（固体力学专业论文）摩托车车架和轮辋强度分析技术研究与实践.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文针对我国摩托车研发中主要承载部件结构强度优化设计的需要，采 用实验室台架试验与有限单元计算相结合的途径，对车架和轮辋的强度评估 与设计指导方法进行了比较深入的研究与实践。 前两章，由产业和市场调研入手，综述了摩托车行业的形成与发展；归 纳了工程力学在摩托车领域中的应用范畴，介绍了实验力学技术解决摩托车 产品选材、设计、性能检测与质量评估的十多项技术，引出论文的一项研究 重点模拟车辆在恶劣工况下的“标准化”台架试验方法。论文提交了四 种型号两轮摩托车车架的应力检测数据与分析规律，表明了该实用新技术在 车架结构应力评估与易损部位失效诊断中具有结果可靠、可操作性强的特 点，为产品力学性能评价与设计改进提供了有价值的指导。 第三章介绍了用有限元法计算车架应力的流程，在实验提供确切边界内 力条件基础上，对q j l 2 5 a 型车架易损区前加强板进行了四个设计方案的计 算，成为力学实验与计算相结合、指导结构优化的一个范例，得到产业部门 的高度评价。 在论文第四章，完成了五种摩托车铝合金轮辋的实验室模拟垂向加载对 比试验；用有限元方法详细分析了它们在径向( 静载、冲击、疲劳) 载荷和 扭转、弯曲载荷下的应力和变形，为整车厂配套选型及制造商改进设计提供 了依据。 论文表明，在现阶段摩托车行业缺少实车碰撞试验条件，而车辆设计中 的“计算机虚拟环境系统”技术尚不成熟的情况下，本文提出的方法具有普 l 浙江大学硕士学位论文 遍的适用性、良好的经济性和可靠的结果。最后提出了构建摩托车计算机辅 助应力评估系统( m c a s ) 的观点与建议。 关键词：失效分析设计优化标准化模拟试验 载荷烈度计算机辅助应力评估系统 a b s t r a c t t h ep a p e ra i m sa ti m p r o v i n gs t r u c t u r a ls t r e n g t ha n do p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h em a i n l o a db e a r i n g c o m p o n e n t s i nt h e d e v e l o p m e n t o f m o t o r c y c l e ，c o m b i n i n g t e s t - b e d , x p e f i m e n t a t i o na n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a l c u l a t i o nt os t u d ya n dc a r r yo u tt h ei n t e n s i t y a n a l y s i so f t h ef r a m ea n da n n u l u si n - d e p t h i nt h ec h a p t e ro n ea n dt w o b e g i n i n gw i t ht h ei n v e s t i g a t i o no f i n d u s t r ya n dm a r k e t , w e s u m m a r i z et h ef o r m i n ga n dd e v e l o p m e n to fm o t o r c y c l e ，a n di n t r o d u c et h em e t h o do f e n g i n e e r i n gm e c h a n i c sw h i c hi su s e dt od e a lw i t ht h ee l e c t i o n 、d e s i g na n dd e t e c t i o na t e i nt h e m o t o r c y c l e s ow el e a do u tt h ee m p h a s i so fs t u d yw h i c hs i m u l a t et h em o t o r c y c l ei nt h eu g l y w o r kc o n d i t i o nw i t ht h ei nt e s t b e d t h ep a p e rr e f e rt h ed a t ao ft e s ta n dr e g u l a r i t yo f s t r e s s ， t h e s ei n d i c a t et h em e t h o di sr e l i a b l e a n d e a s i l yo p e r a b l ei ni n v a l i d a t i o nd i a g n o s i sa n d i b p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ef r a m e ，a n dp r o v i d et h ev a l u a b l ei n s t r u c t i o nt oe v a l u a t et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n di m p r o v et h e d e s i g n i nt h ec h a p t e rt h r e e ，w ei n t r o d u c eaf l o wt a b l ew h i c hu s ef e mt oc a l c u l a t et h es t r e s so f f r a m e o nt h eb a s eo fd e f i n i t ei n n e rf o r c eo ft h eb o u n d a r y , w ec a l c u l a t ef r o n tr e i n f o r c e dp l a t e o f q j l 2 5 a t y p ew i t hf o u rs c h e m e t h er e s u l tg o tah i g h l ya p p r a i s a lb yd e p a r t m e n to f i n d u s t r y , a n da tt h es a m et i m ei ts u p p l yae x a m p l et oc o m b i n i n gt h et e s tw i t hc a l c u l a t i o nt o i m p r o v et h ed e s i g n i nt h ec h a p t e rf o u r , w ea c c o m p l i s hac o n t r a s tt e s tw i t hf i v ea l u m i n i u ma n n u l u sb yt h e v e r t i c a ll o a d - o ns i m u l a t i o ni ne x p e r i m e n t a ll a b o r a t o r y ；w i t ht h ef e m ，w ea n a l y s et h es t r e s s a n dd i s t o r t i o nd e t a i l e d l yu n d e rt h er a d i a l ( d e a d l o a d 、i m p a c t 、f a t i g u e ) a n dd i s t o r t i o n 、b e n d ，t h o s e s u p p l yt h eb a s i sa s s i s t i n gt h em a n u f a c t u r e rt oc h o o s et h ep a r t sa n di m p r o v et h ed e s i g n i ti ss h o w nt h a tb e i n gs h o r to fr e a lm o t o r c y c l ei m p a c tt e s ta tp r e s e n ta n db e c a u s eo ft h e u n m a t u r et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e rv i r t u a le n v i r o n m e n ts y s t e mi nm o t o rd e s i g n , t h e p r o p o s e dm e t h o di sw i d e l ya p p l i c a b l e ，e c o n o m i c a la n dt r u s t y f i n a l l y , s o m eu s e f u ls u g g e s t i o n s a r ep r o p o s e dt oc o n c e i v em o t o r c y c l ec o m p u t e ra s s i s t a n ts y s t e m ( m c a s ) k e yw o r d s ：i n v a l i d a t i o na n a l y s i s o p t i m i z e dd e s i g n s t a n d a r d i z a t i o nt e s t l o a di n t e n s i t y m o t o r c y c l ec o m p u t e ra s s i s t a n ts y s t e m n i 学号2 q 三q 墨q q 墨 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑垫盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的既明并表示谢意。 学位论文作者签名：羽、托 签字日期： 力口f 年3 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：别、 签字日期：2 0o 辞3 月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 导师签名 弘奸 签字日期：协年多月协日 电话： 邮编： ) 侥扣 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 摩托车概述 1 1 1 摩托车行业的形成与发展 摩托车的发明权属于德国威廉海姆戴姆勒。他于1 8 8 3 年制造出体积小、 功率高的内燃机并获专利权。1 8 8 5 年8 月2 9 日，把经过改进的汽油引擎装在一 辆木制的两轮车上，制成了世界上第一辆摩托车。该车左右安装两个辅助小轮， 采用2 6 4 毫升直立式单汽缸四冲程引擎，转速4 3 8 r m i n ，驱动功率为o 5 马力， 并有两档变速器。同年11 月，威廉海姆戴姆勒的长子鲍尔戴姆勒驾驶着这 辆摩托车以时速1 2 公里的速度行驶了3 公里，试车成功。这辆世界上最早的摩 托车现在仍然保存在慕尼黑科学技术博物馆内。后来，德国人希尔德布兰德和沃 尔夫穆勒在慕尼黑开办摩托车制造厂，批量生产采用了2 5 马力、每分钟6 0 0 转 水冷双汽缸发动机的摩托车法国的德迪翁在1 8 8 7 年前研制蒸汽机三轮摩托车 获得成功后，于1 8 9 5 年与布切和特雷帕尔杜协同制造出世界上第一辆四冲程内 燃机三轮摩托车，发动机采用电点火系统，功率为o 7 5 马力，这是世界上第一 台具备了较好使用功能的机动三轮摩托车。在1 8 9 7 年巴黎博览会上，首次展出 了法国仁韦尔纳和米歇尔韦尔纳兄弟提供的“轻便摩托车”，发明者把拉比 特设计的一种小型发动机安装在自行车上，成为了最早的机动脚踏两用车。此车 1 8 9 8 年在法国投产后受到人们的欢迎。之后英国考文垂摩托车制造公司和德国 的艾泽纳赫公司分别购进专利，在本国组建了生产线。之后，摩托车的市场和生 产相继拓展到欧洲之外的许多国家和地区。鉴于摩托车所特有的轻便、高速、相 对廉价以及其它陆上交通工具无法相比的使用灵活性，其一旦问世并形成批量生 产能力，即在军事、邮电、交通等部门得到了广泛应用。它成功地填补了汽车和 自行车之间的空档，在许多国家人民的生活中发挥着重要作用。 目前全世界有7 0 多个国家和地区生产摩托车，主要产国都集中在亚洲。中 国、日本、印度三国的产量已占世界总产量的9 0 以上。现在世界摩托车保有量 约为2 亿辆，我国台湾地区最高( 2 人一辆) ，日本居第二，为9 人一辆，我国 浙江大学硕士学位论文 大陆为3 2 人一辆。拉美国家经济持续几年的增长直接推动了交通的蓬勃发展， 现己成为世界上成长最快的摩托车市场，世界主要摩托车生产企业已纷纷将其经 营战略重点移至拉美，车型以1 2 5 毫升以下的中小排量为主。东欧市场上1 2 5 毫升以下低价位摩托车畅销，西欧较多需求2 5 0 毫升以上高档摩托车和某些小排 量摩托车。 我国自1 9 9 3 年起已成为世界摩托车生产第一大国，产销量一直以每年1 0 左右的速度上升。2 0 0 4 年摩托车产量突破1 7 0 0 万辆，占世界总产量一半以上， 其中出口超过4 0 0 万辆，创汇1 4 多亿美元，为国民经济发展和满足民生需求做 出了重要的贡献。 1 1 2 车型分类方法 历经一百多年的发展，摩托车己形成一个庞大的家族，适应众多不同的使用 领域与消费对象，列入目录的车型已逾万种。为便于生产、销售和管理，形成了 多种分类方法。较通行的有按机动车管理分类，按主要使用方向分类以及由车架 结构型式分类三种方法。 一、按机动车管理分类。 在国家标准g b t 1 5 0 8 9 - - 1 9 9 4 机动车辆分类 3 1 中，摩托车属于l 类，即少于 四轮的机动车辆。以下又细分为五类： l l 发动机排量不超过5 0 m l ，最高设计车速不超过4 0 k m h 的两轮车。这实际 上指的是轻便两轮摩托车。 l 2 一发动机排量不超过5 0 m l ，最高设计车速不超过4 0 k m h 的三轮车。这实际 上指的是轻便三轮摩托车。 l 3 发动机排量超过5 0 m l ，或设计车速超过4 0 k m h 的两轮车。这是通常讲的 两轮摩托车。 i 4 一发动机排量超过5 0 m l ，或设计车速超过4 0 k n f f h ，三个车轮相对于车车 辆的纵向中心平面为非对称布置的车辆( 如边三轮摩托车) 。 l 5 一发动机排量超过5 0 m l ，或设计车速超过4 0 k m h ，厂定最大总质量不超过 1 t ，且三个车轮相对于车辆的纵向中心平面为对称布置的车辆。通常称为正三轮 2 ，j 浙江大学硕士学位论文 摩托车。 1 9 8 0 年以前由于摩托车产量和社会保有量很少，国内尚无摩托车标准，只 是习惯上区分为轻摩托车和三轮摩托车。当摩托车行业进入了发展时期以后，为 便于行业和交通管理，于1 9 8 4 年发布实施了轻便摩托车标准；紧接着又制订了 摩托车标准，于1 9 8 5 年发布实施。摩托车行业的发展逐步走上了标准化、法制 化管理的轨道。我国把摩托车产品分为两大类，即轻便摩托车和摩托车。按原标 准规定，凡是发动机排量不大于5 0 m l ，最高设计车速不超过5 0 k m h 的为轻便摩 托车；发动机排量为5 0 r a l 及其以上，或最高设计车速超过5 0 k n d h 的为摩托车。 轻便摩托车又分为轻便两轮摩托车和轻便三轮摩托车。 二、 按照不同配置和主要使用方向。 实用中，人们把摩托车按三大类十五种车型分列，具体为： 两轮菩；普通车、微型车、越野车、普通赛车、微型赛车、越野赛车 边三轮车：普通边三轮车、特种边三轮车( 警车、消防车) 正三轮车：普通正三轮( 客车、货车) 、专用正三轮车( 容罐车、自卸车、 冷藏车) 三、 按车架结构的特征为摩托车分类| i i 。 以两轮车为例，所谓的“踏板式”指车架的骑者脚部为一踏板式平台，常用 于城市代步的小排量低速轻型车；“摇篮式”通常将发动机安装于车架下弯管之 上；而“跨接式”的车架前后是分离的，由发动机禁固安装实现前后跨接；此外 还有“悬挂式”等等。可以看出，这种分类方式的优点体现在设计生产和制造过 程之中，在有关车架力学性能分析中比前述一，二类方法更为具体。 随着产品市场的细分和升级，近年来诸如城市用车、儿童车、残障人士用车 等称谓开始见诸于市场。 1 1 3 现代摩托车的性能要求心1 随着经济与科技的进步，现代摩托车已成为集机械、材料、力学、电子等学 科大成的一类高技术产品，对性能与产品设计要求也越来越高。总体来说有： 动力性；主要是指发动机功率，摩托车最大时速及加速性能、爬坡性能等； 经济性：主要是指摩托车的百公里燃油消耗量； 3 浙江大学硕士学位论文 噪声和废气排放指标； 安全度与可靠性：主要指车辆制动及与转向系统的可靠性，照明、喇叭、指 示装置功能，需能确保行驶安全，以及是运行故障率； 耐久性：即摩托车的使用寿命，这和构成车辆各部件的质量直接相关； 舒适度：舒适度的重点在于车辆的减振性能是否良好，操控系统的人机工程 性设计水平； 要求整车设计美观时尚，并与使用环境和谐： 维修中方便性等。 综上所述，其中摩托车的安全度直接关联生命财产，是首先必须重视的指标， 在其主要承载部件车架和轮辋设计和制造中将有充分的体现。 1 2 工程力学在摩托车领域中的应用 1 2 1 结构设计和承载部件 摩托车的结构设计分为美学造型设计和功能结构设计两个方面。前者是以摩 托车的外观为设计对象，目的是力求美观、大方、具有时代感；后者是以摩托车 的驾驶性能为设计对象，旨在提供摩托车优良的承载、快速、便捷、安全等性能。 在初中级阶段，主要的设计方法是经验性设计与仿造性设计。而随着科技的进步， 优化设计、可靠性设计、反求工程( i n v e r s ee n g i n e e d n g ) 逆向设计以及在c a d 基础上发展起来的最新计算机虚拟环境设计开始进入产品研发和生产领域。 车架、车轮( 轮辋、轮胎) 和前后减振器( 减振和阻尼元件) 是摩托车主要 的承载部件，需重点对它们的强度、刚度、稳定性与振动特性进行力学分析，这 是整车实现优化设计的重要基础。 1 2 2 摩托车载荷 摩托车在行驶中受到路面颠簸、车速变化、发动机驱动与风阻等激励，其载 荷主要有以下几种： 1 周期载荷：主要由发动机运转产生； 2 随机性载荷：路面平整度、行驶状态的改变等因素导致车辆自重及车载人、 物的作用反力呈随机性规律； 3 行驶中的空气阻力； 4 浙江大学硕士学位论文 4 速度改变引起的惯性力变化及车载人、物对车体载荷重新分配。 分析时可把载荷分解为垂直和水平两个方向。在材料的线弹性范围内，各种 载荷作用下的结构应力适用叠加原理。 1 2 。3 工程力学在产品研发中的应用 1 理论分析 理论力学( 机构静力学、运动学、动力学) ，材料力学( 构件在受力下的应 力和变形分析) ，振动力学，疲劳理论和断裂、损伤力学等。 2 有限元计算 ( 1 ) 步骤：力学建模( 连续结构的离散化) 单元分析坐标转换 载荷设定整体分析。 ( 2 ) 功能：应力分析，刚度计算，动力特性计算，结构疲劳分析，灵敏度分 析等。近年来，随着大型商品化结构计算软件的使用，通过计算机仿真计算实现 优化设计已成为可能。 3 力学测试技术 摩托车领域常用的工程力学测试技术主要包括以下几种： ( 1 ) 摩托车工程材料机械力学性能检测； ( 2 ) 车辆部件的常规静态拉、压、弯、扭试验； ( 3 ) 对整车进行动应力和振动恶劣工况路试： 车载动应变测试、记录仪，加速度测定记录系统；实现不同等级路面和车速 行驶或紧急制动、跨越路障等恶劣工况，实时测定记录时域动响应信号，进行幅 度和频率分析； “) 按产品现行规范进行的整车6 0 0 0 k m 通路试验： ( 5 ) 车架或整车的模态分析试验； ( 6 ) 在随机振动试验台上进行不同的路面谱再现的整车性能试验( 测定动应 力和加速度) 或长期试验。前者可全面分析不同路面下结构的响应；后者有可能 取代路试考核； ( 7 ) 用转鼓式试验台测定驱动力矩和变速性能等动力指标； ( 8 ) 采用专门设计的电液伺服振动台的结构疲劳试验； 一 j 浙江大学硕士学位论文 ( 9 ) 发动机运行噪声测定分析和降噪技术研究； ( 1 0 ) 精心设计的碰撞试验，实测关键结构的瞬态动应力和模拟司乘者的加速 度响应，分析碰撞损伤的形态。在摩托车上进行这类试验的难度很大，特别是体 积小，无人驾驶时平稳性差的两轮摩托车，几乎难以实施。 在本文的研究工作中，提出了一种模拟运行恶劣工况的“标准化”台架试验 新方法，可以在实验室中全面考核车架、轮辋等承力部件的应力水平，确定高应 力区和应力集中系数、评估结构应力均匀度和强度储备。只要载荷烈度取值和加 载系统适当，可以获取其它强度分析方法无法得到的评估数据；同时也避开了在 摩托车上实施实车碰撞的技术难点和安全风险。 1 3 本文的工作 论文完成了以下主要工作： 1 通过文献阅读和市场、产品调研，针对摩托车开发中提高主要承载部件安 全性与优化设计的需求，提出了可在实验室有效评价车架强度的模拟恶劣运行工 况标准化试验方法。将该技术应用于四种型号两轮摩托车车架的应力检测，成功 地实现了强度评估与失效分析，为产品故障诊断、设计优化提供了有价值的指导。 实践表明，在现阶段摩托车行业缺少实车碰撞试验分析条件，而车辆设计中的“计 算机虚拟环境系统”技术尚不成熟的情况下，本文提出的方法具有普遍的适用性、 良好的经济性和令人满意的效果。 2 运用工程力学中功能强大的有限单元法1 45 1 对q j l 2 5 a 型车架进行了高应 力区前加强筋板多方案的计算分析，掌握了设计修改对应力状态的影响规律。表 明计算力学与实验应力分析相结合是一种切实可行的辅助设计方法。 3 论文期间制成一套分度垂向加载车轮应力试验台。对五星形、斜v 形、五 孔形等五种轮辋进行了对比试验测定。结合后期在指导下参与的径向冲击和扭 转、弯曲、面内疲劳仿真加载的有限元计算结果，为整车厂轮辋选型和配套企业 的结构优化提供了指导。 4 在上述工作基础上，借鉴计算机虚拟环境系统在汽车设计中的应用，提出 了构建摩托车计算机辅助应力评价系统( m c a s ) 的若干意见。 浙江大学硕士学位论文 第二章车架强度评估的“标准化”台架试验 2 1 问题的提出 摩托车车架是摩托车的主要组成件之一。它起着固定发动机、前后行走系统 和整车其他大部分部件的作用。车辆行驶中车架承受并传送车载重量和路面反力 等载荷，摩托车行驶时的平稳性、安全性、舒适度均与车架结构直接相关。此外， 摩托车的造型与装饰件以车架为主要载体，车架的设计方案n n 也是整车外观设 计的重要基础。目前摩托车车架的形式主要有：主梁结构式、菱形和托架式三大 类。主梁结构式车架又称脊骨型车架，采用一支或两支主梁为车架的上脊梁，这 种车架应用比较广泛。菱形车架构形有如钻石，故又称钻石式车架，这种车架通 常属于空间结构，发动机横置在钻石轮廓内，增强了车架的强度和刚度，道路竞 赛摩托车中应用较多。托架式车架形似摇篮，又称摇篮式车架，也属空间结构形 式，发动机安装在“摇篮”中，下部钢管对发动机有保护作用，许多农村用车或 越野车设计中乐于采用用此类车架。 由于摩托车工作条件一般比较恶劣，许多车型须长期在满载、振动与冲击载 荷下运行，因此整车良好的力学承载特性阳1 将是性能和安全度的重要保证，其 中车架的地位是整个系统设计与制造中的重中之重“一般来说，新品摩托车 研制时是先由造型和各部件安装、运行要求设计车架，制成样车后考核检测各项 性能。其中在车架强度的检验评估n ”订中出现了一系列的问题。 1 由于摩托车结构复杂，车架型式各异，设计和质量指标评价时至今仍未能包 括车架的力学性态，而力学功能的不足或是缺陷将带来很严重的问题。例如， 因结构设计不合理，在运动中产生过大的变形和应力集中，导致某些部件疲 劳破坏。这种早期失效严重威胁乘员的安全。 2 在我国摩托车产业发展的前、中期，产品开发以仿造国外名牌车型为主售 后服务或质量分析中大多依靠经验，哪个部件易损，就在那里增强加固，这 两种方式带有很大的盲目性，效果不佳。 3 为提高强度与刚度而盲目提高用材和工艺标准，势必造成强度过剩性浪费。 7 浙江大学硕士学位论文 4 虽也可参照汽车结构应力分析方法在行驶条件下测定车架动应变，甚至实旖 实车碰撞试验，但在摩托车这类小型、高速车辆上，受到车载电源、仪器通 道对测点数的限制，同时人仪的安全性考虑也不容许实现高速冲击、制动、 跌落等严酷工况以及重复性试验。 基于以上的问题，我们设计了一种可在实验室进行的模拟恶劣运行工况的通 用性强度试验方法，并将该系统成功运用于多种型式车架的应力测试。实践表明， 这种方法在车架应力评估中十分有效，同时为本文第三章有限元车架应力计算和 易损部位设计优化中提供了确切的内力边界条件。 2 2 “标准化”试验台架设计 2 2 1 载荷“烈度” 摩托车行驶时，车架受到复杂的变化载荷作用，现按两个方向分析载荷规律： 1 垂向冲击 两轮摩托车车架前端的转向立管通过左右前减震器支承于前轮轴，下部铰 接的后臂和后减震器组成后悬挂装置，支承于后轮轴。静态时直接作用于车架的 有乘员的重力以及发动机、油箱等安装件的重量，由前后轮轴处垂向反力来平衡。 行驶时，路面的凹凸是车辆载荷变化的重要因素。其直接影响是车架及其附着物 ( 乘员和安装件) 被激起的加速度运动。按达朗伯原理( 动静法) 1 1 2 1 平动刚体 的惯性力系可以简化为通过质心的合力，其大小等于刚体的质量与加速度的乘 积，合力的方向与加速度方向相反。可以把有关质量的惯性力看作动载荷，则前 后轮轴处对车架的作用是随加速度变化的支承反力。垂直方向振动和冲击加速度 按充气轮胎和减震器组合缓冲系统振动传递率计算分析，取整车路面颠振时车架 承受垂向的加速度近似值为4 9 。 2 水平冲击 水平方向的恶劣工况是紧急制动和碰撞。其主要效应一是车架及其附着物产 生负向加速度：二是骑者在惯性及应急反应下位态的改变对车架作用力的调整 ( 主要表现是离鞍、双手斜向推车把和脚蹬力加大) 。 按上述简化，可以把模拟车辆实际运行时载荷工况的恶劣程度命名为“载荷 烈度”，其量值决定于车架承受加速度的大小紧急制动时水平负加速度按制动 0 浙江大学硕士学位论文 性能试验国家标准( 车速4 2 k m h 时制动距离不超过7 m ，平均加速度为一l g ) 计 算水平惯性力，强化( 超载) 试验中加速度取- 2 9 在图2 2 和表2 - 1 中，给 出了典型车架两个方向的载荷作用位置和分级加载明细表 必须指出，不同用途的车型( 如城市代步用车、越野车、赛车等) 应选用不 同的载荷烈度：大、中、轻型车的设计外载和安装件重量也存在着差异。本文提 出的试验方法中的所谓“标准化”，意指用统一的实验设计思路，在同一专用台 架上，可以进行不同车型、不同载荷烈度车架的“标准化”实验应力分析。不同 的试验对象，差别仅在于载荷的“烈度”和作用点，以及在应变( 应力) 测点设 置上的不同。 2 2 2 加载系统 利用实验室原有的钢管和槽钢，设计制作了一座四柱式双向加载试验台架。 待测试车架的前后轮轴简支于离地1 3 m 的台面上，考虑车架在整车行驶中的变形 情况，允许支承在水平方向有位移。在不同的试验工况中，需同时分级施加多个 大小不一的载荷。 我们用四套力传感器( 水平两套、垂向两套) 和砝码组成加载系统。砝码用 于脚蹬力，油箱力等小载荷，用机械式张拉器施加大载荷，用传感器指示力值。 图2 1 选示了实验室“标准化”台架试验现场照片，图2 2 中可见载荷的作用点 和方向。 表2 一l 、图2 - 3 、图2 4 是q j l 2 5 和q j l 2 5 f 型车架的加载方案和测量截 面。主载荷( f i x 2 ) 、f 2 、( f 。x 2 ) 采用机械式加载，其他小载荷用了砝码一滑 轮系统。 9 ( a ) 用砝码分级施加垂向小值模拟载荷 ( b ) 模拟水平加载( 下斜。角) ( c ) 车架后部结构垂向加载( 力传感器计量) 图2 - - 1 车架应力的实验室。标准化”台架试验系统 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 应变电测 1 测点选择i t 3 1 4 ； 按不同车架型式和分析要求，通常需要在车架上梁管、下梁管、前减震器根 部和左右上管、侧管等部位布置3 0 5 0 个测点。钢管测量面沿轴向布置单轴应 变片，焊接汇交域可用三向应弯花。当进行不同车型对比试验时，尽可能要注意 测点位置的可比性。图2 2 标示q j l 2 5 a ( 配c g 发动机) 型车架的载荷系统， 同时注明了测量应变片的布置方案。图2 3 和图2 4 标示了q j l 2 5 和q 1 2 5 f 车架的测量截面及布片位置。 2 应变测量系统： ( 1 ) b x l 2 0 3 a a 胶基箔式应变片( r = 1 2 0 土0 3o ，k = 2 0 8 1 ) ； b x l 2 0 - - 2 c d 胶基箔式三轴1 2 0 。应变花( r = 1 2 0 0 1q ，k = 2 0 8 1 ) ： ( 2 ) t d s - - 3 0 3 数据自动记录仪( 3 0 c t t ) 【日】； ( 3 ) c l y a 测力仪、y j r 一5 a 应变仪( 配力传感器) ； ( 4 ) d r 一2 a 标准应变量校准器( k 标= 2 0 0 ) ； 当某级载荷调整完毕，t d s - - 3 0 3 应变测量采集系统在几分钟内完成一轮数 据采集和处理，直接打印应力结果。 浙江大学硕士学位论文 图2 2q j l 2 5 a ( 配c g 发动机) 车架载荷测点布置 表2 - - 1q j l 2 5 车架分级加载明细表( 单位：n ) 加t 与水平方 霸 劳 垂直方向向成2 5 0 水平方向 t 向前 力 苈 骑、乘人员发动机油箱前蹬后蹬把手发动机油箱 ，一n f 2 f 2f 3nf b x 2f c x 2f a x 2f 2 f 3 i 静载( 1 9 ) 1 5 0 03 0 07 06 0o0oo0o 垂直 2 9 2 4 0 06 0 01 4 0 1 2 02 0 0 x 21 0 0 x 2 oo00 冲击 3 9 3 6 0 09 0 02 1 01 8 03 0 0 21 5 0 x 2ooo0 4 9 4 8 0 01 2 0 02 8 02 4 04 0 0 x 2 2 0 0 x 2ooo0 紧急- l g o3 0 07 0 6 05 0 0 x 22 5 0 x 2 3 5 0 x 23 0 07 06 0 制动 - 2 9 03 0 07 06 05 0 0 x 2 2 5 0 x 27 0 0 26 0 01 4 01 2 0 图2 - - 3 q j l 2 5 车架应力( 应变) 测量截面 ( a h 管截面对称布片，i 、j 位布应变花) 图2 - - 4 q j l 2 5 f 车架应力( 应变) 测量截面 ( a e 管截面对称布片，f 、g 位布应变花) 2 2 4 强度评估 用这种方法得到的车架典型部位应力及其分布规律，是产品试制阶段及时鉴 别设计合理性的重要依据。引入应力水平系数d 和应力均匀度系数b ，将可直观 地进行强度评估。 口：壹堕垄皇壁垄! 堡坚! 忙酉丽丽丽赢尹 ( 2 一1 ) 户柰熏鬻糕( 2 - - 2 ) 。 某区域测点平均应力( 曲 q 指示了强度储备，8 提示车架设计力学上的合理性。后者的确定需要较多 的整车布片，且因车架设计受如造型、安装等条件约束，不易完全按b 优化设计， 故大多数情况下只考虑应力水平 2 3 典型车架的实验室应力试验 2 3 1 q s l 2 s a 型车架的应力评估 在设计分析和产品鉴定中采用标准化对比试验时。通常选择车架型式一致， 排量相同而实践已证明性能优越的产品进行相同条件的对比测试。如日产“铃木 王1 2 5 ”和“q j l 2 5 a ( 配c g 发动机) ”对比；“金城铃木a ) ( 一l o o ”和 q j 1 0 0 ”对比等。 这里我们对“q j l 2 5 a ( 1 l i ! c g 发动机) ”和“铃木王1 2 5 ”进行对比分析。 浙江大学硕士学位论文 1 加载方案 按前述简化，实验室模拟动载荷烈度决定于车架承受加速度的大小。水平方 向参照了制动性能试验国家标准，模拟车速4 2 k n f f h r 时7 m 内紧急制动，按相应 加速度( 一l g ) 确定水平惯性力。超载试验加速度取为( - - 2 9 ) 。为确定垂直方 向加速度值，进行了充气轮胎和减震器组合缓冲系统振动传递率计算，得到2 0 c m 高程冲坡跌落时车架重向平均加速度近似值为4 9 。 表2 - - 2 、图2 2 选列了两轮摩托车车架的试验载荷与加载方案。 表2 2q j l 2 5 a ( 配c g 发动机) 型车架载荷( 单位：n ) 载荷垂直方向水平方向说明 f l 1 4 0 0乘员两人分配作用 f 2 2 9 5作用于质心的发动机质量 f 3 ，f 6 6 0 ，5 0邮箱质量在前后联接点分配力 f 4 ，f 5 1 0 0 ，1 0 0附件重量作用于 f 7 ，f 8 5 0 ，8 0相应联结点的力 e 2 4 7 0 * 2紧急制动时骑者对前踏脚蹬力 c 2 2 3 0 * 2紧急制动时骑者对后踏脚蹬力 f 2 2 9 5发动机水平惯性力 f + 3 ，f 6 6 0 ，5 0油箱水平惯性力按联接点分配 f + 4 ，f 5 1 0 0 1 0 0附件重量水平惯性 f 。7 ，f 8 5 0 ，8 0力分配在相应联接点 e 2 3 5 0 * 2紧急制动时骑者对把手的水平推力 1 表列是静载( 1 9 ) 和紧急制动模拟( - - l g ) 时载荷，承重 备注力加速度倍数得选定试验工况的载荷值。 2 制动时，保留表中f l f 8 ( 静载) ，撤去f i ( 离鞍) 改f 。， f b ，f c 2 基本规律 由试验可以得出车架应力分布的基本规律为： 1 4 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 车架下梁管上悬臂端是高应力危险区( 垂直方向载荷时) ，q j l 2 5 a 型高于 对比车架，须进行设计改进。 ( 2 ) 下梁管和车头接合部两车具有一致的应力水平 ( 3 ) 前减震器内管上根部在垂向超载试验中将进入材料( 2 0 # 钢管) 的屈服阶 段。 2 3 2 q j l 2 5 q j l 2 5 f 型车架后部易损结构强度分析 i 典型截面应力分布规律： 图2 5 图2 8 选列了q j l 2 5 、q j l 2 5 f 原型和改进型车架截面测点的应力曲线， 可以看到： ( 1 )当工况烈度分级递增时，同一测点的应力线性度良好，垂向4 9 时， q j l 2 5 f 最大拉应力水平达1 4 2 m p a ，而q j l 2 5 型对应截面的轴向应力水平 平均要低4 3 ，说明两种车架材料在试验对应的恶劣工况下均工作于弹性 范围：q j l 2 5 型车架相应部位结构应力更低。 ( 2 )左右弯管和左右后撑管的i 截面上下轴向应力符号相反，幅值差 别不大，说明管承受的主要是弯曲应力，行驶中垂向振动将导致疲劳载荷 的作用。 2 改进车架后的降应力效果( 如表2 3 ) ： 表2 - - 3 两型车架改进前后易断裂截面最大拉应力之比( 垂直冲击4 9 时) ( q j l 2 5 f 型原型与改进型截面局部不对称，可比性不强。) 易断裂截面 q j2 5 q j l 2 5 f 编号 原型改进型原型改进型 i lo o 0 8 5 lo o0 8 5 i i1 0 0 o 8 7 1 0 0 o 7 0 1 o o0 8 3 1 o o o 7 4 1 o oo 7 6 平均1 ：o 7 9 ( 降幅2 1 )1 ：0 8 1 ( 降幅1 9 ) 一 。 浙江大学硕士学位论文 4 0 2 0 。 r 氆一2 0 生 、， 采 翅 1 4 0 - 6 0 一左座垫支捧臂 ( 上) 一4 1 - - 改进型左座垫支捧 管( 上) 1 左摩垫支撑管 ( 下) 一卜改进型左座垫支撑 管( 下) 图2 5q j l 2 5 截面e ( 左座垫支撑管) 应力曲线 - 1 舳 一2 图2 6q j l 2 5 截面g ( 左撑管) 应力曲线 一右弯管( 上) 一4 1 - - 改进型右弯管( 上) 1 一右弯管( 下) 一* 一改进型右弯管( 下) 图2 7q j l 2 5 f 截面c ( 右弯管) 应力曲线 帅鲫蚰卸。啪哪制哪枷 言 m 啪 的 。 咖 瑚 。生v r 疆 浙江大学硕士学位论文 重 v 采 删 一左后捧管( 前) 一1 1 - 改进型左后撑管 ( 前) - 1 卜左后撑管( 后) 一- - 改进窀左后撑管 ( 后) 图2 8q j l 2 5 f 截面d ( 左后撑管) 应力曲线 3 主载荷前后移动的影响 试验中改变摩托车乘员( 载物) 载荷( f l x 2 = 1 5 0 0 n 静载) 前后作用位置， 进行了对比性测试，呈现了很典型的现象： ( 1 ) 当主载荷分两点作用于1 2 5 型座垫前后支承点) 时，截面e 、f ( 左右座 垫支撑管) 上下都表现为压应力，截面g 、h ( 左右后撑管) 下部平均拉应力为 6 7 6 2 m p a ( 4 9 状态下) 。 ( 2 ) 当主载荷后移( 即加大载物架荷重) 时，截面e 、f ( 左右座垫支撑管) 上部平均拉应力为7 0 9 8 m p a ( 4 9 状态下) ，截面g 、h ( 左右后撑管) 上部平均 拉应力为2 5 2 0m p a ( 4 9 状态下) 。两种状态平均应力波动可达6 5 3 v p a ( 4 9 状 态下) 。 这给设计者以重要启示：农村和城市运输用车( 后座垫及货物架载荷较大) 将较容易在车架截面e 、f ( 左右座垫支撑管) 产生早期失效。 4 车架其它部位的应力变化 ( 1 )由于设计改型仅限于增加后部管板用材厚度，整体结构并未改变。在线弹 性范围内，不会对其它部位带来影响。实验数据趋势也支持这一论断 ( 2 )同一台发动机分四次在不同车架上安装时，发现装配应力对前部下梁管根 部应力有很大的影响( 单管悬臂结构，根部应力对端部位移相当敏感) ，当装配 应力和运行某应力状态有害叠加时，下梁管根部焊接过渡区的损坏将易于发生 2 3 3 q j l 5 0 型车架改进前后应力状态对比分析 1 7 i 浙江大学硕士学位论文 1 试验对象： ( 1 ) q j l 5 0 型( 改进前) 车架一台。在用户调研中，曾发现该型个别车架后 部( 上下联接管，左右前撑管区域) 有开裂失效现象； ( 2 ) q j l 5 0 型( 改进后) 车架两台，从成品中随机抽样； ( 3 ) c b l 2 5 t ( 本田王) 车架一台，用于对比分析。 上述三型均属发动机跨接式车架，它们的整体结构基本相同。表2 4 列出了 q j l 5 0 型车架后部结构和工艺的几项改进。c b l 2 5 t 型车架结构和q j l 5 0 型( 改 进后) 相同，其管壁厚度小于q j l 5 0 型( 改进后) 型。图2 9 、图2 一1 0 分别 是试验加载和仪器系统 表2 4 结构、工艺对照表 车型q j l 5 0 型( 改进前)q j l 5 0 型( 改进后) 上、下联接管中2 5 2 、2 7 * 2 焊接管0 2 5 3 、2 7 * 3 无缝管 左、右前撑管中2 5 2 、2 7 * 2 无缝管0 2 5 2 、2 7 * 2 无缝管 2 0 号钢1 0 号钢 发动机后固定板上端和上联接管有大于1 0 毫米间加大尺寸 隙消除间隙 焊接工艺半自动焊半自动焊，先焊板，后焊周 边，焊缝区尺寸过渡平缓 图2 9q j l 5 0 型车架试验加载示意图 1 3 浙江大学硕士学位论文 图2 一1 0 试验仪器框图 根据研究目的，重点在车架后部设置电阻应变片，图2 一l l 为测点示意图。 其中应变花、和q j l 5 0 型( 改进前) 车架开裂区相对应，分别安装于左、 右前撑管截面突变处a 和下联接管b 上。应变花、贴于前撑管截面均匀段， 目的是和、测点应力相比较。其它截面的应变片是为结构有限元应力计算提 供边界条件而设置的。 图2 1 1 布片方案示意图 2 基本规律 在两组试验中，分别对不同车架相同部位的应力场特征参数进行无量纲比较， 1 9 一 浙江大学硕士学位论文 从结构强度方面对设计作出评价。由试验得出的基本规律和强度分析如下： ( 1 )两种垂向受力工况中，最大应力点均出现在发动机后联接板上部和前撑管 焊接位截面突变处( 图四中a 处) ，q j l 5 0 型( 改进前) 因有大于l o m m 间隙而 形成了较大的应力集中，应力水平的提高使该部位工作条件恶化，在路面颠簸、 发动机振动等外力交变作用下，容易导致疲劳破坏。 ( 2 )下联接管处于扭弯组合、以扭为主的复合受力状态。b 处应变花测得的主 应力方向和实际开裂形貌基本吻合。改进后比改进前应力幅下降了2 0 3 5 ( 两 组试验的数据不同，但趋势不变) ，这主要是管壁加厚降低了应力。 ( 3 )在模拟紧急制动工况试验中，分析区域中各测点的应力水平较低。 ( 4 )