正三輪摩托車車架力學性能研究

何亞峰，尹飛鴻，干為民，2

(1．常州工學院機電工程學院，江蘇常州 213002)

(2．江蘇省數字化電化學加工重點實驗室，江蘇常州 213002)

正三輪摩托車由于運輸方便、價格低和容易操作等特點，被廣泛應用于城鄉運輸行業中。其車架是重要的結構承載部件，它將發動機、傳動部分、操縱部分和行車部分的部件緊密地聯結在一起，從而保證行車的安全性和舒適性。由于正三輪摩托車多用于較差的路況，且隨機振動大，因此對正三輪摩托車車架的設計提出了更高的要求。多年來許多學者做了大量的研究，王晶等人利用ANSYS Workbench軟件對某三輪摩托車車架進行了動靜態有限元仿真計算［1］;王志明等人利用MSC．Patran/Nastran建立以板單元為基本單元的車架有限元模型，進行了車架應力和模態分析［2］。然而不同的正三輪摩托車車架承受載荷和使用路況不盡相同，因而需要在設計中預先評估車架的使用性能，保證用戶使用的可靠性。

1 正三輪摩托車車架有限元模型的建立

1．1 正三輪摩托車車架材料屬性

本文利用ABAQUS有限元軟件對正三輪摩托車車架進行力學計算，車架材料為Q235，密度為7．85 ×10－9t/mm3，泊松比為 0．3，材料的屈服強度為235MPa。分析中采用線彈性材料，考慮到正三輪摩托車車架安全問題，因而彈性模量選取最小值(1．96 ×105MPa)。

1．2 正三輪摩托車車架有限元網格劃分

采用四面體單元，對正三輪摩托車車架進行網格劃分，網格劃分數量為248160單元，其網格質量能夠保證計算精度，劃分后的正三輪摩托車車架如圖1所示。

圖1 正三輪摩托車車架有限元網格

1．3 正三輪摩托車車架載荷

根據正三輪摩托車相關設計要求，正三輪摩托車最大總質量為690kg，車廂質量為100kg，乘員質量為75kg，發動機質量為35kg，油箱(油)總成質量為9kg。

國家相關試驗車載標準載荷為:A級路面動載荷系數為1．12～1．19;B級路面動載荷系數為1．23 ～1．38;C 級路面動載荷系數為 1．48 ～1．76;D級路面動載荷系數為2．00～2．52。

考慮到正三輪摩托車車架使用安全性能，根據所建立模型和實際工況要求按照D級路面動載荷最大系數2．52進行最大工況加載計算，車架載荷施加如圖2所示。

1．4 正三輪摩托車車架工況及邊界處理

a．車架彎曲工況。

主要考慮正三輪摩托車滿載狀態下靜止或在良好路面上勻速直線行駛時應力分布和變形情況。

邊界處理:前立管、板簧連接部位的6個自由度全部約束。

圖2 正三輪摩托車車架載荷施加

b．車架緊急制動工況。

主要考慮正三輪摩托車以規定最大制動加速度制動時，地面制動力對車架的影響。根據制動力計算公式，正三輪摩托車前輪最大制動力Ff=FZ1×φ =155×9．8 ×0．75=1139．25N，其中 FZ1為前輪軸荷分配重力，φ為附著系數;正三輪摩托車兩后輪最大制動力Fr=FZ2×φ =535×9．8×0．75=3932．25N，其中FZ2為后輪軸荷分配重力。

邊界處理:前立管、板簧連接部位的6個自由度全部約束，在正三輪摩托車行駛方向上的前后車輪附加相應的1139．25N和3932．25N制動力。

c．車架急轉彎工況。

主要考慮正三輪摩托車以安全轉彎速度行駛時慣性力對車架的影響。根據正三輪摩托車安全轉彎半徑的測量方法，獲得該車的轉彎半徑為3 130mm;根據正三輪摩托車安全轉彎速度規定，正三輪摩托車安全轉彎速度為10km/h，根據公式v=rω，可得轉彎角速度為0．887 5rad/s。

邊界處理:前立管、板簧連接部位的6個自由度全部約束，在轉彎方向上施加轉彎角速度為0．887 5rad/s。

d．車架扭轉工況。

主要考慮將一側車輪懸空時扭矩對車架的影響。

邊界處理:刪除車架懸空輪垂直于地面方向上的約束。

2 正三輪摩托車車架4種工況計算結果

2．1 正三輪摩托車車架4種工況下MISE分布

圖3所示是正三輪摩托車車架在4種工況下，經4種不同邊界處理所得到的車架MISE分布。從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)中可以看出車架處于4種工況下的MISE分布趨勢基本一致，MISE分布不均勻，最大值基本集中在車架連接車輪處的位置，分別為 121．2MPa、138．0MPa、138．5 MPa、216．3MPa，4 種工況的最大值均小于車架材料屈服強度235MPa，因而正三輪摩托車車架結構強度符合要求。

圖3 正三輪摩托車車架4種不同工況MISE分布

2．2 正三輪摩托車車架4種工況下總變形量分布

圖4所示是正三輪摩托車車架在4種工況下，經4種不同邊界處理所得到的車架總變形量分布。從圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中可以看出車架處于彎曲工況、緊急制動工況和急轉彎工況下總變形量分布趨勢大致相同，其最大變形量值分別為0．718 2mm、0．718 9mm、0．718 7mm，從圖4(d)中可以看出車架處于扭轉工況下的總變形量分布不均勻，其最大變形量值為3．801 0mm。因而在車架設計中需要重點考慮扭轉工況下車架變形的狀況。

圖4 正三輪摩托車車架4種不同工況總變形量分布

3 三輪摩托車車架模態分析

正三輪摩托車大多使用在鄉間道路，具有路況差、振動大等特點，因而正三輪摩托車車架在設計中必須考慮頻率與振幅問題，以保證正三輪摩托車車架的使用性能和舒適性。

正三輪摩托車車架運動微分方程為:

式中:［M］為質量矩陣;［C］為阻尼矩陣;［K］為剛度矩陣;{}為N維加速度響應向量;{}為N維速度響應向量;{X}為N維位移響應向量;{f(t)}為N維激振力向量。

在不考慮阻尼和外載的情況下，［C］=0，{f(t)}=0，則式(1)變為:

由式(2)解得簡諧函數形式為:

式中:{φ}為特征向量或振型;ω為頻率。

3．1 正三輪摩托車車架第一階頻率與振型

圖5所示是經過有限元計算的正三輪摩托車車架模態分析結果，可以看出車架的第一階頻率為79．36Hz，振型沿車架橫向扭曲。

圖5 正三輪摩托車車架第一階頻率與振型

3．2 正三輪摩托車車架第二階頻率與振型

圖6所示是經過有限元計算的正三輪摩托車車架模態分析結果，可以看出車架的第二階頻率為128．78Hz，振型沿車架縱向彎曲。

圖6 正三輪摩托車車架第二階頻率與振型

3．3 正三輪摩托車車架前十階頻率與振型

表1是通過有限元計算的正三輪摩托車車架前十階頻率與振型，表中數據可為車架結構設計和測試提供理論依據。

4 結束語

本文正三輪摩托車車架4種工況的強度和剛度計算結果，能提高評估車架性能和結構的效率;而正三輪摩托車車架前十階頻率與振型量則為改善車架動態性能提供了設計依據，對降低設計成本起到了重要的作用。本文對正三輪摩托車車架的分析計算為車架設計和結構改進提供了理論依據，能大幅度縮短車架設計周期。

表1 正三輪摩托車車架前十階頻率與振型

［1］ 王晶，神會存，汪友剛．三輪摩托車車架有限元分析［J］．中原工學院學報，2010，21(5):22 －25．

［2］ 王志明，胡新華．基于MSC．Patran/Nastran的農用三輪車車架結構分析［J］．農機化研究，2007(8):31－33．