摩托车车架结构轻量化设计研究

打开文本图片集

摘 要：作为摩托车的重要组成部分，车架除了承载发动机、塑胶件、电装部分外，还连接着整车的前后悬吊系统及传动系统，并在行驶时承受外部激励，所以它对摩托车的整体性能至关重要。为了降低摩托车企业的生产成本，提高企业的竞争力，对摩托车的车架结构进行研究，因此轻量化其结构设计就变得尤为重要。

关键词：车架结构；轻量化；摩托车

随着摩托车工艺的不断发展，对材料和结构强度的要求也越来 越高。车架是摩托车的重要部件，只有具备足够强度、刚度的车架才能很好的连接个支撑部件。在车架结构设计的过程中，已经综合运用了有限元、动态设计等计算机分析、预测以及模拟技术，可以在满足强度约束的情况下优化车架结构设计。

1 基础知识及模型建立

摩托车车架必须经过振动试验台的测试，在分析车架在振动试验台的边界条件及激励载荷时，需要了解一些弹性力学的相关基础知识。弹性力学研究物体在外力作用下的变形及内力，对车架结构设计有重要的作用。

在弹性力学中常用的物理量有外力、应力、应变以及位移等[1]。作用于摩托车的外力主要有表面力以及体力两种：表面力是诸如接触力等作用于摩托车车架表面的外力；体力是分布在摩托车车架整个体积上的外力，比如重力。应力能够描述摩托车车架的受力状态，应变说明了车架的变形程度，位移描述车架变形后的位置。一般而言，车架上不同的点有不同的应力，所以应力分量与车架上各点的位置坐标有关；车架表面在受到外力作用时，其尺寸和形状会发生变化，车架表面各点的应变分量和位移分量满足柯西方程。

在众多振动试验台中，凸轮式机械振动台相对简单并且可靠，而且承载能力较大，所以在进行车架振动试验台激励计算时以凸轮式机械振动台为主。对凸轮式机械振动台而言，其运动部分的唯一受多个因素影响，这些因素包括曲轴臂长、凹轮偏心量等[2]；激振力随运动部分的质量而变化。在使车架配重平衡的情况下，借助夹具将车架的前后轮毂中心固定，然后利用凸轮式机械振动台的旋转运动产生周期性的垂直激振力，这样能够让前后轮毂上下振动，实验数据显示前后轮毂频率均为2.5Hz，振幅均为30mm。在不考虑凸轮式机械振动台工作时因为工件的刚性碰撞产生的波形失真，可以得到偏心凸轮产生的强迫位移，以此求出车架前后轮毂中心处的激励值。实验证明前后轮毂中心的振动加速度大小只受到偏心距影响，而和偏心轮的大小并无关联。

车架主要是由各种截面的钢管件焊接成的，在建立车架结构模型前，可以略去一些附在车架上的非承载件、孔洞以建立一个简单的几何实体三维模型，然后将此三维模型导入HyperMesh。HyperMesh能够对三维模型进行几何清理，并修补抽取中面的车架拓扑结构，建模过程中，主要会做如下处理[3]：（1）简化非受力及不重要的部件，以此在不使受力失真的情况下减少计算量；（2）为避免复杂的焊缝操作，不单独使用焊接单元，而是将焊接单元节点选择在焊缝上，以保证可以得到连续的变形。

2 车架的静态强度分析及瞬态响应分析

在用有限元方法进行静力分析的过程中，一般会涉及到几个方面[4]：（1）利用离散化结构建立模型。作为结构力学模型的一种近似计算，有限元方法的计算模型基础就是结构化的离散模型，这种模型将车架表面一定数量的有限节点连接起来，由于包含的自由度个数是有限的，因此可以使用矩阵方法进行计算。（2）作用在车架单元上的表面力和体积力载荷，需要按照力等效的原则向结点移置。（3）整体分析的过程涉及到两步：首先利用所有单元的刚度方程得到整个车架结构的刚度方程；二是把每个单元上的等效结点力列阵集合为总的载荷列阵。

摩托车车架受到的静载荷主要取决于车架上的负载质量，车架自身的重量被以均布载荷或集中式的方式加载到相应位置，并约束了车架前后轮毂中心不同方向的自由度。车架静强度分析的有限元模型如图1所示。

车架整体应力的分布区域是护板支架、边管焊接位置、后加强管和后平叉等处。由于静载下车架的应变是一种弹性变形，所以根据第四强度理论可以知道压力最大值位于护板支架处。在车架所有的位移中，由于尾管壁厚相对比较小的原因，其位移最大；主梁管以及前立管的壁厚比尾管要大，加之前三角加强板的支撑，使得前立管和主梁管的位移比较小。整体而言，尾管和主梁管处受到的压力较小，但边管处分布不均匀的压力会导致材料利用不合理的情况。

对车架进行瞬态响应分析要用到结构动力学的理论基础，动力学问题的有限元法将车架离散化为有限个单元，在对每个单元进行刚度分析、阻尼计算等分析后，再将所有单元的特性矩阵组合起来，得到最终的结构动力学方程。在对车架进行瞬态动力学分析后，可以知道车架的最大压力一般重复出现在护板支架焊接处、踏板配重和后平叉等位置；当车架不同位置的压力分布不均匀的时候，不同部件的不佳匹配会致使车架压力出现在上述位置，因此还存在一定的优化空间。

3 车架结构的优化设计

车架结构的优化设计本质上是将工程问题转换为数学问题，求得最优解后，将工程问题归结为自变量的优化问题。作为一种连续体，车架的优化类型可以分为形状优化、尺寸优化以及拓扑优化。

尺寸优化是在拓扑和形状保持不变的情况下找到截面尺寸和材料性能的最佳组合，尺寸优化方式可以优化材料属性、板的尺寸等参数；形状优化指的是车架的拓扑机构不变时得到最优的几何形状及边界；拓扑优化的目的是在连续区域中寻找承受载荷物体的最佳的材料分配方案。

结构优化设计过程中会涉及到目标函数、约束条件以及设计变量这三个要素。设计变量可以描述车架设计中的一些独立变量，不论这些变量是连续的还是离散的；约束条件规定了车架结构设计过程中的应力、位移以及临界载荷等变量的要求；目标函数是车架结构设计的最优方案。

为了减轻重量、降低成本，在进行车架结构优化时，可以尽量保证其整体结构尺寸、装配尺寸等不变化，以更好地匹配塑性件能与优化后车架。优化之初，先选择车架各部件的壁厚作为设计变量，并以车架的质量（体积）作为目标函数；这一优化过程的约束条件是在得到目标函数最优解的情况下保证车架强度满足要求，可以运用静载条件下的应力作为约束条件。在不断优化过程中，车架质量在6 次迭代后达到收敛，质量得到有效减轻。

参考文献

[1]林昌华，苟晓明，程明.基于OptiStruct的摩托车车架结构优化[J].机械强度，2014，06.

作者简介：黄锐（1985，9-），男，福建省厦门市人，学历：大学本科，研究方向：摩托车机械设计。