電動摩托車車架剛度與模態(tài)分析*

楊潤澤 文少波 許屹洲 朱冠瑜 李瀟雨

（南京工程學院汽車與軌道交通學院 江蘇 南京 211167）

引言

電動摩托車車架承載著所有部件的質(zhì)量，且在行駛過程中還受到各種載荷的作用。電動摩托車車架剛度是指車架結構抵抗彎曲變形的能力，對車架疲勞耐久性以及整車NVH 性能有很大的影響。同時車輛在行駛過程中，受到外在激勵的情況下，如果外在激勵與車架固有頻率接近，會產(chǎn)生共振影響車架乃至整車的安全[1]。因此，本文擬對所設計的雙搖籃式電動摩托車車架進行剛度與模態(tài)分析。

傳統(tǒng)車架的設計需要進行試制和現(xiàn)場測試，存在投入資源多、研發(fā)周期長的缺點。隨著計算機技術的發(fā)展，各種計算機軟件已廣泛應用于產(chǎn)品設計。在此采用CATIA 和ANSYS 軟件相結合，綜合CATIA的建模能力和ANSYS 的有限元分析能力，進行車架的剛度和模態(tài)分析，為新型電動摩托車的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 電動摩托車車架三維模型

在CATIA 軟件中建立電動摩托車車架三維模型，對車架結構進行簡化，重點突出對剛度與振動特性影響較大的部件。在結構簡化的過程中，依據(jù)部件受力情況劃分承載件和非承載件。保留位于較高應力區(qū)的承載件，如車架主管、支管、電動機上支撐管、發(fā)動機下支撐管、前撐管等。對于非承載件，如安裝空洞、固定螺栓、車身套件等，適當合并或者去除。經(jīng)過車架結構簡化后，在CAITA 中建立的三維模型如圖1 所示。

圖1 電動摩托車車架三維模型

2 電動摩托車車架有限元模型

2.1 材料設置

進入ANSYS workbench，選擇Static Structural 模塊進行車架材料設置。材料采用Q235A，其主要屬性為：彈性模量212 GPa、泊松比0.288、密度7 860 kg/m3、抗剪模量82.3 GPa、張力強度390 MPa、屈服強度235 MPa。

2.2 有限元模型的修整

電動摩托車車架由不同截面的鋼管焊接而成，因此需要將在CATIA 中建立的幾何模型導入ANSYS Geometry 模塊進行清理，消除邊界錯位和車架彎管處的縫隙，壓縮相鄰曲面之間的邊界，以提高有限元分析的效率和準確性。

2.3 有限元模型的網(wǎng)格劃分

鋼管管徑和壁厚與構件長度相比很小，使用六面體實體單元雖然精度很高，但是網(wǎng)格劃分困難、計算時間過長，因此對管件采用MultiZone 即多域掃掠型網(wǎng)格劃分法，單元尺寸設為5 mm。劃分后的網(wǎng)格如圖2 所示，包含了2 052 個單元，4 088 個節(jié)點。

圖2 車架有限元網(wǎng)格劃分

3 電動摩托車車架剛度分析

車架剛度指標分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度兩種。車架的扭轉(zhuǎn)剛度是指車架結構抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，彎曲剛度是指車架結構抵抗彎曲變形的能力，會影響整車軸距，進而影響整車的操縱穩(wěn)定性。運用ANSYS workbench 模塊對車架結構進行分析，得到車架扭轉(zhuǎn)與彎曲時的位移與應力云圖，以此作為校核車架剛度的依據(jù)[2-3]。

3.1 扭轉(zhuǎn)剛度分析

在分析車架扭轉(zhuǎn)剛度時，對車架與后懸架的4個連接點施加x，y，z 三個方向的平動自由度約束。在車頭的轉(zhuǎn)向立管的上下端點施加強制位移約束1 mm，通過模擬仿真分析與計算得出兩端點的支反力。具體的約束如表1 所示。

表1 車架扭轉(zhuǎn)剛度分析時的約束

經(jīng)過車架扭轉(zhuǎn)剛度仿真計算，在強制1 mm 的位移約束下，轉(zhuǎn)向立管的支反力為908 N，兩個力加載點的距離L 為180 mm。車架扭轉(zhuǎn)剛度可由公式（1）得出[4]。

式中：Cr：扭轉(zhuǎn)剛度，單位為N·m/rad；F：讓端點強制位移Xmm 所產(chǎn)生的支反力，為908.72 N；L：轉(zhuǎn)向立管上載荷加載點的距離，單位為180 mm；X1、X2：端點的強制位移量，單位為1 mm。

將上述參數(shù)帶入公式（1）計算可得電動摩托車車架的扭轉(zhuǎn)剛度為14 709.6 N·m/rad，高于摩托車車架扭轉(zhuǎn)剛度所要求的指標11 000 N·m/rad。車架位移云圖與應力云圖如圖3、圖4 所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖

圖4 扭轉(zhuǎn)剛度應力云圖

從圖3 可知，最大位移量發(fā)生在左右前撐管上，大小為0.52 mm，位移量較小，因此對車架結構影響較小。

從圖4 可知，車架整體應力水平不高，最大應力88.271MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)向立管與前撐管連接處，此處為多個管件連接處，容易出現(xiàn)應力集中，并且由于轉(zhuǎn)向立管受到方向向左的強制位移，所以產(chǎn)生了較大的應力。扭轉(zhuǎn)引起的最大應力小于Q235A 的屈服極限，符合要求[5]。

3.2 彎曲剛度分析

在分析車架彎曲剛度時，將摩托車車架視為如圖5 所示的簡支梁，支點A 為轉(zhuǎn)向立管上端點，支點B 為后懸架硬點。在簡支梁中部施加作用力F，對前支點施加xz 方向平動自由度約束，對后支點施加xyz 方向平動自由度約束，就能夠通過仿真計算得到車架所有位置的彎曲剛度。具體的約束如表2 所示。

圖5 簡支梁彎曲剛度計算參數(shù)示意圖

表2 彎曲剛度分析時的車架約束

圖5 所示剛度計算公式如下：

式中：EI：彎曲剛度，單位為N/m；F：集中載荷，單位為N；a：加載點到支點的距離，單位為m；x：測量點到支點的距離，單位為m；f：測量點撓度，單位為m；L：兩支點間隔，單位為m。

經(jīng)過車架彎曲剛度仿真計算，在F=1 000 N 的載荷下，測量點撓度f=0.04 mm，加載點到支點的距離a=0.2 m，測量點到支點的距離x=0.71 m，兩支點間隔L=0.91 m。將數(shù)據(jù)帶入公式（2）計算可得電動摩托車車架的彎曲剛度為184 652 N/m，高于摩托車車架彎曲剛度所要求的指標100 000 N/m。車架彎曲剛度位移云圖與應力云圖如圖6、圖7 所示。

圖6 彎曲剛度位移云圖

圖7 彎曲剛度應力云圖

從圖6 可知，最大位移量發(fā)生在發(fā)動機支撐管與下橫管處，大小為0.095 mm，位移量較小，因此對車架結構影響較小。

從圖7 可知，車架整體應力水平較低，最大應力21.99 MPa，發(fā)生在上橫管與邊管連接處，此處為多個管件連接處，容易出現(xiàn)應力集中，所以產(chǎn)生了較大的應力。彎曲引起的最大應力小于Q235A 的屈服極限，符合要求。

4 電動摩托車車架模態(tài)分析

摩托車在路面上行駛時，路面的不平整度會對車架產(chǎn)生激振，當激振頻率與車架某一固有振動頻率相近時就會產(chǎn)生共振，嚴重影響電動摩托車的機械性能并有可能對車架結構造成破壞。

由于電動摩托車上的輪胎與懸架具有非線性特性，且在行駛過程中電動摩托車車架的實際邊界條件極為復雜，因此采用自由邊界條件，即自由模態(tài)分析[6]。

采用Block Lanczos 算法獲取車架的模態(tài)參數(shù)，獲得前12 階固有頻率和振型。因為是自由模態(tài)，前6階固有頻率為0，因此分析結果從第7 階開始。通常車架結構的前幾階振動容易被激發(fā)，可以有效地表現(xiàn)車架的整體性能，所以取7～12 階的模態(tài)分析結果來表達車架的振動特性，相應的固有頻率和振型描述如表3 所示。

表3 各階固有頻率和振型描述

電動摩托車行駛時，會受到不平路面的激勵而產(chǎn)生振動，即路面不平度激勵[7]。當路面激勵頻率與車架固有模態(tài)頻率相近時，車架產(chǎn)生共振，共振頻率為

為了防止產(chǎn)生共振，車架結構的第一階固有頻率應大于路面激勵所產(chǎn)生的最大頻率，此時需要代入電動摩托車的最高時速為80 km/h，我國路面不平度波長為0.32 m。將數(shù)據(jù)帶入公式（3）可求得車架即將發(fā)生共振時路面激勵產(chǎn)生的最大頻率為69.4 Hz。由表3 模態(tài)分析結果可知，車架的一階固有頻率為85.51 Hz，因此路面不平整度激勵不會使車架產(chǎn)生共振。因此本文電動摩托車車架結構符合標準[8]。

5 結論

本文基于CATIA 對電動摩托車架進行三維建模，再將模型導入ANSYS workbench 模塊對扭轉(zhuǎn)和彎曲兩種剛度進行了分析與計算，均達到了摩托車的剛度指標，駕駛性能良好。最后對車架進行了自由模態(tài)分析，選取了前6 階模態(tài)分析結果，并通過計算證明路面不平度激勵不會使車架產(chǎn)生共振，結構設計合理。為電動摩托車車架結構的設計、分析與計算提供了理論指導，縮短了電動摩托車的研發(fā)周期。