韓林山，周志強(qiáng)，王鑫

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摩托車車架振動(dòng)特性分析

韓林山，周志強(qiáng)，王鑫

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450000）

文章應(yīng)用CATIA建立摩托車車架的三維曲面幾何模型。利用HyperMesh與ANSYS建立摩托車車架有限元模型。通過模態(tài)分析，得到該車架的前200HZ固有頻率和相應(yīng)的振型。通過與路面激勵(lì)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的激勵(lì)頻率比較，得出該車架不會(huì)發(fā)生共振的結(jié)論，滿足設(shè)計(jì)的要求。

摩托車車架；有限元分析；模態(tài)分析

前言

車架是摩托車的骨架，通過它把發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、操縱制動(dòng)裝置、電氣儀表等各部分組成一個(gè)有機(jī)的整體。車架不僅要承受來自整車、駕駛員、副駕駛員和貨物的重量，還要承受來自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和行駛過程中來自路面的各種動(dòng)載荷的作用。現(xiàn)代車架設(shè)計(jì)已發(fā)展到包括有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等在內(nèi)的計(jì)算機(jī)分析、預(yù)測(cè)和模擬階段[1]。通過有限元分析可以有效發(fā)現(xiàn)車架潛在的缺陷，根據(jù)分析的結(jié)果可以進(jìn)一步對(duì)車架結(jié)構(gòu)性能的提高做指導(dǎo)。文中應(yīng)用Hyper Mesh與ANSYS對(duì)某型號(hào)大型摩托車車架進(jìn)行分析。

1 摩托車車架的有限元建模

摩托車車架是由截面形狀、尺寸不同的空心鋼管和鈑金件焊接而成的具有一定空間曲率的框架結(jié)構(gòu)。而且其截面尺寸，包括直徑，壁厚與構(gòu)件長度相比很小，因此非常適于選用空間的板殼單元來離散車架結(jié)構(gòu)[2]。根據(jù)廠家提供的圖紙，運(yùn)用CATIA通過特征點(diǎn)和空間樣條曲線建立車架和后叉的中面模型。并在CATIA中，把建立好的車架模型與后叉模型通過裝配關(guān)系裝配在一起，如圖1所示。

HyperMesh可以直接導(dǎo)入CATIA生成的product文件，在劃分網(wǎng)格之前需要對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行仔細(xì)的檢查，并修復(fù)一些穿透而引起的幾何缺陷。摩托車車架是由厚度不同的部件組成，因此需要建立多個(gè)組件集來存放不同厚度的零件，并定義相應(yīng)的厚度及方向。該摩托車車架的材料為Q235鋼，其材料力學(xué)特性如下表1。

圖1 三維模型圖

表1 Q235材料力學(xué)特性參數(shù)表

車架由各部件通過焊接有機(jī)連接在一起，文中采用共節(jié)點(diǎn)和剛性連接的方法來模擬各零部件之間關(guān)系。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的剛度較大，實(shí)際變形很小，因此不能忽略發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車架的影響。文中通過在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置創(chuàng)建mass單元并賦予相應(yīng)的質(zhì)量，與各發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔通過rbe2單元來連接來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)。網(wǎng)格劃分完成后，共有45252個(gè)單元、45171個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2 車架模態(tài)分析

表2 車架前200HZ的固有頻率

摩托車行駛過程中乘員的舒適性與摩托車車架的固有頻率密切相關(guān)，而車架的振動(dòng)主要來源于路面的激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)[3]。當(dāng)路面的激勵(lì)頻率和某一工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率與車架的固有頻率接近或重合時(shí)就會(huì)出現(xiàn)共振的情況。當(dāng)出現(xiàn)共振時(shí)不僅振動(dòng)加劇，而且對(duì)車架各零部件都會(huì)帶來極壞的影響。因此在設(shè)計(jì)車架時(shí)，應(yīng)使車架固有頻率與路面在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率保持一定的距離。

尋找車架的固有頻率和振型的最好辦法是通過模態(tài)分析來求解。文中采用的是自由模態(tài)分析，根據(jù)理論知識(shí)可知前六階固有模態(tài)表現(xiàn)為剛性，故不考慮。文中從第七階模態(tài)開始研究，并以其作為第一階模態(tài)，后面的模態(tài)依次類推。限于篇幅本文列出了前200Hz的固有頻率和部分振型，固有頻率如下表2。

在一階模態(tài)時(shí)，振型為后座椅前部的左右擺動(dòng)。振型如圖3：

圖3 車架一階振型

在二階模態(tài)時(shí)，振型為后座椅的繞著后座椅軸孔做俯仰運(yùn)動(dòng)。振型如圖4：

圖4 車架二階振型

在三階模態(tài)時(shí)，振型為后座椅圍繞后座椅軸線左右扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。振型如圖5：

圖5 車架三階振型

在四階模態(tài)時(shí)，振型為車架后下部左右相向擺動(dòng)。振型如圖6：

圖6 車架四階振型

在五階模態(tài)時(shí)，振型為車架在左右對(duì)稱面的扭轉(zhuǎn)。振型如圖7：

圖7 車架五階振型

在六階模態(tài)時(shí)，振型為后座椅中前部的上下。振型如圖8：

圖8 車架六階振型

在七階模態(tài)時(shí)，繞著左右對(duì)稱面的彎曲，同時(shí)還伴隨著繞左右對(duì)稱面小幅度的扭轉(zhuǎn)。振型如圖9：

圖9 車架七階振型

該摩托車采用的是春風(fēng)直列雙缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為1400r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速為4000-6000r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率的計(jì)算公式=2/60。式中，z為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)，n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，τ為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù)[4]。通過公式可以計(jì)算出怠速時(shí)的激勵(lì)頻率為23.3Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速段的激勵(lì)頻率為66.6-100Hz。

把計(jì)算結(jié)果與車架固有頻率進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：①怠速情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率小于車架一階固有頻率；②發(fā)動(dòng)機(jī)在常用轉(zhuǎn)速情況的頻率在車架的第三階和第四階固有頻率之間；③路面激勵(lì)頻率一般不超過30HZ，小于車架第一階固有頻率。因此該車架不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)加劇的現(xiàn)象，符合車架的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

文章對(duì)特定車架進(jìn)行了有限元建模和模態(tài)分析。通過模態(tài)分可以看出，前三階模態(tài)的振型都是發(fā)生在車架的后座椅的位置，是因?yàn)楹笞尾捎玫氖菓冶鄣脑O(shè)計(jì)，減低了車架整體的固有頻率。通過與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、常用轉(zhuǎn)速和路面的激勵(lì)頻率相比較，不會(huì)引起車架共振，證明該車架滿足設(shè)計(jì)的要求。

[1] 黃劍鳴,雷剛,陳松.摩托車車架結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程,2010,18(1):119-122.

[2] 顏長征.摩托車車架設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].重慶大學(xué),2008.

[3] 熊鋒.摩托車車架多軸向多激勵(lì)道路模擬試驗(yàn)方法研究[D].重慶理工大學(xué),2015.

[4] 張志弘,何玉林,杜靜,孫學(xué)軍.摩托車車架動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2006,12(3):12-17.

Analysis of Vibration Characteristics of Motorcycle Frame

Han Linshan, Zhou Zhiqiang, Wang Xin

( North China Water Conservancy University Mechanical College, Henan Zhengzhou 450000 )

This article uses CATIA to establish a three-dimensional surface geometry model of a motorcycle frame. The finite element model of the motorcycle frame was established by using HyperMesh and ANSYS, and the modal analysis were carried out and the front 200 HZ natural frequency and corresponding mode shape charts of the frame were obtained. By comparing with the excitation frequency of the road surface and the excitation frequency under different operating conditions of the engine, it is concluded that the frame does not resonate and meet the design requirements.

motorcycle frame; finite element analysis; mode analysis

A

1671-7988(2018)22-95-03

TH218

A

1671-7988(2018)22-95-03

TH218

韓林山（1964-），男，博士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，就職于華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院。周志強(qiáng)（1994-），男，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。王鑫（1989-），男，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.033