朱玉強(qiáng)，饒建強(qiáng)

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510650；2.華南理工大學(xué)廣東汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

摩托車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵問(wèn)題之一是整車減振，車身振動(dòng)水平的高低直接影響駕駛員和乘員的舒適性體驗(yàn)。車架是摩托車主要的承載、連接和傳力部件，既承載乘員和貨物的重量，又承受行駛過(guò)程中路面不平度和發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)，并通過(guò)傳動(dòng)裝置、減震器和坐墊傳遞到乘員。為降低車身振動(dòng)，改善駕乘者舒適性體驗(yàn)，應(yīng)分析車架動(dòng)態(tài)特性即模態(tài)特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)[1-2]。

模態(tài)分析一般有解析法和實(shí)驗(yàn)法兩種[3-4]，前者主要依賴于計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真分析，實(shí)驗(yàn)法是利用各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展車架的自由模態(tài)實(shí)驗(yàn)。兩者結(jié)合可以準(zhǔn)確分析摩托車車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，為進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。某企業(yè)新款摩托車樣車行駛過(guò)程中存在振動(dòng)程度過(guò)大、駕駛員舒適性體驗(yàn)較差的現(xiàn)象。選擇市場(chǎng)反映較好的本田150摩托車車架，通過(guò)CATIA和HYPER?MESH建立該款車車架及本田摩托車車架的計(jì)算分析模型，利用實(shí)驗(yàn)法和解析法分析兩款車架動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比并最終提出改進(jìn)方案，從而為后續(xù)的改良試制提供參考。

1 車架仿真模態(tài)分析

1.1 CAE仿真模型的建立

利用ATOS光學(xué)掃描儀對(duì)車架進(jìn)行多個(gè)方位、多個(gè)角度掃描，得到車架外形點(diǎn)云文件。在此基礎(chǔ)上利用CATIA進(jìn)行建模，得到車架的三維模型。將模型導(dǎo)入HYPERMESH中，進(jìn)行有限元分析的前處理。由于摩托車車架主要是由截面尺寸不同的鋼管和板件通過(guò)焊接和螺栓連接組成，且鋼管和板件在厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度尺寸，因此對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽中面處理，劃分二維網(wǎng)格。選用附厚度的殼單元（PSHELL）進(jìn)行模擬，厚度值是實(shí)際測(cè)量車架得到的各個(gè)組件的鋼板厚度。使用的材料密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28。利用Auto?mesh功能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分，然后對(duì)不符合要求的網(wǎng)格進(jìn)行逐步優(yōu)化，利用rbe2剛性單元模擬現(xiàn)實(shí)中的縫焊連接，將焊縫區(qū)域節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。所建立的兩款車架有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

1.2 車架動(dòng)力學(xué)微分方程[5-6]

摩托車車架屬于多自由度連續(xù)彈性體結(jié)構(gòu)，其固有頻率和主振型只與結(jié)構(gòu)的剛度特性和質(zhì)量分布相關(guān)，在通常的物理坐標(biāo)系中，可將車架振動(dòng)的微分方程可表示為：

其中：[M]--系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；[K]--系統(tǒng)剛度矩陣；{}u--位移向量；{}u?--加速度向量。由于彈性體的自由振動(dòng)總是可以分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，因此式（1）的解為

將式（2）代入式（1），得到特征值方程：

若結(jié)構(gòu)發(fā)生自由振動(dòng)，則該式應(yīng)當(dāng)有非零解，則其系數(shù)矩陣行列式為零，即

式 （4） 中 λ=ω2，求解該多項(xiàng)式得到一組特征值解λi，將式（4）改寫(xiě)為

其中：N—?jiǎng)偠染仃嘯K]的維數(shù)，即自由度數(shù)；λi為第i個(gè)特征值；{?i}為λi對(duì)應(yīng)的第i個(gè)模態(tài)向量。

1.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

摩托車車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于低階模態(tài)，高階模態(tài)振型對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的影響較小。考慮摩托車在行駛過(guò)程中可能受到的路面激勵(lì)及發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的頻率范圍以及摩托車常用車速，選取0～300 Hz作為計(jì)算頻率區(qū)間。將有限元分析模型導(dǎo)入大型求解器NASTRAN，選用蘭索士法（LANCZOS）進(jìn)行計(jì)算，分析得出兩車架300 Hz以下的固有頻率和振型。利用HYPERVIEW打開(kāi)文件查看結(jié)果，得到兩車架前6階固有頻率如表1所示。

由以上分析結(jié)果可知：0～300 Hz范圍內(nèi)，某摩托車車架有6階模態(tài)，本田摩托車車架有5階模態(tài)，且本田摩托車車架前5階模態(tài)頻率比某摩托車車架模態(tài)頻率明顯高很多。分析兩者的主振型圖發(fā)現(xiàn)：本田摩托車車架整體振幅較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；某摩托車車架整體振幅大于本田車架，尤其是斜管處振動(dòng)最大。分析原因是由于車頭剛度較低，高速行駛時(shí)容易造成車頭扭擺，應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。

表1 某摩托車與本田摩托車車架仿真固有頻率對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)實(shí)驗(yàn)可用于研究線性系統(tǒng)振動(dòng)特性，其實(shí)驗(yàn)原理為：使用激振器或者力錘對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)試出測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)值。然后根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)特性，選擇不同的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，一般有時(shí)域法和頻域法，識(shí)別研究對(duì)象的模態(tài)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果精度主要取決于操作人員的熟練程度及儀器設(shè)備的測(cè)量精度，與計(jì)算模態(tài)結(jié)果之間是互為驗(yàn)證的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)一般包括：激振力系統(tǒng)、響應(yīng)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及后處理系統(tǒng)。本次實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為DH5922數(shù)采系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生模塊、功率放大器和激振器；力傳感器、加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及東華DH?MA模態(tài)分析軟件。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

用柔軟的橡皮繩將車架懸吊，使其處于水平自由狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)采用單點(diǎn)激振多點(diǎn)拾振的方法，利用激振器激勵(lì)，激振器采用固定安裝方式，與沉重的鐵板相連。建立摩托車坐標(biāo)系：取摩托車前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向，摩托車前進(jìn)方向的左側(cè)為Y軸正向，豎直方向?yàn)閆軸正向。激振器的安裝位置及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。激振時(shí)采用burst random猝發(fā)隨機(jī)信號(hào)，在車架后部行李架中部位置沿Z向進(jìn)行激勵(lì)。測(cè)點(diǎn)按照車架中心面對(duì)稱布置，建立的車架測(cè)點(diǎn)線框模型及測(cè)點(diǎn)位置分布如圖2、3中所示。

2.2 結(jié)果對(duì)比分析

利用三向加速度傳感器測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)在x、y和z向的加速度，計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)到激勵(lì)點(diǎn)的傳遞函數(shù)，然后采用傳遞函數(shù)的集總平均進(jìn)行模態(tài)定階，分析所得的前6階實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)與仿真模態(tài)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

由表2中數(shù)據(jù)分析可得：兩種摩托車車架通過(guò)仿真分析得出的前6階模態(tài)頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較小，在可允許的誤差范圍內(nèi)，主要振型基本一致，證明所建立的仿真模型精確度較高，可用于進(jìn)一步的分析計(jì)算。仔細(xì)觀察某摩托車前6階實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)振型可知：第1階為彎曲模態(tài)，車頭部分沿Y軸方向的俯仰運(yùn)動(dòng)，主梁振動(dòng)幅度較大；第2階為扭轉(zhuǎn)模態(tài)，下支撐管及斜管扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)、彎曲明顯，3～6階振型中均出現(xiàn)上支撐管扭擺及彎曲明顯，振動(dòng)幅度過(guò)大的情況，需要改進(jìn)。

圖2 車架模態(tài)實(shí)驗(yàn)

圖3 車架線框模型及測(cè)點(diǎn)位置

表2 兩車架實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率與仿真模態(tài)頻率對(duì)比Hz

3 改進(jìn)方案

對(duì)比兩種摩托車車架結(jié)構(gòu)，本田摩托車車架主梁分為兩根，與斜管、轉(zhuǎn)向柱管之間通過(guò)兩塊三角鋼板和一塊方向鋼板焊接成為一體，某摩托車車架主梁、斜管和方向柱管是直接焊接在一起，沒(méi)有任何加強(qiáng)部件。測(cè)得本田摩托車方向柱管外徑為48.4 mm，斜管外徑為33 mm，上支撐梁外徑為22.3 mm，下支撐梁外徑為25.4 mm；某摩托車方向柱管外徑為45.6 mm，斜管外徑為32 mm，上下支撐梁外徑均為22.1 mm，均小于本田摩托車車架對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)；因此考慮通過(guò)增設(shè)加強(qiáng)部件以及增加管材厚度來(lái)提高某摩托車車架整體剛度。

改進(jìn)方案：將主梁增厚1 mm，將上支撐梁和下支撐梁也增厚1 mm；在斜管和主梁之間的夾角位置增加一塊三角形的鋼板，板厚與主梁下邊原板厚一致，加強(qiáng)主梁與斜管之間的連接和支撐；主梁與兩根上支撐梁之間夾角位置分別增加一塊三角形鋼板進(jìn)行加固，厚度為3 mm；主梁與兩根下支撐梁連接位置增加一塊厚度為3 mm的轉(zhuǎn)角鋼板，加強(qiáng)兩根下支撐梁之間的連接及其和主梁之間的連接。

表3 車架改進(jìn)后前4階仿真固有頻率Hz

將改進(jìn)后的仿真模型輸入到NASTRAN進(jìn)行計(jì)算，得到改進(jìn)后車架前四階固有頻率如表3中所示。在0～300 Hz范圍內(nèi)只有三階固有頻率，因此只考慮前三階固有頻率主振型。通過(guò)HYPER?VIEW觀察前三階振型，如圖中4、5、6所示：一階振型為車架繞上支撐梁和主梁的焊點(diǎn)Y軸方向的前后俯仰運(yùn)動(dòng)；二階振型為車尾繞上支撐梁的焊點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；三階振型為車尾和車頭圍繞主梁的焊點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 一階主振型

圖5 二階主振型

圖6 三階主振型

4 結(jié)論

改進(jìn)后的車架與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后車架主要有前三階固有頻率，比改進(jìn)前少了三階，各階固有頻率比原來(lái)都有大幅度提高，并且振幅也有所減小。因此可見(jiàn)，同時(shí)增加主梁、上支撐梁和下支撐梁厚度對(duì)車架結(jié)構(gòu)影響最大，改進(jìn)后的車架在結(jié)構(gòu)上得到了明顯加強(qiáng)，振動(dòng)得到了改善。

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