摩托車保險杠振動分析與優(yōu)化設計

雷 鵬， 黃國鵬， 王 兵， 歐欣然

(隆鑫通用動力股份有限公司， 重慶 400052)

摩托車保險杠作為一種機械防護裝置，它通過自身的強度和支撐力，避免車輛發(fā)生意外翻倒后對人員造成擠壓或者剮蹭傷害，同時保護車輛的外觀覆蓋件，是車輛安全行駛的重要保障[1-3]。車輛在行駛過程中，會受到來自發(fā)動機和路面的激勵，而欠佳的保險杠結(jié)構(gòu)設計，使得零部件的固有頻率過低，不僅影響摩托車的騎乘體驗和操穩(wěn)控制，還有可能與發(fā)動機等主要振動源的激勵頻率耦合，導致保險杠振動過大而發(fā)生疲勞破壞以及結(jié)構(gòu)性斷裂，縮短其使用壽命，增加更換的頻次[4-7]。更有甚者，保險杠不僅無法在關鍵時候起到緩沖作用，以保護車輛和騎行人員安全，相反還會對騎行人員造成二次傷害。因此，對保險杠采取一定的抗震措施和結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，避免發(fā)生共振，提高其抗震性能非常有必要。

隨著計算機輔助技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，因模態(tài)分析具有可視性強、操作方便和成本較低等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應用于剛性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動分析與控制工程中。洪金濤等[8]基于模態(tài)分析對某商用車前保險杠進行振動特性預測和模態(tài)改進貢獻量分析，明確保險杠方案設計的優(yōu)化方向；徐中明等[9]采用拓撲優(yōu)化技術(shù)，對某乘用車的保險杠進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為保險杠的截面形狀和板件厚度提供最優(yōu)設計參數(shù)；展新等[10]分析了載貨貨車保險杠結(jié)構(gòu)特性和動態(tài)諧振響應機理，研究了保險杠結(jié)構(gòu)的避頻解耦合振動能量損耗能力，為保險杠的工程試驗提供理論支撐。由此可見，模態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)成為研究機械系統(tǒng)或零部件振動特性的主要技術(shù)手段。上述文獻關于保險杠的振動控制與研究基本都集中在汽車領域，但鮮有關注摩托車上安裝保險杠的振動問題，由于結(jié)構(gòu)設計與安裝位置的差異，摩托車保險杠與駕駛員尤其是其腿部近距離接觸，其振動問題將給駕乘人員帶來更大的行車安全隱患，因此，有必要對摩托車保險杠進行振動分析與優(yōu)化設計，從而降低保險杠的振動，提升車輛的舒適性。

某原理樣車在道路試驗階段，試制車輛出現(xiàn)前保險杠劇烈抖動問題，對整車的行駛帶來較大的安全隱患。為了解決該問題，結(jié)合計算機輔助工程和測試分析的技術(shù)手段，著力于對摩托車保險杠進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設計。主要的技術(shù)思路為：基于Hyper Mesh對保險杠進行模態(tài)分析，計算其固有頻率和振型；基于LMS Test.Lab測試系統(tǒng)對保險杠進行振動測試，用振幅曲線描述其振動特征；結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果和振動測試結(jié)果，找出摩托車保險杠振動劇烈的原因，有針對性地對保險杠的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。最后，對優(yōu)化設計后的樣車進行試驗驗證和主觀評價，驗證優(yōu)化設計的振動控制效果。本文研究可為企業(yè)解決類似的工程問題提供理論參考，研究結(jié)果具有較強的工程化意義和實際生產(chǎn)價值，可直接應用于摩托車保險杠的結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化。

1 振動原因分析與診斷

1.1 原保險杠振動測試

為準確地了解摩托車保險杠的動態(tài)響應情況，采用LMS Test.Lab測試分析系統(tǒng)，對其進行振動測試與分析，用振動頻譜描述其振動特征[11]。為研究僅為發(fā)動機激勵條件下摩托車保險杠的振動響應，在底盤測功機上對該車保險杠進行振動試驗，試驗工況設置為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000～8 000 r/min的勻加速過程，用以模擬車輛保險杠在道路試驗過程中的真實振動響應。因保險杠左右對稱，僅沿著保險杠右側(cè)布置振動加速度傳感器。坐標系規(guī)定為：+X(車輛向前)，+Y(車輛向前左側(cè))，+Z(豎直向上)[12]。摩托車保險杠振動測點的布置如圖1所示。

圖1 原車保險桿振動測點布置

振動加速度傳感器采集的是保險杠三維方向的振動信號，重點關注的是其Z向和X向的振動情況。圖2為保險杠的振幅曲線。從圖2中可以看出，保險杠在5 600 r/min存在明顯的共振特征，其振幅急劇放大，其中Z向振幅最高達31g，X向振幅最高達4g，對應的1階模態(tài)頻率均為93 Hz，其余轉(zhuǎn)速段振幅變化均較為平緩。

圖2 原保險杠振幅曲線

1.2 模態(tài)分析理論基礎

對于車架而言，模態(tài)分析本質(zhì)上是將車架結(jié)構(gòu)簡化為一多自由度模型。對某一線性系統(tǒng)，其動力學微分方程[13-15]可表示為

(1)

(2)

特征方程為

|K2-ω2M|=0

(3)

1.3 保險杠實際約束下的模態(tài)分析

圖3所示為摩托車保險杠的幾何模型。采用有限元軟件Hyper Mesh對保險杠的CATIA模型進行有限元建模。該保險桿的主要結(jié)構(gòu)為等壁厚圓管，與圓管的長度和截面尺寸相較而言，其厚度很小，故而采用Shell單元進行模擬，單元網(wǎng)格尺寸為4 mm。保險杠構(gòu)件和安裝支耳均是通過焊接連接在一起，建模時忽略焊縫的影響，各構(gòu)件之間采用剛性單元MPC連接，同時創(chuàng)建材料的屬性參數(shù)并進行關聯(lián)[18-20]。單元材料選用Q235優(yōu)質(zhì)鋼，其材料屬性為：彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。

圖3 保險杠幾何模型

根據(jù)構(gòu)件邊界條件的不同，模態(tài)分析分為自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種邊界狀態(tài)，其中約束模態(tài)是模擬構(gòu)件在實際工況邊界條件下的模態(tài)分析，同時考慮邊界條件對模態(tài)頻率的影響[21]。本文所研究的摩托車屬于跨騎式車，其保險杠通過螺栓把上、下方的連接支耳安裝在車架發(fā)動機懸掛下方，為了更加真實地反映保險杠的振動特性情況，在對保險杠進行模態(tài)分析時，以實際約束狀態(tài)下的模態(tài)分析結(jié)果作為判定依據(jù)，約束邊界具體如下：限制保險桿上、下方安裝支耳6個方向的自由度，模擬保險桿被螺栓完全固定到車架上。摩托車保險杠前5階模態(tài)計算結(jié)果見表1。保險杠的第1階模態(tài)頻率對應的振型圖如圖4所示，對應模態(tài)頻率為94 Hz，其振型表現(xiàn)為保險杠前后擺動，最大變形發(fā)生在保險杠兩側(cè)中部。

表1 摩托車保險杠前5階固有頻率和振型

圖4 保險杠第1階模態(tài)頻率(94 Hz)對應的振型圖

1.4 保險杠振動原因診斷

結(jié)合圖2保險杠的測試結(jié)果可以看出，振幅曲線在5 600 r/min存在明顯的共振，對應的一階頻率為93 Hz，該頻率和保險杠自身的1階頻率94 Hz相接近，在發(fā)動機激勵下發(fā)生共振，導致保險桿的振幅急劇增大，由此可以判斷，保險杠的1階模態(tài)頻率是引起自身振動劇烈問題的主要原因。摩托車保險杠振動測試結(jié)果和模態(tài)分析結(jié)果，兩者對保險杠振動特性的描述是吻合的，保險桿建模與簡化合理，計算結(jié)果可靠，可用于對保險桿進行振動特性分析與優(yōu)化設計。

2 保險杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

2.1 優(yōu)化設計方案

保險杠的剛度直接影響其模態(tài)分布，要抑制保險杠對振動的響應，提高保險杠的抗振能力，主要是尋求通過改變保險桿剛度的途徑加以解決。影響保險杠剛度的因素主要包括：保險杠的結(jié)構(gòu)設計、保險杠的規(guī)格尺寸、保險杠的材料屬性等[22]。

結(jié)合表1保險杠的模態(tài)分析結(jié)果可知，保險杠第1階模態(tài)頻率為94 Hz，振型表現(xiàn)為保險杠的前后擺動，最大變形發(fā)生在保險杠中部。保險杠屬于摩托車的非復雜構(gòu)件，改變保險杠的設計尺寸和材料屬性，無論是經(jīng)濟成本還是時間成本均過高，且對其模態(tài)頻率的影響也十分有限。為了增強保險桿與車架之間的連接剛度，減弱保險桿在發(fā)動機激勵下產(chǎn)生過大的響應和變形，基于方案實施的操作便捷性、企業(yè)開發(fā)周期及經(jīng)濟成本控制兩方面考慮，對保險桿采取的優(yōu)化方向是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提高保險杠的連接剛度，使其模態(tài)頻率提升，從而避開發(fā)動機的激振頻率。詳情方案實施如圖5所示，具體為：在保險杠左、右兩側(cè)分別焊接2根φ18×2的優(yōu)質(zhì)碳素鋼材料的加強杠。圖6為按照優(yōu)化方案改制的保險桿。

圖5 保險杠優(yōu)化方案示意圖

圖6 優(yōu)化方案改制的保險杠

2.2 優(yōu)化設計后保險杠模態(tài)計算

表2是優(yōu)化后保險杠前5階固有頻率和振型的計算結(jié)果，從表2中可以得出，優(yōu)化設計將保險杠的第1階模態(tài)頻率由94 Hz提高到113 Hz，避免了保險杠在工作過程中發(fā)生共振。同時，優(yōu)化設計改善了保險杠的固有動態(tài)特性，保險杠的支撐性能得到提高，剛度明顯增強。

表2 優(yōu)化保險杠前5階固有頻率和振型

3 試驗驗證

為了驗證優(yōu)化設計對保險杠振動的改善效果，將改制保險杠重新安裝在車輛上，再次進行振動測試，并將改進前、后的振幅曲線進行對比分析。圖7為保險杠改進前、后各測點的振幅曲線對比。從圖7(a)、圖7(b)中可以看出，保險杠在5 600 r/min轉(zhuǎn)速段的共振特征被消除，其Z向和X向的振幅下降明顯，最大降幅達60%～70%，在整車常用轉(zhuǎn)速段內(nèi)保險杠振動控制良好，振幅變化也比較平穩(wěn)，其振動水平得到顯著提升。評價人員的主觀評價感受是優(yōu)化后保險杠的振動減輕，振動舒適性優(yōu)于原狀態(tài)。優(yōu)化方案有效地解決了摩托車保險杠的振動劇烈問題，且成本較低，易于實施。

圖7 保險桿優(yōu)化前、后振幅曲線

4 結(jié)論

1)摩托車保險杠的第1階模態(tài)頻率為94 Hz，該階模態(tài)頻率與發(fā)動機激勵頻率相耦合，發(fā)生共振，從而導致保險桿的振幅急劇增大。

2)針對保險杠的振動舒適性問題，通過在保險杠左、右兩側(cè)分別焊接2根φ18×2的優(yōu)質(zhì)碳素鋼材料加強杠，提高保險桿的連接剛度，將保險桿的第1階模態(tài)頻率由94 Hz提高到113 Hz，避免了保險杠在發(fā)動機激勵頻率下發(fā)生共振。

3)經(jīng)優(yōu)化設計后，保險桿在5 600 r/min轉(zhuǎn)速段的共振特征被消除，振幅下降達60%～70%，優(yōu)化方案經(jīng)濟合理、科學有效，保險桿的振動水平有了顯著改善。研究結(jié)果提供了新的保險桿設計方案，為摩托車保險桿的振動控制與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供工程決策依據(jù)。