基于摩托車車架結構的改進分析

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 -天津內燃機研究所）

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基于摩托車車架結構的改進分析

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-天津內燃機研究所）

摘要：研究了某款車型的車架在開發過程中的結構特征。通過有限元模型分析找出車架薄弱位置，并加以整改，最后通過試驗分析進行驗證。為以后同類型的車架開發提供了思路。

關鍵詞：摩托車車架結構改進分析

引言

摩托車作為現代生活的常用交通工具，人們不僅僅關注它的實用性，同時也關注它的舒適性、美觀性和穩定性。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分析，對車架進行數據模擬驗證，并針對車架結構進行調整，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鍵部件，其主要功能不僅是固定及支承車輛的發動機、傳動系統、懸架系統、轉向系統及其它相關零部件，將各總成有機地連結成一個整體，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定性和騎乘舒適性等重要作用，因此可以說它是整個摩托車的脊梁[1-2]。

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

1某款車架結構的調整

根據國內、外市場調研及信息反饋的分析，并結合整車效果的外觀設計要求。其車架的設計在具有足夠的強度和合適的剛度前提下，進行一定程度的結構調整。如圖1a）（CAD圖）和圖1b）（實物圖），虛線圈框的位置為根據要求進行了結構設計和調整。

2車架振動分析

圖1　a）摩托車車架CAD圖

圖1　b）摩托車車架實物圖

通過對車架尾部的調整，為確保車架滿足使用要求，有足夠的強度和合適的剛度；同時，考慮到車架的用途、配合的造型、發動機的懸掛、排氣消聲器的方式等方面，進行了車架振動分析。

2.1建立模型

2.1.1分析依據

《有限元模型建立規范》及摩托車響應分析規范。

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《有限元模型建立規范》對車架進行網格劃分，有限元模型見圖3，節點單元數量見表1。

車架用材料力學性能參數見表2。

2.2模態分析

2.2.1自由模態分析

計算該車架安裝發動機狀態下的自由模態。模態分析結果模態振型及固有頻率分別見表3，圖4。

2.2.2小結

圖3　摩托車有限元模型

表1　有限元模型信息參數表

表2　車架用材料力學性能參數表

表3　 GN125車架自由模態分析結果

1）前2階振型在發動機轉速范圍內，發動機的激勵會激發這些振型，引起共振；建議提高前2階固有頻率。

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

2.3結構改進

加強應變能薄弱部位結構剛度，提高車架固有頻率，改進結構見圖5，同時手把添加質量為240 g的平衡塊。

對車架進行自由模態分析，改進前后車架固有頻率對比見表4；前三階模態振型見圖6。

2.4頻率響應分析

頻率響應是計算在穩態振動激勵下結構動力響應。進行頻率響應分析對車架等部件進行振動仿真，對振動舒適性進行預測。

圖4　車架帶發動機振型圖

圖5　車架改進結構圖

表4　 GN125車架（帶發動機）改進前后自由模態分析結果

圖6　車架改進后振型圖

2.4.1添加邊界條件

頻率響應分析所需載荷，包括發動機激勵、行駛路面激勵。而發動機激勵包括了氣缸爆發壓力、活塞-曲柄連桿機構的往復慣性力及離心慣性力。這里我們只考慮發動機活塞-曲柄連桿機構的慣性力激勵對整車振動的影響。忽略整車所受其他激勵的影響。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）移動以外的其他5個自由度、約束后輪軸兩端除輪軸向（Z向）轉動以外的其他5個自由度。

圖8　發動機激勵幅值曲線及對應的相位角曲線

施加載荷：發動機激勵幅值曲線及對應的相位角曲線見圖8。通過增加發動機激勵幅值曲線和相位角曲線，對車架施加相應的載荷，以滿足測試要求。

載荷施加位置：發動機質心位置，活塞往復運動方向為FZ，水平方向FX。

2.4.2測點布置

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敏感部位，測點布置見圖9。

圖9　測點布置圖

2.4.3結果對比

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

以下曲線是改進前后各測點在頻域下加速度曲線對比情況，如圖10所示。

3結果分析

通過響應分析對振動預測：

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

2）手把振動減低較明顯。

4分析改進

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

2）對車架中部上連接管壁厚進行改進。

5　結論

1）通過有限元模型分析，模擬手把振動頻率，其測點振動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分析方法，可以有效了解到車架及相應關聯敏感部位的振動頻率，并能有針對性地優先對測試點進行整改，以滿足整車的舒適性。

圖10　改進前后各測點在頻域下加速度曲線對比

圖11　方向把平衡塊稱重

模擬試驗對開展摩托車有限元分析設計具有一定參考意義，同時還應開展大量試驗研究，進一步驗證上述結論，以不斷完善車架結構，為設計提供理論依據及參考。

參考文獻

1毛睿甜，石曉輝．LX－200型摩托車車架的模態特性分析[J]．機械設計與制造，2007，（7）：40-42

2李加慶，劉華民，黃文棟．摩托車振動舒適性客觀評價試驗方法研究[J]．小型內燃機與車輛技術，2014，43（5）：34-36

3李加慶.摩托車振動舒適性測試系統搭建及應用[J].小型內燃機與車輛技術，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，Frame structure，Improvement analysis

收稿日期：（2015-05-04）

文章編號：2095-8234（2015）03-0063-05

文獻標識碼：A

中圖分類號：U463.32

作者簡介：楊劍鋒（1979-），男，技術中心主任，主要從事摩托車整車及發動機開發設計。