杨剑锋熊兆祥葛维晶（-江门气派摩托车有限公司　广东　江门　594 -天津内燃机研究所）



基于摩托车车架结构的改进分析

杨剑锋1熊兆祥1葛维晶2
（1-江门气派摩托车有限公司广东江门529141 2-天津内燃机研究所）

摘要：研究了某款车型的车架在开发过程中的结构特征。通过有限元模型分析找出车架薄弱位置，并加以整改，最后通过试验分析进行验证。为以后同类型的车架开发提供了思路。

关键词：摩托车车架结构改进分析

引言

摩托车作为现代生活的常用交通工具，人们不仅仅关注它的实用性，同时也关注它的舒适性、美观性和稳定性。车架作为摩托车重要的零部件，起到骨架支撑的作用。通过有限元模型及摩托车响应分析，对车架进行数据模拟验证，并针对车架结构进行调整，从而提升整车舒适性。

摩托车车架是影响摩托车安全性及舒适性的关键部件，其主要功能不仅是固定及支承车辆的发动机、传动系统、悬架系统、转向系统及其它相关零部件，将各总成有机地连结成一个整体，还起着抑制来自前后轮的各种载荷所引起的扭曲变形及冲击，并为骑乘者提供良好的操纵稳定性和骑乘舒适性等重要作用，因此可以说它是整个摩托车的脊梁[1-2]。

摩托车的振动主要通过手把、座椅、脚蹬、油箱等与人接触的部位传递到人体。手把部位的振动传递到手和手臂，属于手传振动，座椅、脚蹬、油箱部位的振动则传递到全身，属于全身振动。振动不仅影响摩托车的骑乘舒适性和操纵稳定性，而且还容易导致零部件松动和早期疲劳，对安全性构成潜在威胁。振动现象给消费者的感受最直观、最表面，直接影响到他们的购买意愿[3]。因此，对于摩托车车架结构的改进还存在一些问题值得探讨和试验。

1某款车架结构的调整

根据国内、外市场调研及信息反馈的分析，并结合整车效果的外观设计要求。其车架的设计在具有足够的强度和合适的刚度前提下，进行一定程度的结构调整。如图1a）（CAD图）和图1b）（实物图），虚线圈框的位置为根据要求进行了结构设计和调整。

2车架振动分析

图1　a）摩托车车架CAD图

图1　b）摩托车车架实物图

通过对车架尾部的调整，为确保车架满足使用要求，有足够的强度和合适的刚度；同时，考虑到车架的用途、配合的造型、发动机的悬挂、排气消声器的方式等方面，进行了车架振动分析。

2.1建立模型

2.1.1分析依据

《有限元模型建立规范》及摩托车响应分析规范。

2.1.2 3D模型

3D模型见图2。

图2　摩托车车架3D模型

2.1.3有限元模型

根据《有限元模型建立规范》对车架进行网格划分，有限元模型见图3，节点单元数量见表1。

车架用材料力学性能参数见表2。

2.2模态分析

2.2.1自由模态分析

计算该车架安装发动机状态下的自由模态。模态分析结果模态振型及固有频率分别见表3，图4。

2.2.2小结

图3　摩托车有限元模型

表1　有限元模型信息参数表

表2　车架用材料力学性能参数表

表3　 GN125车架自由模态分析结果

1）前2阶振型在发动机转速范围内，发动机的激励会激发这些振型，引起共振；建议提高前2阶固有频率。

2）前2阶模态振型可以看出，其变形主要在车架后部，其改进可集中在车架中后部。

2.3结构改进

加强应变能薄弱部位结构刚度，提高车架固有频率，改进结构见图5，同时手把添加质量为240 g的平衡块。

对车架进行自由模态分析，改进前后车架固有频率对比见表4；前三阶模态振型见图6。

2.4频率响应分析

频率响应是计算在稳态振动激励下结构动力响应。进行频率响应分析对车架等部件进行振动仿真，对振动舒适性进行预测。

图4　车架带发动机振型图

图5　车架改进结构图

表4　 GN125车架（带发动机）改进前后自由模态分析结果

图6　车架改进后振型图

2.4.1添加边界条件

频率响应分析所需载荷，包括发动机激励、行驶路面激励。而发动机激励包括了气缸爆发压力、活塞-曲柄连杆机构的往复惯性力及离心惯性力。这里我们只考虑发动机活塞-曲柄连杆机构的惯性力激励对整车振动的影响。忽略整车所受其他激励的影响。模型见图7。

图7　车架施加的边界约束条件

边界约束条件：约束前轮轴中心除水平方向（X向）移动以外的其他5个自由度、约束后轮轴两端除轮轴向（Z向）转动以外的其他5个自由度。

图8　发动机激励幅值曲线及对应的相位角曲线

施加载荷：发动机激励幅值曲线及对应的相位角曲线见图8。通过增加发动机激励幅值曲线和相位角曲线，对车架施加相应的载荷，以满足测试要求。

载荷施加位置：发动机质心位置，活塞往复运动方向为FZ，水平方向FX。

2.4.2测点布置

考虑到摩托车骑乘人员主观感受，手把、座垫、左右搁脚部位为振动敏感部位，测点布置见图9。

图9　测点布置图

2.4.3结果对比

结果分析采用MSC.Nastran求解器进行求解，以下结果是手把、座垫及脚蹬部位测点在频域下的加速度曲线。

以下曲线是改进前后各测点在频域下加速度曲线对比情况，如图10所示。

3结果分析

通过响应分析对振动预测：

1）在7200 r/min以下改进后的振动有一定降低，而且振动是均匀上升，波动少，但减低的幅度不够大。

2）手把振动减低较明显。

4分析改进

1）采用手把平衡块的质量大于240g；将采用如图11的方向把平衡块两件（约280 g/件）进行整车装配。

2）对车架中部上连接管壁厚进行改进。

5　结论

1）通过有限元模型分析，模拟手把振动频率，其测点振动在增加重量后有明显的降低；脚蹬位置也有一定程度下降。

2）利用有限元分析和摩托车响应分析方法，可以有效了解到车架及相应关联敏感部位的振动频率，并能有针对性地优先对测试点进行整改，以满足整车的舒适性。

图10　改进前后各测点在频域下加速度曲线对比

图11　方向把平衡块称重

模拟试验对开展摩托车有限元分析设计具有一定参考意义，同时还应开展大量试验研究，进一步验证上述结论，以不断完善车架结构，为设计提供理论依据及参考。

参考文献

1毛睿甜，石晓辉．LX－200型摩托车车架的模态特性分析[J]．机械设计与制造，2007，（7）：40-42

2李加庆，刘华民，黄文栋．摩托车振动舒适性客观评价试验方法研究[J]．小型内燃机与车辆技术，2014，43（5）：34-36

3李加庆.摩托车振动舒适性测试系统搭建及应用[J].小型内燃机与车辆技术，2014，43（3）：77-81

Improvement Analysis based on the
Motorcycle Frame Structure

Yang Jianfeng1，Xiong Zhaoxiang1，Ge Weijing2
1- Jiangmen Qipai Motorcycle Co.，Ltd.（Jiangmen，Guangdong，529141，China）
2- Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute

Abstract：The structure analysis of some model's frame is carried out in the process of development. Through the finite element model analysis, the weak position of the frame was found out，and improved. Finally，the improvement was verified through the test analysis. This can provide a train of thought for the future development of the same type of frame.

Keywords：Motorcycle，Frame structure，Improvement analysis

收稿日期：（2015-05-04）

文章编号：2095-8234（2015）03-0063-05

文献标识码：A

中图分类号：U463.32

作者简介：杨剑锋（1979-），男，技术中心主任，主要从事摩托车整车及发动机开发设计。