摩托车车架结构及振动分析

摩托车车架结构及振动分析

0降振方案的研究振动是阻碍摩托车行业发展的主要障碍。它不仅影响工作效率的稳定、安全，而且产品的使用寿命和质量，也影响骑士的舒适度和健康。因此，有必要研究摩托车的减税方案，解决产品开发阶段摩托车的振动问题，缩短产品的开发周期和降低成本。1悬架的模型简化摩托车车架结构基本上是由各种截面形状的钢管组合而成的空间框架,其截面尺寸,如直径、壁厚,与构件长度相比很小,因此非常适于选用空间的管、板壳单元来离散车架结构。而六面体等实体单元的插值精度虽高,但是用它离散摩托车车架不仅难以划分网格,也造成计算费用的大大增加;用空间板壳单元模拟加强筋;选择车架构件的交接点、断面尺寸变化点、载荷作用点以及支承点等作为节点。曲面3节点的三边形单元(Tri),曲线划分为2节点的梁/杆单元(Bar)。整个车架模型最终被划分了1894个节点,3003个单元。材料参数取为:弹性模量E=2.2×105N/mm2,泊松比P=0.3,密度ρ=7.8×10-9t/mm3。根据前、后减震器的技术要求,将前、后减震器简化为弹簧单元。将发动机简化为在质心位置的一个质点,用MPC模拟发动机与车架连接及发动机对车架的作用。用一维的弹簧单元来模拟车轮。后摇臂架起连接车架与车轮、减震器的作用,适合用杆单元模拟摇臂。驾驶员和油箱用添加在相应位置节点的集中质量的方法来模拟。2在模型分析基础上的应用对原摩托车进行模态分析,求得其固有频率和振型,分析可能引起车架振动的固有频率。考虑到该摩托车的常用转速是3000~12000r/min,选取50~200Hz作为计算频段范围。计算结果如表1所示。摩托车振动较大的部位基本上都集中在车架后半部分,此处又是人乘坐的区域,舒适性特别重要,故在以后的分析比较中,集中观察人体与车架接触处节点的振动情况。发动机运转时,工作冲程燃烧爆发压力和活塞往复运动引起惯性力和惯性力矩。根据质系动量定律,计算发动机在匀速转动下沿x和y方向的惯性力和惯性力矩。将惯性力和惯性力矩加载在模型发动机质点上,在模态分析的基础上,对系统进行谐响应分析,找到外加激励与摩托车系统的关系。分析结果发现,振动位移较大的是在频率55Hz,振幅2.6mm,90Hz,2mm,134Hz,1.35mm,156Hz,2mm附近的摩托车脚踏处,其次是车头处;驾驶员座垫处在90Hz附近较大。由摩托车有限元模态分析中可以看出这几个频率是摩托车的固有频率,在这几个频率下发生了共振。由对原车模型的分析得到,摩托车在发动机的激励下产生了共振。为避免共振现象出现,提出了解决摩托车振动问题的多种具体方案,并运用有限元法进行分析研究。3可满足汽车各机构对自由振动的调整摩托车振动是受发动机激励产生的振动和摩托车车架的动态特性及响应等多种因素综合影响形成的,这需要对发动机、车架等各方面配合相互印证、进行综合分析,并采取相应措施才能最终和有效解决摩托车振动问题。由于摩托车的车架在各个方向的刚度不同,在某个方向承受力的能力大,而在其它方向承受力的能力小。因此可以把惯性力、惯性力矩有意识地调到某个方向,使这个方向上承受力的能力为最大。将惯性力、力矩调整到车身对激振力不敏感的方向,从而使其对摩托车所产生的振动最小。具体采取的措施是,调整整个发动机的安装角度,但发动机与车架的连接点不变。对于发动机,选取相应的笛卡尔坐标系,O-XYZ为过质心的固定坐标系,垂直向上为Z的正方向,过0点摩托车前行方向为X轴的正方向,Y水平垂直于竖直平面,相对于摩托车前行方向水平靠左边为正方向,C-X¯¯¯Y¯¯¯Z¯¯¯X¯Y¯Ζ¯为发动机连体惯性主轴坐标系。此时活塞-连杆-曲柄机构运动中心点S在O-XYZ中的坐标为(xs,yx,zs),设活塞-连杆-曲柄机构产生的惯性力和惯性力矩分别为FSx,FSy,MS。FSx的方向即活塞的方向,与这里的O-XYZ中的X轴的夹角为ϕ,即为发动机的安装角度。原车ϕ=75°,从0~180°,每隔10°进行有限元分析一次。综合比较几个固有频率下的振幅得到,最大位移振幅为2.1mm,下降为原车的22.22%。调整发动机安装角度的控制振动分析得到,在10°的方向上,受力能力更大。这种方案实际操作简单,不需要附加成本,但是不同的车架其最大受力的方向可能不同,因此具有一定的约束性。4单轴式平衡根据发动机惯性力对摩托车振动的影响分析可知,发动机的惯性力大小对摩托车的振动有很大关系,当发动机与摩托车发生共振时,如果惯性力很小,反应出来的振幅和加速度也很小,如果发动机惯性对摩托车振动影响小于人体能承受和感知的程度,摩托车的舒适性程度就有很大的提高,对摩托车向更高排量和速度发展有推动作用。采用单轴平衡法可以有效地使x方向上的惯性力完全抵消,而且还消除了y方向上的一次惯性力,同时适当布置平衡轴的位置,还能消除连杆惯性力偶。单轴式平衡计算结果如下:Fx=0.004932f2cos2ωtFy=0Fz=0.018406f2cos2ωtMx=-0.1675f2cos2ωtMy=-0.75311f2cos2ωt+0.858113f2cos(ωt+π/2)Mz=0.044881f2cos2ωt将计算平衡后的惯性力和惯性力矩加载于摩托车模型的发动机质心位置,对模型进行有限元分析。结果表明,最大振动位移较原车减小了很多,单轴式平衡消除了一阶惯性力,但还有二阶惯性力作用。高速下振动也较小,降振效果明显。发动机单轴式平衡法只对发动机本身曲柄连杆活塞进行改进,并没有在设计时考虑到车架,这样就使发动机能适用于很多款车架,可以广泛地应用于摩托车发动机,不受车架设计的约束,这样能节约车架的开发成本和周期,这对开发新车很有利。但是单轴平衡由于加工及模具等方面的原因,成本较其它降振方案高。5发动机弹性悬挂的影响将发动机通过弹性元件,完全弹性地悬挂在车架上,则发动机干扰力只能直接作用于发动机本身,而车架所受到的干扰力为弹性元件施加的弹力,弹力完全由弹性元件的变形量确定。因此,通过柔性连接将发动机系统的固有频率降低,使发动机在高速运转时产生的惯性力不与车架和发动机系统发生共振,从而降低摩托车的振动。对采用发动机弹性悬挂的摩托车进行有限元分析。首先对以上建立的模型进行相应的修改,发动机简化为在质心位置的一个质点,用弹簧单元模拟发动机与车架的连接。采用硬度为30的橡胶制成的弹性减振元件,进行物理力学实验,再经计算得到弹簧单元的弹性系数如表2所示。修改后模型如图1所示。对模型进行谐响应分析。如图2所示,较大的振幅都集中在0~35Hz的频率段,其它频段振幅都很小,特别是高频段的振幅几乎为零。发动机弹性悬挂通过柔性连接将发动机系统的固有频率降低,减小了振动,效果明显。除了上述3种降振方案外,还有许多的方法可以用于解决摩托车的振动问题,例如改进车架结构,改变发动机的安装位置(即改变发动机的质心位置)等。6可解决可振动问题的理论依据通过对摩托车降振研究,建立了摩托车有限元模型;对有限元模型进行模态分析,并对车的动态特性做出初步评估,得到了可能