楊劍鋒熊兆祥葛維晶（-江門氣派摩托車有限公司　廣東　江門　594 -天津內(nèi)燃機(jī)研究所）

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基于摩托車車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)分析

楊劍鋒1熊兆祥1葛維晶2
（1-江門氣派摩托車有限公司廣東江門529141 2-天津內(nèi)燃機(jī)研究所）

摘要：研究了某款車型的車架在開發(fā)過程中的結(jié)構(gòu)特征。通過有限元模型分析找出車架薄弱位置，并加以整改，最后通過試驗(yàn)分析進(jìn)行驗(yàn)證。為以后同類型的車架開發(fā)提供了思路。

關(guān)鍵詞：摩托車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

引言

摩托車作為現(xiàn)代生活的常用交通工具，人們不僅僅關(guān)注它的實(shí)用性，同時(shí)也關(guān)注它的舒適性、美觀性和穩(wěn)定性。車架作為摩托車重要的零部件，起到骨架支撐的作用。通過有限元模型及摩托車響應(yīng)分析，對車架進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬驗(yàn)證，并針對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而提升整車舒適性。

摩托車車架是影響摩托車安全性及舒適性的關(guān)鍵部件，其主要功能不僅是固定及支承車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其它相關(guān)零部件，將各總成有機(jī)地連結(jié)成一個(gè)整體，還起著抑制來自前后輪的各種載荷所引起的扭曲變形及沖擊，并為騎乘者提供良好的操縱穩(wěn)定性和騎乘舒適性等重要作用，因此可以說它是整個(gè)摩托車的脊梁[1-2]。

摩托車的振動(dòng)主要通過手把、座椅、腳蹬、油箱等與人接觸的部位傳遞到人體。手把部位的振動(dòng)傳遞到手和手臂，屬于手傳振動(dòng)，座椅、腳蹬、油箱部位的振動(dòng)則傳遞到全身，屬于全身振動(dòng)。振動(dòng)不僅影響摩托車的騎乘舒適性和操縱穩(wěn)定性，而且還容易導(dǎo)致零部件松動(dòng)和早期疲勞，對安全性構(gòu)成潛在威脅。振動(dòng)現(xiàn)象給消費(fèi)者的感受最直觀、最表面，直接影響到他們的購買意愿[3]。因此，對于摩托車車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)還存在一些問題值得探討和試驗(yàn)。

1某款車架結(jié)構(gòu)的調(diào)整

根據(jù)國內(nèi)、外市場調(diào)研及信息反饋的分析，并結(jié)合整車效果的外觀設(shè)計(jì)要求。其車架的設(shè)計(jì)在具有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度前提下，進(jìn)行一定程度的結(jié)構(gòu)調(diào)整。如圖1a）（CAD圖）和圖1b）（實(shí)物圖），虛線圈框的位置為根據(jù)要求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)整。

2車架振動(dòng)分析

圖1　a）摩托車車架CAD圖

圖1　b）摩托車車架實(shí)物圖

通過對車架尾部的調(diào)整，為確保車架滿足使用要求，有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度；同時(shí)，考慮到車架的用途、配合的造型、發(fā)動(dòng)機(jī)的懸掛、排氣消聲器的方式等方面，進(jìn)行了車架振動(dòng)分析。

2.1建立模型

2.1.1分析依據(jù)

《有限元模型建立規(guī)范》及摩托車響應(yīng)分析規(guī)范。

2.1.2 3D模型

3D模型見圖2。

圖2　摩托車車架3D模型

2.1.3有限元模型

根據(jù)《有限元模型建立規(guī)范》對車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型見圖3，節(jié)點(diǎn)單元數(shù)量見表1。

車架用材料力學(xué)性能參數(shù)見表2。

2.2模態(tài)分析

2.2.1自由模態(tài)分析

計(jì)算該車架安裝發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的自由模態(tài)。模態(tài)分析結(jié)果模態(tài)振型及固有頻率分別見表3，圖4。

2.2.2小結(jié)

圖3　摩托車有限元模型

表1　有限元模型信息參數(shù)表

表2　車架用材料力學(xué)性能參數(shù)表

表3　 GN125車架自由模態(tài)分析結(jié)果

1）前2階振型在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)會(huì)激發(fā)這些振型，引起共振；建議提高前2階固有頻率。

2）前2階模態(tài)振型可以看出，其變形主要在車架后部，其改進(jìn)可集中在車架中后部。

2.3結(jié)構(gòu)改進(jìn)

加強(qiáng)應(yīng)變能薄弱部位結(jié)構(gòu)剛度，提高車架固有頻率，改進(jìn)結(jié)構(gòu)見圖5，同時(shí)手把添加質(zhì)量為240 g的平衡塊。

對車架進(jìn)行自由模態(tài)分析，改進(jìn)前后車架固有頻率對比見表4；前三階模態(tài)振型見圖6。

2.4頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)是計(jì)算在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。進(jìn)行頻率響應(yīng)分析對車架等部件進(jìn)行振動(dòng)仿真，對振動(dòng)舒適性進(jìn)行預(yù)測。

圖4　車架帶發(fā)動(dòng)機(jī)振型圖

圖5　車架改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖

表4　 GN125車架（帶發(fā)動(dòng)機(jī)）改進(jìn)前后自由模態(tài)分析結(jié)果

圖6　車架改進(jìn)后振型圖

2.4.1添加邊界條件

頻率響應(yīng)分析所需載荷，包括發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、行駛路面激勵(lì)。而發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)包括了氣缸爆發(fā)壓力、活塞-曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)慣性力及離心慣性力。這里我們只考慮發(fā)動(dòng)機(jī)活塞-曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力激勵(lì)對整車振動(dòng)的影響。忽略整車所受其他激勵(lì)的影響。模型見圖7。

圖7　車架施加的邊界約束條件

邊界約束條件：約束前輪軸中心除水平方向（X向）移動(dòng)以外的其他5個(gè)自由度、約束后輪軸兩端除輪軸向（Z向）轉(zhuǎn)動(dòng)以外的其他5個(gè)自由度。

圖8　發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)幅值曲線及對應(yīng)的相位角曲線

施加載荷：發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)幅值曲線及對應(yīng)的相位角曲線見圖8。通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)幅值曲線和相位角曲線，對車架施加相應(yīng)的載荷，以滿足測試要求。

載荷施加位置：發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镕Z，水平方向FX。

2.4.2測點(diǎn)布置

考慮到摩托車騎乘人員主觀感受，手把、座墊、左右擱腳部位為振動(dòng)敏感部位，測點(diǎn)布置見圖9。

圖9　測點(diǎn)布置圖

2.4.3結(jié)果對比

結(jié)果分析采用MSC.Nastran求解器進(jìn)行求解，以下結(jié)果是手把、座墊及腳蹬部位測點(diǎn)在頻域下的加速度曲線。

以下曲線是改進(jìn)前后各測點(diǎn)在頻域下加速度曲線對比情況，如圖10所示。

3結(jié)果分析

通過響應(yīng)分析對振動(dòng)預(yù)測：

1）在7200 r/min以下改進(jìn)后的振動(dòng)有一定降低，而且振動(dòng)是均勻上升，波動(dòng)少，但減低的幅度不夠大。

2）手把振動(dòng)減低較明顯。

4分析改進(jìn)

1）采用手把平衡塊的質(zhì)量大于240g；將采用如圖11的方向把平衡塊兩件（約280 g/件）進(jìn)行整車裝配。

2）對車架中部上連接管壁厚進(jìn)行改進(jìn)。

5　結(jié)論

1）通過有限元模型分析，模擬手把振動(dòng)頻率，其測點(diǎn)振動(dòng)在增加重量后有明顯的降低；腳蹬位置也有一定程度下降。

2）利用有限元分析和摩托車響應(yīng)分析方法，可以有效了解到車架及相應(yīng)關(guān)聯(lián)敏感部位的振動(dòng)頻率，并能有針對性地優(yōu)先對測試點(diǎn)進(jìn)行整改，以滿足整車的舒適性。

圖10　改進(jìn)前后各測點(diǎn)在頻域下加速度曲線對比

圖11　方向把平衡塊稱重

模擬試驗(yàn)對開展摩托車有限元分析設(shè)計(jì)具有一定參考意義，同時(shí)還應(yīng)開展大量試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，以不斷完善車架結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及參考。

參考文獻(xiàn)

1毛睿甜，石曉輝．LX－200型摩托車車架的模態(tài)特性分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，（7）：40-42

2李加慶，劉華民，黃文棟．摩托車振動(dòng)舒適性客觀評價(jià)試驗(yàn)方法研究[J]．小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2014，43（5）：34-36

3李加慶.摩托車振動(dòng)舒適性測試系統(tǒng)搭建及應(yīng)用[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2014，43（3）：77-81

Improvement Analysis based on the
Motorcycle Frame Structure

Yang Jianfeng1，Xiong Zhaoxiang1，Ge Weijing2
1- Jiangmen Qipai Motorcycle Co.，Ltd.（Jiangmen，Guangdong，529141，China）
2- Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute

Abstract：The structure analysis of some model's frame is carried out in the process of development. Through the finite element model analysis, the weak position of the frame was found out，and improved. Finally，the improvement was verified through the test analysis. This can provide a train of thought for the future development of the same type of frame.

Keywords：Motorcycle，F(xiàn)rame structure，Improvement analysis

收稿日期：（2015-05-04）

文章編號：2095-8234（2015）03-0063-05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U463.32

作者簡介：楊劍鋒（1979-），男，技術(shù)中心主任，主要從事摩托車整車及發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)。