混合动力助力车车架结构强度分析及轻量化设计.pdf

第1期摘要：以某混合动力助力车为研究对象，采用有限元方法对所设计的车架进行静态结构强度分析，得到了车架结构的应力分布图。以轻量化设计为出发点，在车架结构强度满足条件的前提下，对车架结构部分参数改进后的模型进行了进一步的分析，为混合动力助力车车架结构的优化设计以及轻量化设计提供了理论依据。关键词：混合动力助力车车架；有限元；静态结构强度；轻量化设计中图分类号：U463.32文献标识码：A文章编号：20950926（2011）01004503Lightweightdesignofhybridmini-motorcycleframeJIANGShao-zhong，YANWen-bing，ZHANGXi-tong（SchoolofAutomobileandTransportation,TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin300222,China）Abstract：Takingthehybridmini-motorcycleinresearchasanexample,itsframesstatisticcharacteristicsandstresspatternswerecalculatedbymeansoffiniteelementmethod.Frompointoflightweightdesign,oncondi-tionofenoughstructuralstrength，someoftheframesstructuralparameterswereimprovedandanalyzed.Theresultsprovidetheoryfoundationsforfurtherstudy.Keywords：hybridmini-motorcycleframe；finiteelementmethod；staticframestrength；lightweightdesign收稿日期：2011-01-12作者简介：姜绍忠（1964），男，副教授，硕士，研究方向为车辆工程.混合动力助力车车架结构强度分析及轻量化设计姜绍忠，阎文兵，张希通（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222）当前，为了应对能源危机以及环境污染，世界各国都在纯电动车、混合动力车以及燃料电池车领域进行了大量的研发工作，我国也将清洁型交通工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分。电动助力车由于具有节能、环保、快捷、节省空间和低成本等一系列特点，深受广大工薪阶层的喜爱。据统计，2009年全国电动助力车的产量已经突破了2369万辆，而天津市电动助力车的产量达到了近700万辆1-2。然而，由于受到电池容量过小以及充电时间过长的限制，目前的电动助力车还不能满足远距离、长时间行驶的需要。而混合动力助力车兼具了燃油助力车与电动助力车的优点，既可以提高燃油经济性，同时又降低了废气排放，还不需要频繁充电，又保持了工薪阶层易于接受的较低价位，是目前发展具有中国特色的交通模式最有前途的方向之一。车架是混合动力助力车的重要组成部分。车架的主要功用是将包括发动机在内的整个车体附件有机地结合到一起，组成整车。它不仅要载人、载货，还要承载行驶过程中可能会受到的各种冲击或者振动。车架设计的合理与否，不仅会影响到整车的结构强度、可靠性及乘员安全，还会影响到整车的动力性、经济性。2006年国家质检总局组织对电动助力车产品进行了国家监督抽查，结果显示主要结构部件振动性能测试不合格率为11，其中由于车架等主要支撑件断裂引起的交通事故更是大幅度地增加。因此车架的静动强度设计、刚度设计以及轻量化设计是车架设计中十分重要的一个环节3。目前的电动助力车车架的设计还是以经验设计为主，并按自行车的标准进行疲劳试验。为了提高车架强度，一些助力车生产厂家在制造过程中采取了增加车架材料、提高车架材质等办法，这不仅使得整车制造成本增加、质量加大，进而使整车的动力性及经济性下降。针对这种情况，在整车研发过程中，应该寻求有效的方法帮助设计者通过仿真和预测，在产品定型和投产前提高性能质量，降低设计成本，尽可能地减少试验次数，进而缩短产品投放市场的时间4-5。本文以第21卷第1期2011年3月天津职业技术师范大学学报JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYOFTECHNOLOGYANDEDUCATIONVol.21No.1Mar.2011天津职业技术师范大学学报第21卷目前在研的混合动力助力车为研究对象，以其现有车架的结构强度分析为出发点，利用UG软件对车架建立了数字化实体模型，采用ANSYS分析软件对车架结构进行静态结构强度分析，对车架进行了优化设计及轻量化改进。1有限元法理论基础有限元法的基本思想是将整体结构看成是由有限个单元相互连接而成的集合体，单元与单元之间利用单元节点相互连接，每个单元赋予一定的物理特性，然后组合在一起就能近似等效整体结构的物理性能。单元的刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之间的关系，单元刚度方程的矩阵形式可表示为：Fe=kee（1）其中：Fe为单元节点力矩阵；ke为单元刚度矩阵；e为单元节点位移矩阵。利用结构力的平衡条件和边界条件，把各个单元按照原来的结构重新连接起来，形成一个整体的有限元方程，单元的刚度矩阵扩展迭加即可得到整体刚度矩阵：F=K（2）其中：F为整体载荷矩阵，其元素为各节点上的载荷；K为整体刚度矩阵；为整体节点位移矩阵。整体的有限元方程求解后，即可得到各节点的位移方程，从而求出各节点位移及应力情况6。2混合助力车车架结构强度分析2.1车架实体建模根据混合助力车各部件的总体安装位置要求，参考了原电动助力车车架的基本结构，利用UG软件建立了混合助力车车架的几何模型，如图1所示。该车架结构是由各种截面形状的钢管组成，壁厚在1.0mm到2.0mm之间不等，前立管、前管、后座管等都是空间圆管。主车架前立管、前管和立管等都是焊接而成。2.2网格划分网格数量的多少将直接影响计算结果的精度和计算规模的大小，ANSYS12.0软件可以智能划分网格，无人工干扰，使网格划分更加合理。该模型共划分节点数101631个，单元数52322个，有限元网格模型如图2所示。2.3结构强度分析混合动力助力车车架的载荷主要有车架自重、整车附件的重量、骑手的重量和后车架的载物重量。其中车架的自重、发动机和电池的重量以及骑手的重量可以简化成作用在相应位置的集中载荷。车架重量：密度=7.8103kg/m3，均匀分布于几何车架；骑手重量：75kg，集中作用于中轴车座处；后座载重：60kg，集中作用于后座车架处；电池与发动机重量：25kg，集中力作用于中部电池槽隔板上。边界条件模拟实际工况：前立管限制自由度为x、y、z，后立叉限制自由度为y、z。计算得到的车架应力分布如图3所示。该电动自行车车架用Q235碳素结构钢，查得其强度极限b375MPa，其静许用应力=150310MPa。由图3可以看出，车架的前半部分受力不均，其图1混合动力助力车车架几何模型图2有限元网格模型图3改进前车架应力分布图41.8MPa46-第1期最大应力区位于前管和立管底部，应力值在41.8MPa左右，小于静许用应力值，满足结构强度要求。车架后半部分受力比较均匀，并且没有明显的应力集中现象，整体应力值很小；最小应力区是后座和前立管处，如应力图所示，应力值都在23.3MPa以下，远远小于静许用应力值，满足结构强度要求。由此可以得出结论：其一，该车架整体受力不均，需要改进；其二，即便是考虑到动载荷及疲劳强度等方面的影响，该车架静应力值远小于许用应力，说明该车架所用材料较多，造成了材料的浪费以及整车动力性及经济性的下降。因此有必要对该车架进行强度及质量方面的优化设计。3车架结构及轻量化分析为了满足国家标准，在满足结构强度要求的前提下，助力车轻量化设计势在必行。减轻车架自重一般有两种途径：一是从新材料入手，采用轻金属或现代复合材料等低密度材料制作车架；二是从改进设计入手，对现有钢结构车架进行结构改进及轻量化设计，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。综合考虑成本与方案的可实现性，可采取3种改进途径。一是对车架所用材料由原来的Q235改为Q195。Q195的屈服强度比Q235低，价格较便宜，更重要的是它的焊接性及韧性较好，抗冲击能力较强，更适合于所开发的混合助力车车架的制造。查得其强度极限b315MPa，其静许用应力=126262MPa，较Q235有所降低。二是对所设计的车架进行结构改进。三是基于车架前部受力不均匀及应力集中的考虑，适当减小前管、前立管及立叉的尺寸；同时在前立管与前管的连接处焊接加强筋以减小此处的应力集中现象。对应力较小的后车架，选用较细的管材。具体车架改进前后参数如表1所示。改进后的车架应力分布如图4所示。可以看出，通过车架外形尺寸及结构的改进，车架的最大应力由原来的的41.8MPa增加到了71.4MPa，满足结构强度要求，而且整车应力分布比较均匀。尽管该应力值仍小于其静许用应力较多，但是考虑到助力车实际行驶过程中的动载荷冲击以及疲劳等情况，同时结合传统的经验设计方法，认为该改进方案基本可行。4结束语本研究运用有限元方法对混合动力助力车车架进行了结构优化及轻量化设计，在外形尺寸合理且满足结构强度的前提下，使车架的轻量化得以实现。该车原车架质量为15.19kg，按照优化后的方案所试制的车架质量为12.98kg，比改进前减轻了14.5%。目前，在试制车路试过程中。该改进后的车架可靠性良好，同时整车的动力性及燃油经济性均有较大程度的改善。参考文献：1张云龙.电动自行车技术和质量现状及对策探讨J.中国自行车，2004（2）：26-29.2甄继光.电动自行车的质量状况和对策J.中国自行车，2005（10）：35-36.3蔡振岩，杨诚成.X510-型电动自行车强度测试研究J.苏州大学学报，1990，6（4）：462-465.4满开美，马力，余良富.摩托车车架有限元建模方法分析J.摩托车技术，2005（6）：15-18.5王志明，戴素江.农用三轮车车架静动态特性仿真分析J.拖拉机与农用运输车，2007，34