電動自行車結構強度影響因素分析

曲曉偉 張鈺

摘 要：為了對電動自行車車架進行結構改進，并分析其結構強度的影響因素，對企業提供的兩款電動自行車車架進行了三維實體建模；進行人體動作捕捉、人體生物力學建模及騎行仿真試驗，獲得了騎行過程中施加于電動自行車車架的載荷；以所獲載荷對電動車車架進行加載，對車架的ANSYS有限元進行分析，從而校核了車架疲勞強度及靜強度，然后在此基礎上對電動車車架結構進行了改進，并分析了電動自行車車架強度的影響因素。該結構改進提高了材料的使用效率，并保證了電動車車架的結構強度。

關鍵詞：電動自行車；鎂合金；車架；人體生物力學；有限元分析

1 引言

高強度、輕量化已經成為當前車輛設計中的主題之一，但結構輕量化對車輛強度和剛度將產生重要的影響，所以在這兩個方面需要協調處理。目前，優化技術已應用于結構設計的初始階段，而不是僅憑經驗來設計或改造結構。結構優化設計中有拓撲優化以及形狀和尺寸優化。另外，采用高強度的輕金屬來大幅度減輕結構質量。由于鎂合金具有質量輕、強度高的優良性能，廣泛應用于航空航天、汽車工業、通訊電子等領域。近年來，自行車已越來越多地使用鎂合金構件，取得了很好的效果。

2 車架三維造型

電動自行車外形結構各式各樣，但其基本結構組成大致相同。由于電動自行車的強度主要是指車架強度，所以只對其車架進行造型分析。文中涉及兩款公路電動自行車車架，其中一款是26寸女車，另一款是普通款式的電動自行車。兩款電動自行車均采用鎂合金材料，屈服極限為200MPa，斷后伸長率15%，氬弧焊接，焊接后焊口強度是母材強度的93%。焊接完成后做退火處理，退火溫度210℃，退火時間3h。兩款車型車架均包含前叉、前管、中管、立管、后叉、貨架、電池安置處等組成部分。

3 騎行載荷的獲取

3.1 人體騎行姿態捕捉

動作捕捉技術現廣泛應用于理療康復、步態分析、電影藝術、計算機、機器人控制等領域，該技術采用光學、聲學、電磁學或機械的方式對運動物體的運動數據進行精確采集，為相關運動的研究提供了可靠的基礎。為了建立與實際相吻合的人-自行車動力學模型，從而能夠準確獲取騎行者的騎行載荷，首先需要獲取騎行者的精確騎行姿態。文中使用美國Motion公司提供的動作捕捉與分析系統進行騎行數據獲取。該系統硬件部分包括光學數字運動捕捉鏡頭6個（含：Eagle鏡頭1個，Eagle-4鏡頭5個）、Marker標記點20個、EagleHub連接器1個，用于采集合理粘貼在騎行者身體上的20個標記點的光學數據信息，以準確反應騎行者姿態；軟件部分為Cortex軟件，用于實現在硬件采集數據的同時，顯示人體標記點的運動，并記錄標記點的運動數據。試驗選取一位年齡25歲，身高170cm，體質量55kg的男性作為騎行者。

3.2 人體建模與ADAMS仿真

為了與騎行試驗所獲數據相匹配，使建立的人體模型與騎行者數據相一致，其身高設定為170cm，體質量設定為55kg。將建好的人體模型與電動自行車模型進行耦合，并在ADAMS與LifeMOD環境中進行仿真。其主要步驟包括：（1）調整曲柄與腳蹬的位置，使手與車把、臀部與車座、腳與腳蹬之間接觸；（2）在上述3個地方設立彈性襯套，模擬實際接觸條件；（3）利用動作捕捉所獲數據進行反向動力學仿真，以使人體模型記錄運動過程中肌肉、關節等包含的數據；（4）以上一步記錄的數據為驅動，進行正向動力學仿真。

4 優化設計

4.1 拓撲優化

強度分析表明，立管與U形管連接處的應力未達到材料的屈服強度，但仍遠高于其它部位。為了減小應力集中，采用拓撲優化方法對主框架結構進行重新設計。將底盤管的周邊部分作為最優設計區域，采用殼單元建立模型，并應用載荷和邊界條件。設計目標是最大結構剛度，約束條件是優化后體積的0.25倍。根據拓撲優化的結果，45根厚度為1.5mm的鋼管仍然焊接，質量4.4Kg略小于原來的結構。對新設計的車架進行了有限元分析。荷載和邊界條件與原框架相同。最大等效應力仍位于提升管與U管的交界處，但位置從提升管內部轉移到外側，其值減小到212MPa，比原來的結構低22.6%，載荷最大位移。點為5.4mm。新結構的第一固有頻率為1138Hz，比原結構高133%，并且第一模態的振動模式也從原來的橫向擺動改變為縱向彎曲。

4.2 靜強度校核

根據仿真結果，取騎行過程中前輪轉過1圈為1周期，將這個周期內車架所受載荷分布加載，進行靜強度校核。其中，車架中軸與鞍座所受分布載荷前叉處受力不變。疲勞強度校核時，車架應力最大值為26.831MPa，且該最大應力值出現在后叉與鞍管的結合處及后叉結合處，因為接口處為焊接處理，且焊接處的強度為母材強度的93%，所以77.1MPa×0.93=71.7MPa，26.831MPa遠遠小于疲勞許用應力71.7MPa。在靜強度校核時，最大應力為79.17MPa，133.3MPa×0.93=123.9MPa，79.17MPa小于屈服許用應力123.9MPa，說明原有普通車型車架符合強度要求。

5 結束語

在車架強度滿足的前提下減小壁厚或管徑可以提高材料使用效率，降低車架的質量。就文中涉及的兩種車型而言，在滿足強度條件的基礎上，普通車型車架質量降低43.65%，女車車架質量降低4%；在車架強度足夠的前提下使用鎂合金等輕質材料可以大大減輕車架的質量，文中所用材料為鎂合金，分別比鋼和鋁合金節省質量減輕78.31%和34.44%；電池的不同擺放位置在一定程度上影響車架強度，普通車型的車架強度為電池擺放在前管處較好，女車車架強度則為電池擺放在原來位置處較好。

參考文獻：

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