摩托车车把振动问题分析

市 场 需 求 的 多 样 化 和 人 们 对 摩 托 车 性 能 要 求 的提 高 , 要 求 企 业 有 能 力 对 已 有 车 型 进 行 改 进 设 计 或者 开 发 新 产 品 以 适 应 新 的 需 求 。 摩 托 车 车 把 是 摩 托车 的 重 要 零 部 件 之 一 , 主 要 功 能 是 操 纵 控 制 摩 托 车行 驶 的 方 向 。 摩 托 车 在 行 驶 过 程 中 主 要 受 到 来 自 路面 和 发 动 机 的 激 励 , 车 把 将 前 轮 路 面 激 励 通 过 减 震器 和 发 动 机 激 励 通 过 车 架 传 递 来 的 振 动 传 递 到 驾 驶员 手 上 , 车 把 振 动 特 性 对 摩 托 车 的 行 驶 安 全 性 与 舒适 性 有 重 要 影 响 。车 把 作 为 摩 托 车 的 一 个 关 键 零 件 , 应 该 与 发 动机 前 后 减 震 器 合 理 匹 配 , 在 设 计 开 发 阶 段 应 掌 握 车把 的 特 性 , 以 便 进 行 整 车 的 合 理 设 计 。 摩 托 车 车 把特 性 分 析 应 包 括 静 特 性 分 析 和 动 特 性 分 析 。 模 态 分析 是 现 代 结 构 动 特 性 分 析 的 基 础 , 已 得 到 了 广 泛 应用 。 本 文 针 对 某 摩 托 车 在 常 用 车 速 下 车 把 振 动 剧 烈的 问 题 , 建 立 了 车 把 的 车 把 管 有 限 元 模 型 , 借 助 于M S C . N A S T R A N 完 成 了 车 把 管 主 体 的 计 算 模 态 仿 真分 析 , 提 出 了 改 进 方 案 , 并 进 一 步 通 过 试 验 验 证 了 仿真 分 析 的 结 果 。1 模 态 分 析 理 论 基 础 1 , 2 对 受 外 界 载 荷 和 激 励 的 任 意 机 械 系 统 进 行 动力 学 分 析 时 , 一 般 借 助 于 简 化 了 的 数 学 模 型 , 抽 象 出其 主 要 的 力 学 特 性 。 例 如 将 一 个 无 限 多 自 由 度 系 统简 化 为 一 个 有 限 自 由 度 系 统 , 建 立 微 分 方 程 如 下 : M x + C x + K x = F ( t ) ( 1 )其 中 : x 为 广 义 坐 标 的 列 阵 , M 、 C 、 K 分 别 为 质量 、 阻 尼 和 刚 度 矩 阵 , x 、 x 分 别 为 速 度 向 量 和 加速 度 向 量 。 对 于 线 形 系 统 , ( 1 ) 式 就 是 一 个 组 线 性 定常 微 分 方 程 , 是 一 组 耦 合 方 程 , 求 解 微 分 方 程 即 可 得到 系 统 的 振 动 响 应 。假 定 初 始 位 移 和 速 度 为 零 , 将 ( 1 ) 式 进 行 拉 氏 变换 , 得 出 :( M + s C + K ) x = F ( s ) ( 2 )引 入 下 面 恒 等 式 :( s M - s M ) X = 0将 此 式 与 ( 2 ) 式 结 合 在 一 起 得 :( s A + B ) Y = F ( 3 )其 中 : Y = s X X T, F = 0 F T A = 0 M M C! , B =- M 0 0 K! 假 设 力 函 数 为 零 , 则 ( 3 ) 式 就 变 成 特 征 值 求 解 ,特 征 值 满 足 : s A + B = 0 。对 于 N 自 由 度 系 统 , 此 方 程 就 有 2 N 个 呈 复 共轭 对 出 现 的 特 征 值 。 特 征 值 包 含 阻 尼 因 子 和 阻 尼 固有 频 率 。 每 个 特 征 值 一 个 特 征 向 量 ( 其 中 为 振 型 向 量 ) :i= i i i 线 性 系 统 , 满 足 叠 加 原 理 , 系 统 的 频 响 函 数摩 托 车 车 把 振 动 问 题 分 析江 洪1袁 理2文 琍1汪 先 国3周 坤3( 1 . 重 庆 工 业 职 业 技 术 学 院 , 重 庆 4 0 0 0 5 0 ; 2 . 重 庆 科 技 学 院 , 重 庆 4 0 0 0 4 2 ;3 . 建 设 工 业 ( 集 团 ) 有 限 责 任 公 司 , 重 庆 4 0 0 0 5 0 )摘 要 : 针 对 某 摩 托 车 车 把 在 常 用 车 速 下 剧 烈 振 动 的 问 题 , 利 用 U G 软 件 进 行 几 何 建 模 ; 然 后 用 M S C . P A T R A N / N A S A N 软 件 建 立 其 有 限 元 模 型 , 并 进 行 了 自 由 和 约 束 模 态 的 计 算 机 仿 真 分 析 , 提 出 了 车 把 改 进 方 案 ; 最 后 利 用 L M S 试验 模 态 分 析 系 统 对 该 车 把 及 改 进 车 把 进 行 了 试 验 模 态 分 析 , 验 证 了 计 算 机 仿 真 结 果 , 改 进 了 车 把 的 振 动 特 性 。关 键 词 : 摩 托 车 ; 车 把 ; 振 动 ; 模 态 分 析 ; 有 限 元中 图 分 类 号 : U 4 8 3 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 6 7 3 - 1 9 8 0 ( 2 0 0 7 ) 0 1 - 0 0 4 5 - 0 4收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 0 3 - 0 7作 者 简 介 : 江 洪 ( 1 9 7 2 - ) , 男 , 重 庆 人 , 硕 士 , 重 庆 工 业 职 业 技 术 学 院 汽 车 工 程 系 副 主 任 , 讲 师 。第 9 卷 第 1 期 重 庆 科 技 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2 0 0 7 年 3 月4 5 可 描 述 为 ( 多 个 单 自 由 度 系 统 的 叠 加 ) : H ( j w ) = 1! i w - i+ *i * *i #模 态 分 析 就 是 使 运 动 微 分 方 程 组 解 耦 , 成 为 一组 由 模 态 坐 标 及 模 态 参 数 描 述 的 独 立 方 程 , 根 据 模态 参 数 进 行 求 解 。 模 态 分 析 有 两 种 途 径 :( 1 ) 解 析 法解 析 法 是 建 立 多 自 由 度 运 动 微 分 方 程 组 , 根 据质 量 、 刚 度 、 阻 尼 矩 阵 来 估 计 模 态 参 数 , 也 就 是 特 征值 求 解 的 问 题 。( 2 ) 试 验 法试 验 法 就 是 根 据 试 验 , 测 出 频 响 函 数 矩 阵 , 然 后用 适 当 的 参 数 估 计 算 法 来 估 计 模 态 参 数 。2 计 算 机 仿 真 模 型 的 建 立某 摩 托 车 车 把 管 的 结 构 非 常 简 单 , 是 一 个 不 锈钢 复 合 管 , 如 图 1 所 示 。图 1 车 把 管 几 何 模 型图 2 车 把 管 有 限 元 模 型首 先 利 用 U G 软 件 建 立 三 维 几 何 模 型 , 然 后 导入 M S C . P A T R A N 进 行 前 处 理 ( 主 要 包 括 网 格 的 合 理划 分 检 查 ) , 完 成 有 限 元 建 模 ; 最 后 利 用 M S C . N A S A N 计 算 器 进 行 分 析 计 算 3 5 。采 用 解 析 法 和 试 验 法 分 析 手 把 管 的 模 态 分 布 情况 。 手 把 管 固 定 在 摩 托 车 上 , 因 此 对 手 把 管 进 行 自由 模 态 分 析 和 约 束 模 态 分 析 。建 模 的 目 的 是 用 于 车 把 的 模 态 分 析 。 车 把 主 要结 构 为 圆 管 , 其 厚 度 与 长 度 和 截 面 尺 寸 相 比 很 小 , 因此 用 板 单 元 ( s h e l l 单 元 ) 进 行 模 拟 , 采 用 拓 扑 结 构 为q u a d 4 的 s h e l l 单 元 把 模 型 离 散 化 。 图 2 是 建 立 的 有车 把 管 有 限 元 模 型 。3 车 把 管 动 特 性 计 算 机 仿 真 分 析解 析 法 进 行 模 态 分 析 , 即 将 系 统 简 化 为 多 自 由度 系 统 , 需 借 助 于 有 限 元 法 。 车 架 是 一 个 无 阻 尼 系统 , 其 特 征 值 方 程 可 简 化 为 : K - M = 0求 解 上 式 即 实 特 征 值 分 析 , 关 键 是 特 征 值 的 提取 算 法 。 M S C . N A S T R A N 提 供 了 9 种 算 法 , 可 以 分 为三 类 : ( 1 ) 跟 踪 法 ( t r a c k i n g m e t h o d ) ; ( 2 ) 变 换 法( t r a n s f o r m a t i o n m e t h o d ) ; ( 3 ) 兰 索 士 法 ( L a n c z o sm e t h o d ) 。 其 中 , L a n c z o s 法 是 跟 踪 法 和 变 换 法 的 结合 , 具 有 较 好 的 性 能 。 本 文 就 采 用 L a n c z o s 法 , 由 于是 自 由 模 态 , 前 6 阶 为 刚 体 模 态 。摩 托 车 承 受 路 面 和 发 动 机 激 励 , 路 面 是 低 频 激励 , 而 发 动 机 的 激 励 主 要 是 一 阶 往 复 惯 性 力 , 其 频 率不 超 过 2 5 0 H z ( 工 作 范 围 一 般 在 3 0 0 0 9 0 0 0 转 ) , 因此 只 考 虑 2 5 0 H z 以 内 的 模 态 。( 1 ) 自 由 模 态 分 析对 有 限 元 模 型 , 利 用 L a n c z o s 法 求 解 手 把 管 的自 由 模 态 。 自 由 模 态 分 析 结 果 见 表 1 所 示 。 自 由 模 态在 2 5 0 H z 下 有 1 阶 频 率 为 1 0 3 . 5 8 H z 。( 2 ) 约 束 模 态 分 析自 由 模 态 分 析 是 车 把 在 自 由 状 态 下 的 结 构 特性 , 而 实 际 上 车 把 管 是 固 定 在 摩 托 车 上 , 具 有 一 定 的约 束 。 但 其 真 实 的 边 界 条 件 不 易 模 拟 , 因 此 采 用 固 定约 束 来 代 替 , 其 效 果 有 待 试 验 模 态 分 析 检 验 。手 把 管 固 定 后 的 模 态 分 析 结 果 如 表 1 所 示 , 可见 在 约 束 状 态 下 , 车 把 模 态 振 动 频 率 下 降 , 在 1 0 0 H 有 4 阶 , 而 该 摩 托 车 常 用 车 速 5 0 k m / h 时 发 动 机1 阶 激 励 频 率 即 为 1 0 0 H z 左 右 , 很 容 易 发 生 共 振 , 影响 操 控 性 和 舒 适 性 , 应 该 进 车 把 管 结 构 , 以 大 幅 度 减小 振 动 。表 1 车 把 管 模 态 仿 真 分 析 结 果4 试 验 模 态 分 析试 验 模 态 分 析 是 另 一 种 途 径 , 可 用 来 验 证 计 算模 态 分 析 , 两 者 互 为 指 导 。 试 验 法 和 解 析 法 相 结 合 , 有利 于 更 好 地 分 析 结 构 的 振 动 特 性 。 手 把 管 的 计 算 模 态分 析 需 经 试 验 验 证 , 手 把 管 的 结 构 较 简 单 , 其 自 由 模态 的 计 算 分 析 比 较 准 确 , 但 手 把 管 的 实 际 约 束 比 较 复阶 数1234自 由 模 态 频 率 / H 3 . 5 8 约 束 模 态 频 率 / H . 7 29 9 . 2 09 9 . 8 11 0 3 . 5 6Z 江 洪 , 袁 理 , 文 琍 , 汪 先 国 , 周 坤 : 摩 托 车 车 把 振 动 问 题 分 析X 杂 , 不 便 于 计 算 机 模 拟 分 析 , 仍 有 待 试 验 验 证 。试 验 模 态 分 析 的 精 度 由 测 试 系 统 的 硬 件 和 软 件处 理 方 法 、 测 试 人 员 的 熟 练 程 度 决 定 , 随 着 计 算 机 技术 和 数 字 信 号 处 理 技 术 的 发 展 , 试 验 模 态 装 置 已 日渐 成 熟 , 并 得 到 了 广 泛 应 用 。4 . 1 测 试 系 统测 试 系 统 主 要 包 括 加 速 度 传 感 器 、 力 锤 及 力 传感 器 、 L M S S C A D A S 数 据 采 集 前 端 、 微 机 、 L M S S T L A B 软 件 6 。对 车 把 管 进 行 自 由 模 态 试 验 分 析 时 , 用 较 软 的橡 皮 绳 将 车 架 吊 起 来 , 使 其 处 于 自 由 状 态 , 采 用 力 锤激 励 。 对 车 把 管 进 行 单 点 激 励 、 多 点 响 应 ( S I M O ) 。 对车 把 管 进 行 约 束 模 态 试 验 分 析 时 , 直 接 将 车 把 管 按照 实 际 摩 托 车 安 装 要 求 安 装 在 摩 托 车 上 , 仍 采 用 力锤 激 励 。 对 车 把 管 进 行 单 点 激 励 、 多 点 响 应 ( S I M O ) 。4 . 2 试 验 结 果 及 分 析根 据 实 测 的 频 响 函 数 , 利 用 多 参 考 点 最 小 二 乘复 指 数 法 ( L S C E ) 进 行 模 态 参 数 识 别 5 , 6 。仿 真 模 型 是 一 无 阻 尼 系 统 , 试 验 分 析 时 考 虑 到了 车 把 的 阻 尼 , 即 仿 真 分 析 是 实 模 态 , 而 试 验 结 果 为复 模 态 , 但 由 于 阻 尼 较 小 , 因 此 从 理 论 上 讲 , 所 造 成的 差 别 不 大 。试 验 模 态 分 析 结 果 见 表 2 所 示 , 比 较 手 把 管 自由 模 态 的 计 算 机 仿 真 结 果 ( 表 1 ) 和 试 验 结 果 , 发 现 试验 结 果 模 态 阶 数 减 少 , 二 者 的 差 别 很 小 , 说 明 计 算 机模 型 能 较 好 地 表 达 出 手 把 管 的 模 态 特 性 。表 2 车 把 模 态 试 验 分 析 结 果以 试 验 模 态 分 析 为 准 , 自 由 状 况 下 手 把 管 的 第一 阶 模 态 频 率 为 1 0 5 . 5 6 H z , 实 际 工 况 下 手 把 管 的 第二 阶 模 态 频 率 为 9 3 . 3 8 H z 。 而 实 际 道 路 试 验 表 明 手把 处 的 振 动 随 车 速 的 变 换 , 在 5 0 k m / h 、 5 5 k m / h 这 两个 车 速 时 出 现 峰 值 , 这 两 个 车 速 对 应 的 频 率 分 别 为9 0 . 6 H z 、 9 8 . 9 H z , 这 和 实 际 工 况 下 手 把 管 的 模 态 频 率相 吻 合 , 说 明 在 发 动 机 转 速 为 5 6 0 2 r / m i n 左 右 时 , 发动 机 激 励 和 车 把 管 的 模 态 发 生 共 振 , 在 最 高 档 位 下表 现 为 车 速 在 5 2 . 6 7 k m / h 左 右 。5 手 把 管 改 进设 法 避 免 实 际 工 况 下 手 把 管 的 固 有 频 率 和 发 动机 激 励 出 现 共 振 , 是 治 理 车 把 振 动 的 最 好 办 法 , 具 体做 法 如 下 : ( 1 ) 提 高 实 际 工 况 下 车 把 管 的 模 态 频 率 ,使 其 避 开 常 用 车 速 ; ( 2 ) 合 理 匹 配 传 动 系 参 数 , 降 低高 档 位 下 常 用 车 速 对 应 的 转 速 ; ( 3 ) 采 用 橡 胶 隔 振 措施 , 增 加 系 统 阻 尼 。本 文 采 用 第 一 种 方 法 , 由 于 降 低 车 把 管 频 率 , 往往 需 增 加 重 量 , 不 符 合 轻 量 化 的 设 计 原 则 , 因 此 设 法提 高 实 际 工 况 下 车 把 管 的 模 态 频 率 , 以 改 善 常 用 车速 下 的 振 动 舒 适 性 。在 计 算 机 仿 真 模 型 的 基 础 上 , 改 变 手 把 管 结 构 ,检 查 哪 一 种 方 案 能 有 效 提 高 其 固 有 频 率 。 在 确 定 方案 的 过 程 中 发 现 , 提 高 结 构 的 自 由 模 态 频 率 很 容 易 ,但 是 固 定 工 况 下 的 频 率 并 不 易 提 高 。最 后 选 择 的 方 案 如 图 3 所 示 , 改 进 方 案 是 在 原手 把 管 的 基 础 上 加 焊 了 一 根 “ T ” 形 管 。 该 方 案 在 自由 状 态 下 和 固 定 工 况 下 的 计 算 模 态 分 析 结 果 分 别 见表 3 所 示 , 只 列 出 自 由 状 态 下 的 第 一 阶 模 态 和 固 定工 况 下 的 前 两 阶 模 态 。图 3 车 把 管 改 进 方 案表 3 改 进 车 把 管 模 态 频 率改 进 方 案 在 自 由 工 况 下 、 固 定 工 况 下 的 计 算 模态 , 均 比 原 车 把 管 提 高 了 。 成 车 道 路 试 验 结 果 和 试车 员 的 主 观 感 觉 相 吻 合 , 采 用 改 进 方 案 后 , 驾 驶 员感 觉 车 速 在 5 0 6 0 k m / h 范 围 内 手 把 管 的 振 动 明 显改 善 , 但 车 速 提 高 至 7 5 k m / h 以 上 时 感 觉 和 原 管 差不 多 。 说 明 在 常 用 车 速 下 该 摩 托 车 车 把 振 动 问 题 得到 了 很 好 的 解 决 。综 上 分 析 可 知 , 仿 真 模 态 参 数 和 试 验 模 态 能 够较 好 地 吻 合 , 频 率 接 近 。 这 说 明 仿 真 模 型 可 靠 、 准 确 。由 于 有 限 元 模 型 节 点 较 多 , 振 型 比 试 验 结 果 更 为 直观 , 可 作 为 设 计 中 的 参 考 。6 结 束 语模 态 分 析 是 结 构 分 析 的 基 本 手 段 , 而 且 振 型 的特 征 与 整 车 的 合 理 布 置 也 有 关 。 本 文 采 用 计 算 机 仿真 方 法 对 摩 托 车 车 把 进 行 了 模 态 分 析 , 并 进 行 了 车把 改 进 与 试 验 验 证 , 研 究 结 果 表 明 , 仿 真 模 型 和 试 验分 析 结 果 相 吻 合 , 说 明 建 模 时 处 理 方 法 正 确 , 仿 真 精阶 数1自 由 模 态 频 率 / H 5 . 5 6约 束 模 态 频 率 / H . 3 8Z X 值试 验 值自 由 模 态 频 率 / H 1 . 1 31 8 3 . 2 1约 束 模 态 频 率 / H 9 . 5 81 1 7 . 5 8江 洪 , 袁 理 , 文 琍 , 汪 先 国 , 周 坤 : 摩 托 车 车 把 振 动 问 题 分 析4 7 ( A 12= ( 2 5 T Z n C CZ n C 0 . 0 5 1 /( 1 0 02 . 2 . 5 注 意 事 项( 1 ) 铝 和 E D T A 或 C D T A 络 合 要 在 p H 值 为2 . 5 3 . 0 的 范 围 内 进 行 , C D T A A l 的 比 例 需 2 3 倍 才能 定 量 地 形 成 1 1 的 络 合 物 。( 2 ) 为 了 便 于 判 断 终 点 , 可 使 用 对 比 溶 液 。3 结 论络 合 滴 定 法 实 验 原 理 、 实 验 程 序 和 方 法 正 确 , 但因 操 作 者 对 滴 定 终 点 颜 色 视 觉 敏 感 度 不 同 而 引 起 实验 偏 差 , 样 品 中 微 量 的 其 它 金 属 元 素 也 会 因 E D T 属 离 子 的 强 配 位 能 力 而 影 响 滴 定 结 果 ; 重 量 法直 接 称 量 而 获 得 分 析 结 果 , 不 需 要 标 准 试 样 或 基 准 物质 进 行 比 较 , 操 作 简 单 , 实 验 室 中 易 采 用 重 量 法 , 但 重量 法 中 氢 氧 化 铝 在 沉 淀 时 易 吸 附 盐 类 , 使 结 果 偏 高 。参 考 文 献 1 闻 武 , 陈 炳 卿 , 崔 鸿 斌 , 等 . 铝 器 溶 出 影 响 因 素 的 研 究 J . 中华 预 防 医 学 杂 志 , 1 9 9 1 , 2 5 ( 3 ) : 1 7 4 . 2 贾 洪 绅 . 铝 值 得 重 视 的 微 量 元 素 J . 化 学 教 育 , 2 0 0 1 , 2 2 ( 9 ) : 5 .I n f l u e n c e o f A l u m i n u m t o P e o p l e s H e a l t h a n d T e s t i n g t h eC o n t e n t o f A l u m i n u m i n F o o E N G X i n( C h a o y a n g T e a c h e r s C o l l e g e , C h a o y a n g 1 2 2 0 0 0 )A b s t r a c t : T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s s i m p l y t h e w a y a n d h a r m f o r p e o p l e t o t a k e a l u m i n u m i n t o b o d i e s . A n d i td i s c u s s e s h o w t o r e d u c e t h e h a r m a n d h o w t o t e s t t h e c o n t e n t o f a l u m i n u m i n f o o d .K e y w o r d s : a l u m i n u m ; h e a l t h ; f o o d ; p o i s o 高 。参 考 文 献 1 何 渝 生 , 魏 克 严 , 洪 宗 林 , 等 . 汽 车 振 动 学 M . 北 京 : 人 民交 通 出 版 社 , 1 9 9 0 . 2 沃 德 海 伦 , 斯 蒂 芬 拉 门 兹 , 波 尔 萨 斯 著 , 白 化 同 , 郭 继忠 译 . 模 态 分 析 理 论 与 试 验 M . 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出版 社 , 2 0 0 1 . 3 高 国 生 , 张 祖 翰 . 摩 托 车 车 架 动 态 特 性 性 能 的 试 验 研 究 J . 振 动 与 冲 击 , 1 9 9 4 ( 3 ) : 6 6 - 6 9 . 4 蓝 军 , 张 殿 昌 . 在 摩 托 车 设 计 中 对 车 架 动 态 特 性 的 分 析 J . 摩 托 车 技 术 , 1 9 9 9 ( 1 0 ) : 3 - 6 . 5 陈 宝 , 雷 刚 , 徐 中 明 , 肖 盛 云 . 基 于 M S C T R A N / N A S T R A 托 车 车 架 结 构 分 析 J . 机 械 与 电 子 , 2 0 0 4 ( 9 ) : 6 - 9 . 6 L M S . T h e o r y a n d b a c k g r o u n d Z . L M S I n t e r n a t i o n a l . 2 0 0 2 , 袁 理 , 文 琍 , 汪 先 国 , 周 坤 : 摩 托 车 车 把 振 动 问 题 分 析O n V i b r a t i o n A n a l y s i s o f M o t o r c y c l e H a n d l A N G H o n A N L N L N G X i a n - g u O U K u 1 . C h o n g q i n g I n d u s t r y P o l y t e c h n i c C o l l e g e , C h o n g q