崔宇航　劉建軍　史春濤　王　韜　景亞兵（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

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三輪摩托車車架的輕量化設(shè)計(jì)

崔宇航劉建軍史春濤王韜景亞兵
（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

車架不僅要求足夠的強(qiáng)度和剛度，而且需要最大限度地減輕其自重，以提高整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于以貨運(yùn)為主的三輪摩托車，車架自身質(zhì)量占整車質(zhì)量的比例較大，因此減輕車架自重對(duì)三輪摩托車的輕量化研究具有重要意義。以一款載貨三輪摩托車車架為分析對(duì)象，通過對(duì)現(xiàn)有車架進(jìn)行有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步利用有限元手段解決減重與強(qiáng)度要求間的矛盾問題，得出以實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)為邊界條件的輕量化后的三輪摩托車車架的應(yīng)力分布。

三輪摩托車車架強(qiáng)度輕量化有限元

引言

迫于市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)及原材料價(jià)格上漲的壓力，產(chǎn)品輕量化是企業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展的需要。在三輪摩托車車架新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，既要集成現(xiàn)有車架的優(yōu)勢(shì)又要打破原有的設(shè)計(jì)格局，盡可能地優(yōu)化出一款無論從用戶角度還是從生產(chǎn)廠家方面均滿足需求的車架。將有限元理論應(yīng)用于三輪摩托車的設(shè)計(jì)過程，可以有效提高設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性。

1　輕量化

1.1輕量化概念

輕量化，即在確保物體各項(xiàng)性能的前提下使用新材料降低自重，或采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)物體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重、安全、降耗、環(huán)保的要求。

1.2實(shí)現(xiàn)輕量化措施

提到輕量化設(shè)計(jì)，主要從材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化兩方面考慮。

1）材料

國(guó)內(nèi)外主要輕量化的材料主要有：

有色合金材料：鋁合金、鎂合金使用較為廣泛；

非金屬材料：以目前廣泛應(yīng)用的碳纖維為代表；

高強(qiáng)度鋼。

由于本文分析對(duì)象為農(nóng)用載貨三輪車車架，因此未從使用材料角度考慮減重［1］。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化

通過對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次優(yōu)化分析、設(shè)計(jì)，合理減小車架質(zhì)量，校核被優(yōu)化后的車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，在確保滿足安全性能前提下合理減重。目前，變截面等強(qiáng)度設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用，但采用變截面形狀勢(shì)必會(huì)引起生產(chǎn)成本的增加。

本文對(duì)車架輕量化的主要途徑是利用CAE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證整車承載能力和可靠性的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局，去除多余材料，通過優(yōu)化壁厚進(jìn)行減重。

2　有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAE分析技術(shù)幾乎貫穿于每個(gè)新產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過程，其優(yōu)勢(shì)在于可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品各方面性能。

2.1有限元建模

有限元建模是輕量化的基礎(chǔ)，建模準(zhǔn)確與否直接影響輕量化結(jié)果的可靠性。本文在建模過程中考慮了前后減震器的剛度，前后減震器與車架間的連接與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)與有限元間的結(jié)合。

2.1.1網(wǎng)格劃分

本文以有限元分析軟件ABAQUS為平臺(tái)，對(duì)主要承載部件梁抽取中面，采用非均勻的網(wǎng)格密度對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。各部件間的焊接采用點(diǎn)面綁定約束［2］。圖1為離散后的原車架網(wǎng)格劃分示意圖。

2.1.2材料參數(shù)

車架采用普通碳鋼Q235，材料性能見表1。

表1　車架材料性能參數(shù)值

2.1.3載荷

三輪摩托車車架在實(shí)際工作中主要受到駕駛員載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)載荷、車箱載荷及貨物載荷的作用，根據(jù)實(shí)際情況，將貨物及車箱、駕駛員、發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量作為集中質(zhì)量單元進(jìn)行施加，按載荷賦予各集中質(zhì)量單元實(shí)際質(zhì)量，集中質(zhì)量單元通過coupling與車架相連，以模擬車架在實(shí)際工作中所受的負(fù)載。

通過GRAVITY施加重力加速度，以反映車架及載荷的自重，從而模擬貨物及車箱、駕駛員、發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車架所施加的載荷。另外，對(duì)應(yīng)不同工況時(shí)施加不同的加速度以模擬動(dòng)載、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速等不同行駛特性。加速度的獲取通過外場(chǎng)試驗(yàn)用行車記錄儀實(shí)地測(cè)量得到。通過行車記錄儀可以直接測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、車速、車輛縱向、橫向以及垂向三個(gè)方向的加速度、俯仰角、橫擺角、側(cè)傾角。

2.1.4約束

約束前、后輪輪心位置，采用簡(jiǎn)支以模擬車架承受垂直載荷時(shí)的受力狀態(tài)。施加載荷與約束的原車架模型如圖2所示。

圖1　離散的原車架有限元模型

圖2　　施加載荷與約束的原車架有限元模型

2.2有限元分析

2.2.1分析說明

本文以靜止工況為例說明，也便于強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)驗(yàn)證。靜止工況模擬三輪摩托車平地駐車或在平順路面上滿載勻速運(yùn)行狀態(tài)。在貨物質(zhì)心位置、約束方式不變的前提下，通過改變載荷大小來分析原車架整體的應(yīng)力變化情況。

2.2.2分析結(jié)果

原車架在靜止工況不同負(fù)載下的應(yīng)力分布情況如圖3～5所示。

圖3　貨物質(zhì)量為1 000 kg時(shí)原車架整體應(yīng)力云圖

圖4　貨物質(zhì)量為500 kg時(shí)原車架整體應(yīng)力云圖

圖5　貨物質(zhì)量為300 kg時(shí)原車架整體應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖知，當(dāng)負(fù)載為1 000 kg時(shí)，車架主梁最大應(yīng)力未超過60 MPa，出現(xiàn)在前吊耳加載處；當(dāng)負(fù)載為500 kg及以下時(shí)，車架整體應(yīng)力數(shù)值均較小。

3　剛度、強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元分析的合理性，進(jìn)行了不同載荷條件下的線性靜態(tài)強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)［3］。被測(cè)車輛安放在專用基座上，拆除輪胎，在各車輪下安裝地磅對(duì)其載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。試驗(yàn)采用水箱注水的方式對(duì)被測(cè)車輛連續(xù)加載，實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂載荷的控制，在座椅及發(fā)動(dòng)機(jī)安裝處分別固定相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)體重和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的砝碼。整個(gè)試驗(yàn)的載荷位置、大小及約束情況與有限元分析過程基本相同。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6～7所示。根據(jù)各個(gè)梁的有限元分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)選擇試驗(yàn)車架的測(cè)點(diǎn)位置。

圖6　強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

圖7　剛度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

強(qiáng)度試驗(yàn)選取車架第一橫梁上與縱梁搭接處附近的一個(gè)測(cè)點(diǎn)，剛度試驗(yàn)選取車架最后部的一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以其為例說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，如圖8～9所示。

圖8　強(qiáng)度試驗(yàn)一測(cè)點(diǎn)處試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比

圖9　剛度試驗(yàn)一測(cè)點(diǎn)處試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比

從圖中可以看出，二者吻合情況較好，進(jìn)一步說明了在邊界條件一致時(shí)有限元的合理性與準(zhǔn)確性，為下一步車架輕量化設(shè)計(jì)提供可靠保障。

4　輕量化車架的有限元分析

通過對(duì)原型車架進(jìn)行分析知，豎梁與下彎梁連接區(qū)域應(yīng)力較大，其它位置強(qiáng)度富裕。以與原型車架邊界條件一致為前提，以應(yīng)力及變形不大于已計(jì)算的原型車架為目標(biāo)，經(jīng)過多次優(yōu)化，確定新改型車架結(jié)構(gòu)。

車架第三橫梁及縱梁壁厚變薄0.5 mm，且對(duì)豎梁與下彎梁連接處進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低此處應(yīng)力。車架整體減重5%。分析優(yōu)化后的新改型車架結(jié)果云圖（以載重1 000 kg為例）如圖10所示。

圖10　新改型車架載重1 000 kg時(shí)整體應(yīng)力云圖

通過以上云圖可以看出，新車架的設(shè)計(jì)趨于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

通過前述有限元分析方法，還可以初步確定新改型車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限所決定的貨物質(zhì)量與質(zhì)心位置，得出承載極限值曲線，如圖11所示。

圖11　優(yōu)化后的車架承載極限值曲線

圖中各曲線含義如下：

前輪抬起——確定了前輪抬起時(shí)的位置及極限承載量，即，如果貨物質(zhì)心位于此線右側(cè)則前輪翹起；

前輪承載18%——確定了滿足前輪承載能力為18%（國(guó)家法規(guī)規(guī)定）的要求時(shí)的位置及極限承載量，如果貨物質(zhì)心位于此線右側(cè)則前輪分擔(dān)載荷小于18%；

裝載極限值——確定了優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限所決定的貨物質(zhì)量與質(zhì)心位置，如果出現(xiàn)在該線以上，則車架將發(fā)生破壞或塑性變形。

5　結(jié)論

通過有限元與試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了有限元模型分析的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了在不低于原型車架強(qiáng)度基礎(chǔ)上的新改型車架輕量化設(shè)計(jì)。本文在三輪摩托車車架的設(shè)計(jì)過程中有效地利用了有限元的優(yōu)勢(shì)，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的盲目性。

1倪晉尚.輕量化技術(shù)在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用［J］.公路與汽運(yùn)，2008（5）：4-7

2劉展，祖景平，錢英莉，等.ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008

3顧懷寧，高建民，謝小敏.摩托車車架強(qiáng)度試驗(yàn)方法探討［J］.摩托車技術(shù)，2010（8）：39-42

Lightweight Design for Frame of Tricycle

Cui Yuhang，Liu Jianjun，Shi Chuntao，Wang Tao，Jing Yabing
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

In order to improve the dynamic and economic performance，frame requires enough strength and stiffness，and minimum weight.For freight tricycle，the frame's weight is a big proportion of the whole tricycle，so it's important to reduce weight of the frame.In this paper，taking a frame of freight tricycle as research object，the contradiction problem between weight reduction and strength requirement is resolved by FEM，and frame stress distribution of tricycle is concluded，which is based on measurement data for boundary condition.

Frame of tricycle，Strength，Lightweight，F(xiàn)E

U483.02

A

2095-8234（2015）06-0082-04

崔宇航（1983-），女，工程師，主要從事整車結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)工作。

（2015-07-21）