論摩托車車架結構的優化

摘要：文章以減輕摩托車共振為優化目標，在分析引起摩托車震動原因的基礎上，對摩托車車架進行有限元模型的建立，以及模態分析，通過對車架結構進行動力優化設計，重點是從發動機激勵方面入手，避免和解決一系列引起摩托車共振的問題，提高摩托車的動態性能，以及騎坐的舒適度。

關鍵詞：摩托車；車架結構；優化；有限元模型

中圖分類號：U483 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2012）08-0102-02

作為摩托車的主干，車架的結構狀態從根本上影響著整車力學特性。摩托車在行駛過程中，車架受到發動機運轉時慣性力的激勵作用以及道路接觸面不平度的激勵作用。而摩托車的可操作性、安全性以及舒適性等性能的好壞受到摩托車共振問題的影響，共振是由于車架固有頻率與激勵頻率一致時而產生的現象。減輕甚至是避免摩托車車架發生共振，是解決摩托車共振問題并提高其動態性能的關鍵所在。所以要從摩托車車架綜合分析入手，加強其動態性能研究，分析和發現車架結構動力學上的不足，并通過適當的車架優化設計使車架共振問題得以有效地緩解及解決，從而提升整車動態性能。本文以某125 型跨騎式摩托車為例，在靜態設計的基礎上結合摩托車結構的動態性能特點，通過車架有限元模型的建立以及模態分析，對摩托車車架結構的優化，以緩解其共振問題。

1整車振動評價與方法

引起摩托車共振的原因有兩個，即發動機運轉時產生的振動，以及摩托車與不平整路面接觸產生的振動，后者可以通過特設的避震器來消除。由于人對振動的感知不僅與震動幅度、頻率有關，而且與受振部位以及受振時間有著緊密聯系，本文主要討論通過車架改進設計來減小發動機振動造成的整車振動，當整車振動頻率達到40～100 Hz時，若振幅在0.05～1.3 mm范圍內，該振源將對人體造成比較大影響，此時的騎乘舒適性最差。

作為整車性能評價的關鍵環節，摩托車的騎乘振感評價是以車把手、腳踏以及鞍座三個部位的振動情況作為評價依據。當前較為廣泛采用的摩托車騎乘振感評價方法有兩種。其一是由多位經驗豐富的試車員以低、中、高速行駛，并根據騎乘過程中對上述三個測試點的振動狀況進行感知評分，最后去三者平均值記錄在案，以10分為滿分標準對騎乘振感進行評價。通過評分的方式可以發現，摩托車騎乘振感與車速有關，即騎乘振感主要受發動機轉速，以及發動機和整車共振點的影響。其二是由專業技能扎實的整車評價員先對整車性能進行評價，并利用專業的圖譜采集設備采集整車振動圖譜，使之與對應的同車、同速、同條件的評點一同輸入系統，建立相應的數據庫和試驗作業指導書。而后按指導書的要求在車的相應部位裝上感應器，由整車評價員按要求進行測試檢驗以及收集和整理數據，并以報告的形式留存供評價所用。

2車架有限元模型的建立

該125 型跨騎式摩托車車架是由很多不同尺寸的管板材焊接而成，為了簡便直觀，在對車架建模時省略了某些次要組件。首先通過NX6.0軟件建立車架焊接組件的三維立體模型。而后用MSC.Patran軟件對模型進行有限元前處理，即運用shell單元將車架的焊接部件劃分到有限元網格中。對發動機的處理，將其視為質量集中體的基礎上，建節點于其質心上，通過節點處創建零維集中質量單元；發動機與車架連接處創建MPC多點約束，二者通過桿單元連接起來。對于焊接點的處理，即將該點設為種子點并由此點連接不同片體的單元。最后的有限元模型含有38 231個節點，38 229個殼單元，MPC多點約束10個，32個梁單元，1個集中質量單元，所建立的車架有限元模型如圖1所示。

3車架模態分析

在建立好有限元模型的基礎上，利用MSC.Nastran軟件中Lanczos得到前5階車架的固有頻率和陣型。為驗證結果是否正確，對實際摩托車車架運用力錘單點激勵法進行模態實驗，得到車架前5階的實際固有頻率，具體數據見表1。

由表1數據比較可知，由于離散車架結構和計算忽略阻尼所造成的計算模態和實驗模態的固有頻率存在誤差，其差值不大于百分之十，說明所建有限元模型其較為準確。通常情況下仿真頻率要略大于實驗頻率，且兩頻率差值隨著模態價數的升高而升高。與此同時各階振型相類似，第1階模態振型均為一階彎曲，即最大位移發生在車尾部、頭部和發動機懸掛部位；第2階模態振型均為一階扭轉，即最大位移發生在車頭部、尾架處、坐墊部位，位移較小處為車頭部與發動機懸掛處。

4從車架優化設計著手改善整車振動

作為受力結構最為簡單有效的結構，網架結構因其力學特點以及經濟實用，被廣泛運用于各種設計當中。摩托車車架根據其形態特點可分為跨接式、脊梁式、搖籃式以及彎梁式，根據組件用材可分為板式、管式和管板式。而圓管搖籃式車架構型最為接近網架結構，如圖2所示。此種車架耗資甚低，在滿足車體骨架功能的基礎上，最有助于吸收和減小整車振動。究其原因是其特有的構型可以隔絕和吸收振動，使力和振動散布到四周，使振動的幅度很大程度上的降低。

5車架優化設計實例

圖2搖籃式車架配掛的是OHV發動機，其特點是構型簡單、技術成熟、價格便宜，由于此款發動機氣門開關時間受到頂桿控制搖臂這一特點約束，并且頂桿往復運動產生的較強沖擊力使得整車的振動幅度較大，這使得騎乘振感較強。所以振動是配掛OHV發動機的整車難免遇到的問題。由于市售品牌配掛OHV發動機的車型測試點平均水平在6.5~7分之間，所以優化目標應設為超越平均水平，達到7分以上。

5.1車架構型的選擇

作為摩托車的骨架，車架的好壞直接影響著整車的外觀造型、強度以及騎乘舒適性等等，所以選用既經濟實用、簡單方便，且鋼度和柔度都達到吸收和化解振動要求的圓管搖籃式車架作為基本車架構型。

5.2車架主懸架結構優化設計

實際上車架構型不是決定車架減振性能好壞的唯一關鍵點，發動機附于車架上的主懸架板和前懸架板也是影響因素之一。主懸架板即為發動機后部的兩個懸掛點，研究表明發動機振源位于機身前端，頂桿和連桿往復交錯的運動方式對后懸掛點來說，相當于多了一個懸臂受力結構，這就要求主懸架在滿足發動機裝配要求以及運動節拍的基礎上，設計短力臂，即使主懸掛點與主結構梁距離盡量短，從而提高發動機主懸架穩定性。

懸架根據形態特點可分為吊臂式和組合板式懸架。吊臂式懸架構型簡單、重量輕、價格優，易于配掛結構設計精良，自身振幅小，不需要車架具有強大可靠疲勞強度的高端發動機；而組合板式懸架構型較為復雜、重量大、生產成本高，但由于車架疲勞強度較大，且能有效的削減振動，因此易于配掛構型設計簡單的低端發動機。所以組合板式懸架是配掛OHV發動機車架的最適宜選擇。

5.3車架前懸架板優化設計

車架前懸架板根據組裝結構可分為分片式、整體式兩種。因為發動機的前端部分為機體振心所在，所以對前懸架板的要求很高，其結構關系著車架的減振能力。分片式由獨立分開的兩相對平面組成，其特點是構型簡單、價格低、易安裝，不足的是若配掛穩定性低的發動機，則會加劇整車振動；整體式的兩相對面則是與連板連在一起，雖然構型復雜，價格高，但卻很大程度上增強了其鋼性，結構更為穩固，發動機配掛后其振動可被有效地吸收并散布到周圍。所以懸掛OHV發動機的車架應選用整體式前懸架板。

6優化結果

通過表2可知，優化后模型的模態頻率較原有車架振動頻率有了大幅的提高，摩托車車架剛度得到了很大的提升，抗振能力得到了較大提升，同時大大增強了整車的騎乘舒適度。

7結語

本文在分析引起車架振動的主要原因的基礎上，以某125型跨騎式摩托車為例，對其車架進行了建模分析，優化車架結構，優化后的摩托車車架各階頻率大大提高，達到了優化目的，避免和解決一系列引起的摩托車共振問題，提高摩托車的動態性能，以及騎坐的舒適度。

參考文獻：

[1] 朱才朝，張晉，張偉敏.摩托車車架結構優化[J].汽車工程，2009，(1).

[2] 李漢平.通過車架優化設計減小摩托車整車振動的探討[J].摩托車技術，2010，(8).