搖擺電動三輪摩托車車架有限元分析

吳 南 郝鑫瑞 張立鵬

（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所 天津 300072 2-中國質(zhì)量認證中心）

引言

依托于物流配送高速發(fā)展的行業(yè)前景以及節(jié)能環(huán)保的法規(guī)要求，以解決市場需求為目標(biāo)，搖擺電動三輪摩托車應(yīng)運而生[1-2]?；趽u擺理念，搖擺電動三輪摩托車車架摒棄了傳統(tǒng)三輪摩托車車架的一體式框架設(shè)計思想，設(shè)計了前、后分體式高強度鋁合金車架。車架作為搖擺電動三輪摩托車的關(guān)鍵核心骨架，動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)以及其它零部件均固定安裝其上，且在行駛過程中也會受到因路面不平引起的沖擊載荷。本文利用有限元分析軟件對搖擺電動三輪摩托車車架進行分析，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計階段對強度有初步的認識，以進一步判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 搖擺電動三輪摩托車車架模型構(gòu)建

搖擺三輪摩托車車架主要部件包括前車體、后車體及搖擺器三部分。前車體采用鋁合金鑄件、鋁合金方管與鋁合金鈑金件焊接而成。后車架主要由鋁合金方管與鋁合金鈑金件焊接構(gòu)成。前車體、后車體及搖擺器這3 個組件之間通過螺栓聯(lián)接組成整個車架。

本文使用三維建模軟件UG 對搖擺三輪摩托車車架主要部件建立數(shù)模，根據(jù)子模型之間的配合關(guān)系搭建車架的裝配模型，將該模型導(dǎo)入有限元分析軟件Hyper work 中進行前處理，抽取中面，劃分網(wǎng)格，定義材料屬性，建立車架的有限元分析模型。

在有限元建模過程中，為提高計算效率且保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，簡化處理了整個車架三維裝配數(shù)模。簡化處理原則如下[3-4]：

1）對車架強度影響不大的部分安裝支架等零件做刪除處理，如塑件的安裝支架等；

2）檢查三維數(shù)模的干涉情況，處理模型干涉位置，避免產(chǎn)生奇異網(wǎng)格，出現(xiàn)計算過程收斂。

依據(jù)如下原則進行網(wǎng)格劃分：

1）形狀規(guī)則的零件采用自適應(yīng)掃描網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較高；

2）依據(jù)零件自身尺寸規(guī)定網(wǎng)格劃分密度數(shù)值，關(guān)鍵區(qū)域適當(dāng)細化網(wǎng)格，關(guān)鍵區(qū)域和非關(guān)鍵區(qū)域之間的網(wǎng)格要注意平滑過渡；

3）單元類型：鋁型材，鈑金件和鑄造件：采用S4R，S3 殼單元以及實體單元；拖曳臂及其支架：剛性連接單元；前端懸架：剛性連接單元；焊縫和螺栓連接：剛性連接單元。

構(gòu)建完成的有限元模型總體單元數(shù)目為574 345。搖擺電動三輪摩托車車架的有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2 搖擺電動三輪摩托車車架有限元分析參數(shù)及邊界條件

2.1 材料特性

本車架主體由鑄件、管材、板材焊接而成，具體材料特性如表1 所示。

2.2 確定分析工況

因路面條件及行駛狀態(tài)不同，搖擺電動三輪摩托車在實際使用過程中車架所受載荷也不同，邊界條件較為復(fù)雜。車架變形主要包括彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形和彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合變形。結(jié)合車架的變形特點，確定本次分析計算工況為水平彎曲、緊急制動和扭轉(zhuǎn)3 種工況[5]。

表1 材料參數(shù)表

1）水平彎曲工況

該工況模擬滿載狀態(tài)下的搖擺電動三輪摩托車在靜止?fàn)顟B(tài)或在平坦路面勻速行駛時的狀態(tài)，此時對車架強度影響較大的主要為垂向載荷，即由貨物、駕駛員、車架等質(zhì)量在重力作用下產(chǎn)生的彎曲載荷，這些彎曲載荷以集中質(zhì)量的方式施加在車架相應(yīng)的受力位置。

2）緊急制動工況

緊急制動在車輛的騎行過程中時常發(fā)生，該工況下車架承受的載荷主要由地面制動力引起。依據(jù)GB7258 機動車運行安全技術(shù)條件中三輪摩托車在制動初速度為30 km/h 時制動距離不大于7.5 m 的要求，計算出三輪摩托車制動減速度為4.63 m/s2。

3）扭轉(zhuǎn)工況

該工況模擬搖擺電動三輪摩托車在滿載情況下低速通過不平路面或單側(cè)車輪落入凹坑時車架的受力情況，主要用來考察車架中后部的結(jié)構(gòu)強度。該工況下車架受到因非對稱支撐產(chǎn)生的極限扭轉(zhuǎn)載荷，等同于抬高后面單側(cè)車輪或單側(cè)車輪懸空的情況。車輛處于該狀態(tài)時，車架除受上述彎曲載荷的同時，還受到一側(cè)后輪垂直向上的載荷作用，使整個車架產(chǎn)生彎曲與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形。

2.3 邊界條件及載荷

3 種工況下不同的車輛運動狀態(tài)對應(yīng)不同的車架約束情況，分析計算時根據(jù)分析工況的受力狀態(tài)在前、后輪心位置約束或釋放相應(yīng)的自由度以模擬實際的受力情況。載荷分布及分析工況邊界條件如表2 及表3 所示。

表2 載荷分布

表3 分析工況邊界條件

通過對用戶實際使用情況的調(diào)查，在實際使用過程中三輪車大部分情況均是超負荷行駛，因此用戶使用的安全性必須放在首位，在進行有限元分析計算時加載在車架上的內(nèi)、外載荷均為實際使用中相對惡劣的情形，盡可能保證三輪車在行駛過程中的安全性。

3 搖擺電動三輪摩托車車架分析結(jié)果

根據(jù)表2 及表3 中對應(yīng)的3 種工況下的載荷分布與邊界條件建立車架的有限元模型，并對其進行強度分析，應(yīng)力分布結(jié)果如圖2～圖4 及表4 所示。

圖2 水平彎曲載荷工況

圖3 緊急制動載荷工況

圖4 扭轉(zhuǎn)載荷工況

表4 3 種工況下的應(yīng)力分布結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知，3 種工況下最大應(yīng)力值均小于材料的屈服應(yīng)力值（除緊急制動工況下車頭管加強處的焊接位置外，注意該處的焊接質(zhì)量），車架應(yīng)力數(shù)值合理。因計算時考慮的均是極限工況，且最大應(yīng)力值出現(xiàn)在局部焊接位置，其他部位應(yīng)力數(shù)值較小，故該車架結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

4 結(jié)論

本文對搖擺電動三輪車車架進行了極限載荷條件下允許極限承載量的CAE 分析，結(jié)果云圖明確顯示了車架的應(yīng)力變化情況，應(yīng)力數(shù)值合理，應(yīng)注意應(yīng)力集中位置的設(shè)計。具體情況還需要實際的底盤測試試驗來進行驗證，以確保車架設(shè)計的可靠性。