正三輪摩托車車架力學性能研究

何亞峰，尹飛鴻，干為民，2

(1．常州工學院機電工程學院，江蘇常州 213002)

(2．江蘇省數(shù)字化電化學加工重點實驗室，江蘇常州 213002)

正三輪摩托車由于運輸方便、價格低和容易操作等特點，被廣泛應用于城鄉(xiāng)運輸行業(yè)中。其車架是重要的結(jié)構(gòu)承載部件，它將發(fā)動機、傳動部分、操縱部分和行車部分的部件緊密地聯(lián)結(jié)在一起，從而保證行車的安全性和舒適性。由于正三輪摩托車多用于較差的路況，且隨機振動大，因此對正三輪摩托車車架的設(shè)計提出了更高的要求。多年來許多學者做了大量的研究，王晶等人利用ANSYS Workbench軟件對某三輪摩托車車架進行了動靜態(tài)有限元仿真計算［1］;王志明等人利用MSC．Patran/Nastran建立以板單元為基本單元的車架有限元模型，進行了車架應力和模態(tài)分析［2］。然而不同的正三輪摩托車車架承受載荷和使用路況不盡相同，因而需要在設(shè)計中預先評估車架的使用性能，保證用戶使用的可靠性。

1 正三輪摩托車車架有限元模型的建立

1．1 正三輪摩托車車架材料屬性

本文利用ABAQUS有限元軟件對正三輪摩托車車架進行力學計算，車架材料為Q235，密度為7．85 ×10－9t/mm3，泊松比為 0．3，材料的屈服強度為235MPa。分析中采用線彈性材料，考慮到正三輪摩托車車架安全問題，因而彈性模量選取最小值(1．96 ×105MPa)。

1．2 正三輪摩托車車架有限元網(wǎng)格劃分

采用四面體單元，對正三輪摩托車車架進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分數(shù)量為248160單元，其網(wǎng)格質(zhì)量能夠保證計算精度，劃分后的正三輪摩托車車架如圖1所示。

圖1 正三輪摩托車車架有限元網(wǎng)格

1．3 正三輪摩托車車架載荷

根據(jù)正三輪摩托車相關(guān)設(shè)計要求，正三輪摩托車最大總質(zhì)量為690kg，車廂質(zhì)量為100kg，乘員質(zhì)量為75kg，發(fā)動機質(zhì)量為35kg，油箱(油)總成質(zhì)量為9kg。

國家相關(guān)試驗車載標準載荷為:A級路面動載荷系數(shù)為1．12～1．19;B級路面動載荷系數(shù)為1．23 ～1．38;C 級路面動載荷系數(shù)為 1．48 ～1．76;D級路面動載荷系數(shù)為2．00～2．52。

考慮到正三輪摩托車車架使用安全性能，根據(jù)所建立模型和實際工況要求按照D級路面動載荷最大系數(shù)2．52進行最大工況加載計算，車架載荷施加如圖2所示。

1．4 正三輪摩托車車架工況及邊界處理

a．車架彎曲工況。

主要考慮正三輪摩托車滿載狀態(tài)下靜止或在良好路面上勻速直線行駛時應力分布和變形情況。

邊界處理:前立管、板簧連接部位的6個自由度全部約束。

圖2 正三輪摩托車車架載荷施加

b．車架緊急制動工況。

主要考慮正三輪摩托車以規(guī)定最大制動加速度制動時，地面制動力對車架的影響。根據(jù)制動力計算公式，正三輪摩托車前輪最大制動力Ff=FZ1×φ =155×9．8 ×0．75=1139．25N，其中 FZ1為前輪軸荷分配重力，φ為附著系數(shù);正三輪摩托車兩后輪最大制動力Fr=FZ2×φ =535×9．8×0．75=3932．25N，其中FZ2為后輪軸荷分配重力。

邊界處理:前立管、板簧連接部位的6個自由度全部約束，在正三輪摩托車行駛方向上的前后車輪附加相應的1139．25N和3932．25N制動力。

c．車架急轉(zhuǎn)彎工況。

主要考慮正三輪摩托車以安全轉(zhuǎn)彎速度行駛時慣性力對車架的影響。根據(jù)正三輪摩托車安全轉(zhuǎn)彎半徑的測量方法，獲得該車的轉(zhuǎn)彎半徑為3 130mm;根據(jù)正三輪摩托車安全轉(zhuǎn)彎速度規(guī)定，正三輪摩托車安全轉(zhuǎn)彎速度為10km/h，根據(jù)公式v=rω，可得轉(zhuǎn)彎角速度為0．887 5rad/s。

邊界處理:前立管、板簧連接部位的6個自由度全部約束，在轉(zhuǎn)彎方向上施加轉(zhuǎn)彎角速度為0．887 5rad/s。

d．車架扭轉(zhuǎn)工況。

主要考慮將一側(cè)車輪懸空時扭矩對車架的影響。

邊界處理:刪除車架懸空輪垂直于地面方向上的約束。

2 正三輪摩托車車架4種工況計算結(jié)果

2．1 正三輪摩托車車架4種工況下MISE分布

圖3所示是正三輪摩托車車架在4種工況下，經(jīng)4種不同邊界處理所得到的車架MISE分布。從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)中可以看出車架處于4種工況下的MISE分布趨勢基本一致，MISE分布不均勻，最大值基本集中在車架連接車輪處的位置，分別為 121．2MPa、138．0MPa、138．5 MPa、216．3MPa，4 種工況的最大值均小于車架材料屈服強度235MPa，因而正三輪摩托車車架結(jié)構(gòu)強度符合要求。

圖3 正三輪摩托車車架4種不同工況MISE分布

2．2 正三輪摩托車車架4種工況下總變形量分布

圖4所示是正三輪摩托車車架在4種工況下，經(jīng)4種不同邊界處理所得到的車架總變形量分布。從圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中可以看出車架處于彎曲工況、緊急制動工況和急轉(zhuǎn)彎工況下總變形量分布趨勢大致相同，其最大變形量值分別為0．718 2mm、0．718 9mm、0．718 7mm，從圖4(d)中可以看出車架處于扭轉(zhuǎn)工況下的總變形量分布不均勻，其最大變形量值為3．801 0mm。因而在車架設(shè)計中需要重點考慮扭轉(zhuǎn)工況下車架變形的狀況。

圖4 正三輪摩托車車架4種不同工況總變形量分布

3 三輪摩托車車架模態(tài)分析

正三輪摩托車大多使用在鄉(xiāng)間道路，具有路況差、振動大等特點，因而正三輪摩托車車架在設(shè)計中必須考慮頻率與振幅問題，以保證正三輪摩托車車架的使用性能和舒適性。

正三輪摩托車車架運動微分方程為:

式中:［M］為質(zhì)量矩陣;［C］為阻尼矩陣;［K］為剛度矩陣;{}為N維加速度響應向量;{}為N維速度響應向量;{X}為N維位移響應向量;{f(t)}為N維激振力向量。

在不考慮阻尼和外載的情況下，［C］=0，{f(t)}=0，則式(1)變?yōu)?

由式(2)解得簡諧函數(shù)形式為:

式中:{φ}為特征向量或振型;ω為頻率。

3．1 正三輪摩托車車架第一階頻率與振型

圖5所示是經(jīng)過有限元計算的正三輪摩托車車架模態(tài)分析結(jié)果，可以看出車架的第一階頻率為79．36Hz，振型沿車架橫向扭曲。

圖5 正三輪摩托車車架第一階頻率與振型

3．2 正三輪摩托車車架第二階頻率與振型

圖6所示是經(jīng)過有限元計算的正三輪摩托車車架模態(tài)分析結(jié)果，可以看出車架的第二階頻率為128．78Hz，振型沿車架縱向彎曲。

圖6 正三輪摩托車車架第二階頻率與振型

3．3 正三輪摩托車車架前十階頻率與振型

表1是通過有限元計算的正三輪摩托車車架前十階頻率與振型，表中數(shù)據(jù)可為車架結(jié)構(gòu)設(shè)計和測試提供理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文正三輪摩托車車架4種工況的強度和剛度計算結(jié)果，能提高評估車架性能和結(jié)構(gòu)的效率;而正三輪摩托車車架前十階頻率與振型量則為改善車架動態(tài)性能提供了設(shè)計依據(jù)，對降低設(shè)計成本起到了重要的作用。本文對正三輪摩托車車架的分析計算為車架設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進提供了理論依據(jù)，能大幅度縮短車架設(shè)計周期。

表1 正三輪摩托車車架前十階頻率與振型

［1］ 王晶，神會存，汪友剛．三輪摩托車車架有限元分析［J］．中原工學院學報，2010，21(5):22 －25．

［2］ 王志明，胡新華．基于MSC．Patran/Nastran的農(nóng)用三輪車車架結(jié)構(gòu)分析［J］．農(nóng)機化研究，2007(8):31－33．