摩托车摇臂强度刚度分析及试验研究 - 图文-

1、摩托车摇臂强度刚度分析及试验研究3张晓蓉1,张伟敏2,陈庆林3(1重庆科技学院机械学院,重庆400042;2重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030;3中国嘉陵工业股份有限公司(集团,重庆630707摘要:摇臂是摩托车后悬挂系统的重要零/部件,其强度和刚度对摩托车的操纵性和安全性有重要影响。对摩托车摇臂的实际受力情况进行分析,研究摇臂强度和刚度的计算方法。以某型号摩托车为例,建立摇臂有限元模型,对其强度和刚度进行理论分析计算。建立摇臂强度刚度测试试验台,对其强度、刚度进行试验测试,验证有限元模型及分析的正确性。结果表明扭转破坏是摇臂破坏的主要形式,摇臂扭转刚度是非常重要的性能指标,对摇

2、臂的结构设计和优化具有重要的指导意义。关键词:摩托车摇臂;强度;刚度;有限元;试验中图分类号:T H132文献标识码:A文章编号:16713133(200803011904Study and exper im en t on the strength andsti ffness of the m otorcycle rockerarmZhang Xiao2r ong1,Zhang W ei2m in2,Chen Q ing2lin3(1Chongqing University of Science and Technol ogy,Chongqing400042,CHN;2State Key L

3、ab of Mechanical Trans m issi on,Chongqing University,Chongqing400030,CHN;3China J ialing I ndustrial Co.,L td,Chongqing630707,CHNAbstract:Rockerar m is an i m portant part of the mot orcycle rear sus pensi on system,and its strength and siffness have an i m por2 tent effect on the grand handling an

4、d security.Thr ough analyzing the reality stress conditi on of the mot orcycle r ockerar m,the method of how t o conclude strength and stiffness is p r oposed.Take s ome type of mot orcycle f or exa mp le,built its FE model of the r ockerar m,and then the strength and stiffness are calculated in the

5、ory.Enentually,t o verify the theoretical model and analyse,a ne w strength and stiffness test experi m ental bench is build f or mot orcycle r ockerar m and its strength and stiffness have been test. And the experi m ental results indicate that t orsi on failure is the key failure and t orsi onal s

6、tiffness is an i m portant perfor mance in2 dex t o the structural design and op ti m izati on of the r ockerar m.Key words:Mot orcycle r ockerar m;Strength;Stiffness;Finite ele ment;Experi m ent0引言摇臂是摩托车后悬挂系统的重要零/部件,与后减震器一起构成摩托车的后悬挂装置,主要用于连接车架、后轮和后减震器,是后悬挂装置的主要受力构件。摇臂与车架匹配的强度和刚度对于摩托车的操纵性、稳定性、舒适性以及安

7、全性具有很大的影响1,2。摇臂强度和刚度是评价摇臂性能的重要指标。摇臂强度是指摇臂结构抵抗破坏的能力;摇臂刚度主要由弯曲刚度和扭转刚度构成,弯曲刚度是指摇臂结构抵抗弯曲变形的能力,扭转刚度是指摇臂结构抵抗扭转变形的能力。本文对摇臂进行受力分析及有限元计算,根据摇臂实际受力状况设计专用试验台,对其强度和刚度进行试验测试,验证理论分析的正确性。结果表明扭转破坏是摇臂破坏的主要形式,摇臂扭转刚度是非常重要的性能指标,对摇臂的结构设计和优化具有重要的指导意义。1摇臂受力分析图1中的悬挂装置属于普通双臂式摇臂,由双摇9113新世纪优秀人才支持计划基金项目(NCET-05-0766 图1摇臂结构及变形示意

8、图1.后轮部件2.车架3.减震装置4.摇臂5.后轮轴6.支承面臂支撑两个缓冲装置,后轮由摇臂与后轮轴刚性连接3。111载荷条件摩托车在行驶过程中,摇臂受到以下两种性质的动载荷4。11111斜对称载荷摇臂的扭转变形主要是由斜对称载荷引起的。当摩托车在凹凸不平的路面上高速行驶时,轮胎一侧受到来自不平路面的冲击激励f,通过轮胎和后轮轴的传递,作用于摇臂左、右两侧的相反力F 1、F 2,其中一部分经过减震装置衰减传递到车架,剩余的作用于摇臂,引起摇臂扭转变形,如图1a 所示。但是,当摩托车低速行驶时,其摇臂扭转情况基本与静止状态相似。11112横向载荷摇臂的弯曲变形主要是由转弯时的向心挤压产生的。当摩

9、托车在弯道上行驶时,由于向心力的作用,摇臂受到来自后轮轴的挤压作用,从而引起摇臂的横向弯曲,如图1b 所示。此外摇臂还受到来自自身重量以及装夹预紧力载荷的作用,但这些载荷引起摇臂扭转和弯曲的变形和应力较动载荷所引起的变形和应力小得多,上述两种载荷是摇臂变形和破坏的主要因素,因此针对斜对称载荷和横向载荷对摇臂的强度和刚度进行分析研究。112刚度分析根据摇臂发生变形时的实际受力情况,对其施加扭转力矩和弯曲力矩,测试其扭转和弯曲强度值,计算出其扭转刚度值和弯曲刚度值5。11211扭转刚度分析考虑摇臂在摩托车中的安装方式以及试验可行性、方便性等因素,将摇臂受到的扭转力矩转换为单位力臂上的作用力,摇臂的

10、扭转受力变形如图2a 所示。在后轮轴处作用扭转力矩(通过在力臂为b 的施力杆端施加集中力F 来实现,在摇臂轴施加约束,让摇臂产生扭转变形。扭转变形的主要标志是两个横截面间绕轴线的相对转角,摇臂的扭转角为:=arctan x 1+x 2L 2-x 3+x 4L 1(1摇臂整体的扭转刚度K t 为:K t =M T=Fb(2式中:扭转角=010174rad;x n 为测量的变形量(n =1,2,3,4,m;L n 为摇臂前后连接管的长度(n =1,2,m;K t 为扭转刚度值,N m /rad;b 为用于施加扭矩的力臂的长度,m;F 为加载的力,N 。图2受力变形示意图11212弯曲刚度分析摇臂加

11、载弯曲变形如图2b 所示。在后轮轴处施加纵向集中载荷F,在摇臂轴处施加约束,让摇臂产生弯曲变形。弯曲变形量l 和弯曲刚度K l 为:l =x 1+x 22-x 3+x 42(3K l =F l(4式中:l 为弯曲变形量,m;K l 为弯曲刚度值,N /m 。2摇臂强度和刚度有限元分析根据摇臂的具体结构,建立摇臂的三维有限元模型,对其强度和刚度进行理论分析计算。211有限元模型的建立利用CATI A 建立摇臂的三维实体模型,采用有限元前处理软件Hyper M esh 对摇臂进行网格划分,通过MSC .Nastran 求解器进行有限元分析计算6。有限元分析模型如图3所示,共有3921个节点,382

12、1个单元。212边界条件对摇臂进行扭转分析时,摇臂轴和后轮轴采用多节21点约束(Multi 2Point Constraint,MPC 连接,在摇臂轴上施加六个方向的约束,模拟摇臂与夹具的刚性连接,在后轮轴中间进行五个方向的约束(释放绕Y 轴的旋转自由度来模拟支承块对摇臂的支承,扭转力矩加载在摇臂后轮轴的中间节点上,扭转约束加载模型见图3a;对摇臂进行弯曲分析时,摇臂轴进行刚性连接并进行全约束,后轮轴采用刚性连接,弯力则通过在摇臂后轮轴的一侧施加集中载荷来模拟,弯曲约束加载见图3b 。图3摇臂约束模型213分析结果摇臂在258N m 极限扭矩作用下应力及位移云图如图4所示;摇臂在1455N 极

13、限弯曲力载荷作用下应力及位移云图如图5所示 。图4 扭转应力及位移云图图5弯曲应力分布云图由应力分布云图可以看出,在极限扭矩和极限弯曲力作用下,摇臂两侧应力成对称分布且强度均满足设计要求(<s 。由图4可以看出,极限扭矩作用下摇臂轴附近的应力最大(对应测点1、2,见图6,应力分别为135125MPa 、129185MPa,扭转角为3129°,计算得扭转刚度为4600N m /rad;极限弯矩作用下摇臂轴与连接管连接处的应力最大(对应测点7、11,见图6,应力分别为165145MPa 、169158MPa,变形量为1121mm ,计算得弯曲刚度为112×106N /m

14、。3摇臂强度和刚度试验311试验方式31111刚度试验扭转刚度试验时,摇臂安装加载及测量仪表的安装如图6a 所示。在摇臂轴和后轮轴上方安装测量仪测量摇臂的扭转变形量,通过式(1、式(2计算得出摇臂的扭转角和扭转刚度值;在力臂的轴端施加极限载荷F ,在该极限载荷下进行摇臂强度试验,确定其在满足扭转刚度性能要求下其强度是否满足要求。弯曲刚度试验时,摇臂安装加载及测量仪表的安装如图6b 所示。在摇臂轴和后轮轴的末端放置测量仪测量摇臂的弯曲变形量,通过式(3、式(4计算出摇臂弯曲变形量和弯曲刚度值;在后轮轴处施加极限载荷F,在该载荷下对其强度测试,确定在满足刚度要求时其强度是否满足要求。31112强度

15、试验强度试验通过测试摇臂在极限扭矩和极限弯力作用下的应力值,以确定摇臂在满足刚度性能要求下其强度性能是事满足设计要求。通过理论分析选择应力较大的部位粘贴电阻应变计进行应力测试。采用BE12022BA 型号的应变片作为前端传感器,DRA 230A 静动态应变仪进行数据采集。因摇臂为对称结构,理论上两臂所受应力方向相反、大小相等,在满足试验要求的前提下,将测点布置在摇臂一侧以节省材料,部分测点布置如图6所示,图中112为测点 。图6摇臂加载约束及测点布置示意图312试验结果在施加的不同载荷F 作用下,测量相应位置的变形量,计算出不同载荷下摇臂的扭转刚度值和弯曲刚度值,取均值作为摇臂的刚度值,测试结

16、果见表1。对摇臂在极限扭矩和弯曲力作用下的强度进行测试,计算出摇臂各测点的应力值,见表2。表1刚度理论值和试验值的比较物理量试验值(均值理论值误差/%弯曲刚度K l /(N m -111019×106112×10615121由表1可知,摇臂的扭转刚度Kt=4304Nm/ rad,摇臂的弯曲刚度K l=11019×106N/m。摇臂的极限扭矩为258Nm,扭转角为31205°极限弯曲力为1455N,力臂为01239m,则极限弯矩为34717Nm,变形量为1151mm。摇臂在扭转载荷作用下的工况比弯曲载荷作用下的工况要恶劣得多,极限弯矩比极限扭矩高出8917

17、Nm。因此在摇臂的设计中应主要考虑扭转变形对摇臂产生的破坏作用;摇臂的使用工况不应该超过其极限扭矩,否则造成摇臂的变形失效。表2强度理论值和试验值的比较M Pa 工况测点试验值理论值误差/%极限扭矩由表2的测试结果可以看出,在极限扭矩和极限力作用下摇臂应力成对称分布。在极限扭矩作用下测点1的应力最大为141114MPa,在极限弯矩的作用下测点11的应力最大为195141MPa,理论计算结果与试验测试结果基本相符,验证了理论分析的正确性。4结语摩托车摇臂是摩托车后悬挂系统的重要部件,其强度和刚度指标对摩托车行驶平稳性、安全性和舒适性有重要影响。开展摇臂强度和刚度分析研究具有重要的理论意义和工程实

18、用价值。本文对摇臂实际受力情况进行了分析,研究了摩托车摇臂强度和刚度的计算方法。以某型号摩托车为例,利用CATI A软件建立摇臂的三维实体模型,用Hyper M esh软件建立了与试验对应的有限元模型,利用Nastran求解器对摇臂强度和刚度进行了理论分析计算。建立了摇臂强度和刚度测试试验台并进行了试验测试,得出了相应工况的强度和刚度值,测试结果与理论计算基本一致,验证了理论分析模型的正确性。结果表明该摩托车摇臂的扭转刚度4304Nm/ rad,弯曲刚度为11019×106N/m,极限扭矩为258Nm,极限弯矩为34717Nm。扭转破坏是摇臂最主要的破坏形式,扭转刚度是非常重要的性能指标,对摇臂结构设计和优化具有重要的指导意义。参考文献:1兰凤崇,李涛.客车车身结构件对整车刚度的影响J.汽车工程,2002,24(2.2高圣斌,高卫民,张其林,等.关于提高桑塔纳2000型白车车身扭转刚度的研究J.汽车工程,1996(2:72-76.3何军.摩托车单减震器后悬挂系统的设计D.南京理工大学,2001