摩托車車架振動特性分析

韓林山，周志強，王鑫

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摩托車車架振動特性分析

韓林山，周志強，王鑫

（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450000）

文章應用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。通過模態分析，得到該車架的前200HZ固有頻率和相應的振型。通過與路面激勵頻率和發動機不同工況下的激勵頻率比較，得出該車架不會發生共振的結論，滿足設計的要求。

摩托車車架；有限元分析；模態分析

前言

車架是摩托車的骨架，通過它把發動機、傳動裝置、操縱制動裝置、電氣儀表等各部分組成一個有機的整體。車架不僅要承受來自整車、駕駛員、副駕駛員和貨物的重量，還要承受來自發動機的振動和行駛過程中來自路面的各種動載荷的作用。現代車架設計已發展到包括有限元法、優化設計、動態設計等在內的計算機分析、預測和模擬階段[1]。通過有限元分析可以有效發現車架潛在的缺陷，根據分析的結果可以進一步對車架結構性能的提高做指導。文中應用Hyper Mesh與ANSYS對某型號大型摩托車車架進行分析。

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構。而且其截面尺寸，包括直徑，壁厚與構件長度相比很小，因此非常適于選用空間的板殼單元來離散車架結構[2]。根據廠家提供的圖紙，運用CATIA通過特征點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系裝配在一起，如圖1所示。

HyperMesh可以直接導入CATIA生成的product文件，在劃分網格之前需要對導入的模型進行仔細的檢查，并修復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，因此需要建立多個組件集來存放不同厚度的零件，并定義相應的厚度及方向。該摩托車車架的材料為Q235鋼，其材料力學特性如下表1。

圖1 三維模型圖

表1 Q235材料力學特性參數表

車架由各部件通過焊接有機連接在一起，文中采用共節點和剛性連接的方法來模擬各零部件之間關系。由于發動機的剛度較大，實際變形很小，因此不能忽略發動機對車架的影響。文中通過在發動機質心位置創建mass單元并賦予相應的質量，與各發動機安裝孔通過rbe2單元來連接來模擬發動機。網格劃分完成后，共有45252個單元、45171個節點。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2 車架模態分析

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，而車架的振動主要來源于路面的激勵和發動機的激勵[3]。當路面的激勵頻率和某一工況下發動機的激勵頻率與車架的固有頻率接近或重合時就會出現共振的情況。當出現共振時不僅振動加劇，而且對車架各零部件都會帶來極壞的影響。因此在設計車架時，應使車架固有頻率與路面在不同工況下發動機的激勵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分析來求解。文中采用的是自由模態分析，根據理論知識可知前六階固有模態表現為剛性，故不考慮。文中從第七階模態開始研究，并以其作為第一階模態，后面的模態依次類推。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。

在一階模態時，振型為后座椅前部的左右擺動。振型如圖3：

圖3 車架一階振型

在二階模態時，振型為后座椅的繞著后座椅軸孔做俯仰運動。振型如圖4：

圖4 車架二階振型

在三階模態時，振型為后座椅圍繞后座椅軸線左右扭轉運動。振型如圖5：

圖5 車架三階振型

在四階模態時，振型為車架后下部左右相向擺動。振型如圖6：

圖6 車架四階振型

在五階模態時，振型為車架在左右對稱面的扭轉。振型如圖7：

圖7 車架五階振型

在六階模態時，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

在七階模態時，繞著左右對稱面的彎曲，同時還伴隨著繞左右對稱面小幅度的扭轉。振型如圖9：

圖9 車架七階振型

該摩托車采用的是春風直列雙缸四沖程發動機，怠速轉速為1400r/min，發動機常用轉速為4000-6000r/min。發動機激勵頻率的計算公式=2/60。式中，z為發動機的缸數，n為發動機的轉速，τ為發動機的沖程數[4]。通過公式可以計算出怠速時的激勵頻率為23.3Hz，發動機常用轉速段的激勵頻率為66.6-100Hz。

把計算結果與車架固有頻率進行比較，得出以下結論：①怠速情況下發動機的激勵頻率小于車架一階固有頻率；②發動機在常用轉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。因此該車架不會出現振動加劇的現象，符合車架的設計要求。

4 結論

文章對特定車架進行了有限元建模和模態分析。通過模態分可以看出，前三階模態的振型都是發生在車架的后座椅的位置，是因為后座椅采用的是懸臂的設計，減低了車架整體的固有頻率。通過與發動機怠速、常用轉速和路面的激勵頻率相比較，不會引起車架共振，證明該車架滿足設計的要求。

[1] 黃劍鳴,雷剛,陳松.摩托車車架結構動力優化設計[J].現代制造工程,2010,18(1):119-122.

[2] 顏長征.摩托車車架設計技術研究[D].重慶大學,2008.

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

[4] 張志弘,何玉林,杜靜,孫學軍.摩托車車架動態性能優化設計的研究[J].工程圖學學報,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：機械設計及理論，就職于華北水利水電大學機械學院。周志強（1994-），男，碩士，研究方向：機械設計及理論。王鑫（1989-），男，碩士，研究方向：機械設計及理論。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.033