摩托車車架結構輕量化設計研究

摘 要：作為摩托車的重要組成部分，車架除了承載發動機、塑膠件、電裝部分外，還連接著整車的前后懸吊系統及傳動系統，并在行駛時承受外部激勵，所以它對摩托車的整體性能至關重要。為了降低摩托車企業的生產成本，提高企業的競爭力，對摩托車的車架結構進行研究，因此輕量化其結構設計就變得尤為重要。

關鍵詞：車架結構；輕量化；摩托車

隨著摩托車工藝的不斷發展，對材料和結構強度的要求也越來 越高。車架是摩托車的重要部件，只有具備足夠強度、剛度的車架才能很好的連接個支撐部件。在車架結構設計的過程中，已經綜合運用了有限元、動態設計等計算機分析、預測以及模擬技術，可以在滿足強度約束的情況下優化車架結構設計。

1 基礎知識及模型建立

摩托車車架必須經過振動試驗臺的測試，在分析車架在振動試驗臺的邊界條件及激勵載荷時，需要了解一些彈性力學的相關基礎知識。彈性力學研究物體在外力作用下的變形及內力，對車架結構設計有重要的作用。

在彈性力學中常用的物理量有外力、應力、應變以及位移等[1]。作用于摩托車的外力主要有表面力以及體力兩種：表面力是諸如接觸力等作用于摩托車車架表面的外力；體力是分布在摩托車車架整個體積上的外力，比如重力。應力能夠描述摩托車車架的受力狀態，應變說明了車架的變形程度，位移描述車架變形后的位置。一般而言，車架上不同的點有不同的應力，所以應力分量與車架上各點的位置坐標有關；車架表面在受到外力作用時，其尺寸和形狀會發生變化，車架表面各點的應變分量和位移分量滿足柯西方程。

在眾多振動試驗臺中，凸輪式機械振動臺相對簡單并且可靠，而且承載能力較大，所以在進行車架振動試驗臺激勵計算時以凸輪式機械振動臺為主。對凸輪式機械振動臺而言，其運動部分的唯一受多個因素影響，這些因素包括曲軸臂長、凹輪偏心量等[2]；激振力隨運動部分的質量而變化。在使車架配重平衡的情況下，借助夾具將車架的前后輪轂中心固定，然后利用凸輪式機械振動臺的旋轉運動產生周期性的垂直激振力，這樣能夠讓前后輪轂上下振動，實驗數據顯示前后輪轂頻率均為2.5Hz，振幅均為30mm。在不考慮凸輪式機械振動臺工作時因為工件的剛性碰撞產生的波形失真，可以得到偏心凸輪產生的強迫位移，以此求出車架前后輪轂中心處的激勵值。實驗證明前后輪轂中心的振動加速度大小只受到偏心距影響，而和偏心輪的大小并無關聯。

車架主要是由各種截面的鋼管件焊接成的，在建立車架結構模型前，可以略去一些附在車架上的非承載件、孔洞以建立一個簡單的幾何實體三維模型，然后將此三維模型導入HyperMesh。HyperMesh能夠對三維模型進行幾何清理，并修補抽取中面的車架拓撲結構，建模過程中，主要會做如下處理[3]：（1）簡化非受力及不重要的部件，以此在不使受力失真的情況下減少計算量；（2）為避免復雜的焊縫操作，不單獨使用焊接單元，而是將焊接單元節點選擇在焊縫上，以保證可以得到連續的變形。

2 車架的靜態強度分析及瞬態響應分析

在用有限元方法進行靜力分析的過程中，一般會涉及到幾個方面[4]：（1）利用離散化結構建立模型。作為結構力學模型的一種近似計算，有限元方法的計算模型基礎就是結構化的離散模型，這種模型將車架表面一定數量的有限節點連接起來，由于包含的自由度個數是有限的，因此可以使用矩陣方法進行計算。（2）作用在車架單元上的表面力和體積力載荷，需要按照力等效的原則向結點移置。（3）整體分析的過程涉及到兩步：首先利用所有單元的剛度方程得到整個車架結構的剛度方程；二是把每個單元上的等效結點力列陣集合為總的載荷列陣。

摩托車車架受到的靜載荷主要取決于車架上的負載質量，車架自身的重量被以均布載荷或集中式的方式加載到相應位置，并約束了車架前后輪轂中心不同方向的自由度。車架靜強度分析的有限元模型如圖1所示。

車架整體應力的分布區域是護板支架、邊管焊接位置、后加強管和后平叉等處。由于靜載下車架的應變是一種彈性變形，所以根據第四強度理論可以知道壓力最大值位于護板支架處。在車架所有的位移中，由于尾管壁厚相對比較小的原因，其位移最大；主梁管以及前立管的壁厚比尾管要大，加之前三角加強板的支撐，使得前立管和主梁管的位移比較小。整體而言，尾管和主梁管處受到的壓力較小，但邊管處分布不均勻的壓力會導致材料利用不合理的情況。

對車架進行瞬態響應分析要用到結構動力學的理論基礎，動力學問題的有限元法將車架離散化為有限個單元，在對每個單元進行剛度分析、阻尼計算等分析后，再將所有單元的特性矩陣組合起來，得到最終的結構動力學方程。在對車架進行瞬態動力學分析后，可以知道車架的最大壓力一般重復出現在護板支架焊接處、踏板配重和后平叉等位置；當車架不同位置的壓力分布不均勻的時候，不同部件的不佳匹配會致使車架壓力出現在上述位置，因此還存在一定的優化空間。

3 車架結構的優化設計

車架結構的優化設計本質上是將工程問題轉換為數學問題，求得最優解后，將工程問題歸結為自變量的優化問題。作為一種連續體，車架的優化類型可以分為形狀優化、尺寸優化以及拓撲優化。

尺寸優化是在拓撲和形狀保持不變的情況下找到截面尺寸和材料性能的最佳組合，尺寸優化方式可以優化材料屬性、板的尺寸等參數；形狀優化指的是車架的拓撲機構不變時得到最優的幾何形狀及邊界；拓撲優化的目的是在連續區域中尋找承受載荷物體的最佳的材料分配方案。

結構優化設計過程中會涉及到目標函數、約束條件以及設計變量這三個要素。設計變量可以描述車架設計中的一些獨立變量，不論這些變量是連續的還是離散的；約束條件規定了車架結構設計過程中的應力、位移以及臨界載荷等變量的要求；目標函數是車架結構設計的最優方案。

為了減輕重量、降低成本，在進行車架結構優化時，可以盡量保證其整體結構尺寸、裝配尺寸等不變化，以更好地匹配塑性件能與優化后車架。優化之初，先選擇車架各部件的壁厚作為設計變量，并以車架的質量（體積）作為目標函數；這一優化過程的約束條件是在得到目標函數最優解的情況下保證車架強度滿足要求，可以運用靜載條件下的應力作為約束條件。在不斷優化過程中，車架質量在6 次迭代后達到收斂，質量得到有效減輕。

參考文獻

[1]林昌華，茍曉明，程明.基于OptiStruct的摩托車車架結構優化[J].機械強度，2014，06.

作者簡介：黃銳（1985，9-），男，福建省廈門市人，學歷：大學本科，研究方向：摩托車機械設計。