—２５
基金项目：重庆市教委科研基金资助项目（ＫＪ０９０５１０）
作者简介：汪雅丽（１９７９一），女，硕士研究生，主要从事ＣＡＤ／ＣＡＥ方面研究；通讯作者雷刚（１９６８一），男，博士，教
授，主要从事计算力学、ＣＡＤ／ＣＡＥ方面研究。
引用格式：汪雅丽，雷刚．发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价［Ｊ］．重庆理工大学学报：自然科学
版，２０１４（２）：２２—２７．
Ｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔ：ＷＡＮＧ Ｙａ—ｌｉ，ＬＥＩ Ｇａｎｇ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｒｉｄｅ Ｃｏｍｆｏｒｔ Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｏａｄ
．
ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１４（２）：２２
—
２ｌ７
汪雅丽，等：发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价 ２３
车动力学模型由车架、前后悬架、后叉、发动机、前
后轮胎、方向把和人体座椅系统等９部分组成。
本文研究的是摩托车驾乘平顺性，主要研究某摩
托车在Ｂ级路面直线行驶工况下，由路面不平整
度和发动机共同激励下整车的振动响应。本文对
所建立的摩托车整车动力学模型做如下假设 ３ ：
①在行驶过程中，车身只做垂直于地面的直线运
动，车身相对于地面的侧倾不予考虑；②取消前叉
相对于车架的转动自由度，不考虑摩托车转向；③
没有建立链条传动的驱动力施加模型，而是将驱
动力矩以运动的形式直接加在后轮上；④在模型
的建立过程中，不考虑油箱和车身等覆盖件相对
方位的变化，只考虑各自的重量和转动惯量，并且
采用固定约束将各构件固定连接到车架上；⑤用
理想约束替代各构件的实际接触，比如操纵架与
车架之间用固定副约束，不计两者之间的相互碰
撞作用效果；⑥摩托车前后减振器主要起支撑车
体、减缓振动和冲击的作用，在模型中前后减振器
用具有相应刚度和阻尼的弹簧代替；⑦用理想铰
链代替后叉与车架之间的约束，两者之间可以相
互转动，不能上下窜动和相互扭动。
１．１ 多刚体模型的建立
首先借助ＣＡＴＩＡ软件建立摩托车的三维实体
模型（如图１），根据摩托车实际结构和相对连接
关系，利用虚拟装配功能将各构件进行虚拟装配，
利用ＣＡＴＩＡ与ＡＤＡＭＳ的数据交换接口，将在
ＣＡＴＩＡ中装配好的三维数据结构导人到ＡＤＡＭＳ
多体动力学分析系统中，以获得几何模型。
图１ 摩托车主要零部件装配
各构件保留各自的质量惯性信息和各构件之
间相对位置信息。为使仿真结果更加真实、精确，
创建球体来模拟人体。人体质量７５ ，其中６０ ｋｇ
作用在座椅上，左右手把各分布２．５ ｋｇ，左右脚踏
各分布５ ｋｇ。球体与座椅、手把、脚踏之问均简化
为固定铰链。通过对摩托车各零部件之间的运动
约束关系和作用力关系的分析，以及基于对模型
简化的假设，本文在ＡＤＡＭＳ环境中建立运动约束
关系如下 ：①后叉与车架后臂支撑之间用
Ｒｅｖｏｌｕｔｅｄ Ｊｏｉｎｔ连接，后叉只能绕安装轴转动；②
前减振器内筒与方向把之间采用Ｆｉｘｅｄ Ｊｏｉｎｔ连接，
前减振器内外筒之间采用Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｊｏｉｎｔ连接，
前减振器内外筒在运动中始终保持前伸角不变；
③在直线行驶仿真时，因为方向把与车架之间不
考虑转向，所以方向把与车架采用Ｆｉｘｅｄ Ｊｏｉｎｔ连
接；④进行直线行驶仿真时，在车身上添加了３个
面内约束Ｉｎｐｌａｎｅ Ｊｏｉｎｔ，而且每一个面内约束至少
保证一个约束点始终保持在给定的平面内，确保
摩托车始终在垂直于地面的平面内做直线运动，
不发生侧倾；⑤前轮与前减振器外筒、后轮与后叉
分别使用转动铰链相连；⑥由于摩托车发动机、油
箱、坐垫和消声器实际上是通过螺栓刚性连接到
车架上，故简化为固定铰链；⑦通过在前后悬架安
装位置处建立弹簧单元模拟悬架，并定义其阻尼
和刚度参数值。在ＡＤＡＭＳ中建立多刚体动力学
模型如图２所示。
图２多刚体动力学模型
１．２发动机建模
发动机的振动主要来自发动机气缸内的气体
爆发压力以及活塞一连杆一曲轴机构因运动而产
生的惯性力和惯性力矩，包括往复惯性力和旋转
离心惯性力。本文以缸内燃烧爆发压力为激励
源，对发动机进行运动学和动力学分析，计算发动
机在工作状态下对整车的激励。发动机实体模型
汪雅丽，等：发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价 ２５
Ｎ・ｍｍ，活塞压力曲线和平衡时阻力曲线如图６、７
所示。然后将发动机压力曲线导入ＡＤＡＭＳ中的
ＡＫＩＳＰＬ函数中，以此来定义在活塞和发动机体之
间的相互作用力。在ＡＤＡＭＳ中建立曲轴转角的
测量ＭＥＡ—ＡＮＧＬＥ一１。分别在活塞和箱体上施加
大小相同、方向相反的压力函数，以此来模拟发动
机运转过程中的实际运动过程（燃油燃烧释放的
气体压力对发动机的作用），即发动机对整车产生
的激励。
２ ．
Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ
。 。 ｏ０ Ｘ／ ｄ ４如 。。 。
图６ ２ ０００ ｒ／ｍｉｎ时活塞压力曲线
图７平衡时阻力曲线
２．３ Ｂ级路面激励的模拟
摩托车平顺性分析时，路面不平度是路面相
对于某个基准平面的高度随道路走向而变化的程
度，具有完全随机的性质。本文根据１９８４年国际
标准化组织在文件ＩＳＯ／ＴＣ１０８／ＳＣ２Ｎ６７中提出的
“路面不平度表示方法草案”和长春汽车研究所制
定的ＧＢ７０３１《车辆振动输入——路面平度表示》
标准相关计算公式。根据采样定理和离散的傅里
叶变换，利用Ｍａｔｌａｂ可编写随机路面谱，如图８所
示。其中：手把各轴向的频率根据ＩＳ０５３４９推荐
的６．３～ｌ ０００ Ｈｚ分析范围取 ＝１ ０００ Ｈｚ；座位
处频率根据ＩＳ０２６３１推荐的０．５～８０ Ｈｚ分析范围
取ｆｌ＝０．５ Ｈｚ；车速 ＝４０ ｋｍ／ｈ。
鲁
皇
中
恒
静
图８ Ｂ级路面谱
将在Ｍａｔｌａｂ中生成的车速为４０ ｋｍ／ｈ的Ｂ级
路面导入试验台与台座之间的平动副模型中，使
试验台可以产生Ｂ级路面激励，最终建立整车平
顺性仿真模型。
３ 摩托车平顺性仿真’ Ｖ。 。…’… ’，’
３．１平顺性评价指标
目前国际上通用的关于振动的标准为
ＩＳ０２６３ １《人体承受全身振动评价指南》和ＩＳ０５３４９
《人体接触手传动振动的测量和评价指南》２种标
准 Ｊ。ＩＳ０２６３１是全身振动方面标准；ＩＳ０５３４９是
局部振动方面国际标准。其中，ＩＳ０２６３１—１：１９９７
（Ｅ）适用于交通工具的振动环境；ＩＳ０５３４９—１：
２００１（Ｅ）适用于手持式动力工具及用手操作的机
器的振动测试与评价。
ＩＳＯ２６３ １采用加权加速度均方根值０ 来评价
舒适性。将加权加速度均方根值。 ，换算为加权
振级 ｎ 和Ｌａ与人体主观感觉的关系，ｗ 见表１ 。
表１ Ｌａｈｗ和。 与人的主观感觉之间的
关系（坐椅、脚踏处）
重庆理工大学学报
ＩＳＯ５３４９认为人体对不同频率手传振动的敏
感程度不同。在ＩＳＯ５３４９的２００１版本中推荐使用
３轴向振动的总值评价指标。将手把振动总加权
加速度均方根值ｎ 换算为加权振级 ‰、ｎ 和
Ｌ。 与人体主观感觉的关系，见表２。
表２ Ｌａｈｗ和Ⅱ 与人的主观感觉之问的
关系（手柄位置）
７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
３．２摩托车平顺性仿真
ＡＤＡＭＳ内部提供一些数值分析中常用的求
解器，包括ＡＢＡＭ、ＧＳＴＩＦＦ、Ｃｏｎｓｔａｎｔ—ＢＤＦ、ＷＳＴＩＦＦ
等，其仿真时间和步长针对模型求解的不同要求
进行设置，时间越长越能观察系统的长期运动学
和动力学行为，而步长选择得越小就可以获得越
精确的解答，但是计算时间也更长。不同的求解
器有不同的特点。综合考虑计算精度和时间，选
择Ｄｙｎａｍｉｃｓ进行分析，试验参数设置时间为２０ Ｓ，
步长为１０ ０００。本文以Ｂ级路面４０ ｋｍ／ｈ车速模
拟迭代驱动信号，同时添加发动机２ ０００ ｒ／ｍｉｎ爆
破曲线压力函数产生的样条函数ＳＫＩＳＰＬ作为输
入进行仿真。由于篇幅限制，仅列出部分响应信
号，如果图９—１４所示。
８ｏｏ０
３０ｏ０
－２０ｏ０
＿７ｏｏ０
一
ｌ２０ｏｏ
０ １．０ ２．０ ３．０ ４．０ ５．０
ｔ／ｓ
图９手把处 方向加速度时域曲线
Ｉ Ｊ
．
山 ～一
３７．５ ７５ ０ ｌｌ２．５ ｌ ５０．０
ｆ／Ｈｚ
图１０手把处 方向功率密度谱曲线
ｌ５ ０００
８２５０
１ ５００
０
－
５ ２５Ｏ
２ １ １ Ｏ
Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ
．
１２ ０００
０ １．０ ２．Ｏ ３ ０ ４．０ ５．０
ｔ｜ｓ
图ｌ１脚蹬处Ｚ方向加速度时域曲线
Ｏ ３７．５ ７５．Ｏ １１２ ５ ｌ５Ｏ ０
ｆ／Ｈｚ
图１２脚蹬处Ｚ方向功率密度谱曲线
４ ５００
ｔ－
０
一
。
１ ０００
罟－６ ５００
一
１２０００
０ １．０ ２．０ ３．０ ４．０ ５．０
ｔ／ｓ
图１３座位处Ｚ方向加速度时域曲线
汪雅丽，等：发动机和路面激励下的摩托车平顺性仿真分析及评价
２
５
２
Ｏ
１
５
ｌ
Ｏ
Ｏ
５ Ｏ
２７
４结束语
本文对摩托车基于路面和发动机激励下的平
顺性进行分析研究。应用多体动力学分析软件
ＡＤＡＭＳ建立了整车刚柔耦合多体动力学模型。
０ ３７ ５ ７５ ０ １ｌ２．５ ｌ ５０．０
在此基础上，以Ｂ级路面和发动机激励为输入，参
ｆ／Ｈｚ
图１４座位处Ｚ方向功率密度谱曲线
３．３平顺性评价
应用本文３．１节的主客观评价指标，分别将
测试点３个方向的功率密度谱曲线导入Ｍａｔｌａｂ，按
ＩＳ０２６３１和ＩＳ０５３４９的相关公式和加权系数计算
出坐垫、脚踏和手把处的加权加速度均方根值０
换算为加权振级￡ 进行主客观评价，结果见
表３。
表３顺性评价（频率加权）
从表３可以看出：根据频率加权加速度均方
根值评价法，该摩托车以发动机转速为２ ０００
ｒ／ｍｉｎ，车速为４０ ｋｍ／ｈ在Ｂ级路面上行驶时，坐
垫、脚踏和手把处的平顺性分别表现为很不舒服
和有些不舒服，其中手把处的频率和振级超过乘
坐感觉舒适时的频率和振级较多。
照汽车振动舒适性的评价指标及其计算方法对其
平顺性进行仿真分析及评价。仿真分析结果与实
际驾乘感受相符合，为摩托车平顺性的改进奠定
了基础。
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（责任编辑刘舸）