摩托车车架振动特性分析
摘 要：文章应用CATIA建立摩托车车架的三维曲面几何模型。利用HyperMesh与ANSYS建立摩托车车架有限元模型。通过模态分析，得到该车架的前200HZ固有频率和相应的振型。通过与路面激励频率和发动机不同工况下的激励频率比较，得出该车架不会发生共振的结论，满足设计的要求。
关键词：摩托车车架；有限元分析；模态分析
中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）22-95-03
Abstract： This article uses CATIA to establish a three-dimensional surface geometry model of a motorcycle frame. The finite element model of the motorcycle frame was established by using HyperMesh and ANSYS， and the modal analysis were carried out and the front 200 HZ natural frequency and corresponding mode shape charts of the frame were obtained. By comparing with the excitation frequency of the road surface and the excitation frequency under different operating conditions of the engine， it is concluded that the frame does not resonate and meet the design requirements.
Keywords： motorcycle frame； finite element analysis； mode analysis
CLC NO.： TH218 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）22-95-03
前言
车架是摩托车的骨架，通过它把发动机、传动装置、操纵制动装置、电气仪表等各部分组成一个有机的整体。车架不仅要承受来自整车、驾驶员、副驾驶员和货物的重量，还要承受来自发动机的振动和行驶过程中来自路面的各种动载荷的作用。现代车架设计已发展到包括有限元法、优化设计、动态设计等在内的计算机分析、预测和模拟阶段[1]。通过有限元分析可以有效发现车架潜在的缺陷，根据分析的结果可以进一步对车架结构性能的提高做指导。文中应用Hyper Mesh与ANSYS对某型号大型摩托车车架进行分析。
1 摩托车车架的有限元建模
摩托车车架是由截面形状、尺寸不同的空心钢管和钣金件焊接而成的具有一定空间曲率的框架结构。而且其截面尺寸，包括直径，壁厚与构件长度相比很小，因此非常适于选用空间的板壳单元来离散车架结构[2]。根据厂家提供的图纸，运用CATIA通过特征点和空间样条曲线建立车架和后叉的中面模型。并在CATIA中，把建立好的车架模型与后叉模型通过装配关系装配在一起，如图1所示。
HyperMesh可以直接导入CATIA生成的product文件，在划分网格之前需要对导入的模型进行仔细的检查，并修复一些穿透而引起的几何缺陷。摩托车车架是由厚度不同的部件组成，因此需要建立多个组件集来存放不同厚度的零件，并定义相应的厚度及方向。该摩托车车架的材料为Q235钢，其材料力学特性如下表1。
车架由各部件通过焊接有机连接在一起，文中采用共节点和刚性连接的方法来模拟各零部件之间关系。由于发动机的刚度较大，实际变形很小，因此不能忽略发动机对车架的影响。文中通过在发动机质心位置创建mass单元并赋予相应的质量，与各发动机安装孔通过rbe2单元来连接来模拟发动机。网格划分完成后，共有45252个单元、45171个节点。有限元模型如图2所示。
2 车架模态分析
摩托车行驶过程中乘员的舒适性与摩托车车架的固有频率密切相关，而车架的振动主要来源于路面的激励和发动机的激励[3]。当路面的激励频率和某一工况下发动机的激励频率与车架的固有频率接近或重合时就会出现共振的情况。当出现共振时不仅振动加剧，而且对车架各零部件都会带来极坏的影响。因此在设计车架时，应使车架固有频率与路面在不同工况下发动机的激励频率保持一定的距离。
寻找车架的固有频率和振型的最好办法是通过模态分析来求解。文中采用的是自由模态分析，根据理论知识可知前六阶固有模态表现为刚性，故不考虑。文中从第七阶模态开始研究，并以其作为第一阶模态，后面的模态依次类推。限于篇幅本文列出了前200Hz的固有频率和部分振型，固有频率如下表2。
在一阶模态时，振型为后座椅前部的左右摆动。振型如图3：
在二阶模态时，振型为后座椅的绕着后座椅轴孔做俯仰运动。振型如图4：
在三阶模态时，振型为后座椅围绕后座椅轴线左右扭转运动。振型如图5：
在四阶模态时，振型为车架后下部左右相向摆动。振型如图6：
在五阶模态时，振型为车架在左右对称面的扭转。振型如图7：
在六阶模态时，振型为后座椅中前部的上下。振型如图8：
在七阶模态时，绕着左右对称面的弯曲，同时还伴随着绕左右对称面小幅度的扭转。振型如图9：
该摩托车采用的是春风直列双缸四冲程发动机，怠速转速为1400r/min，发动机常用转速为4000-6000r/min。发动机激励频率的计算公式f=2nz/60τ。式中，z为发动机的缸数，n为发动机的转速，τ为发动机的冲程数[4]。通过公式可以计算出怠速时的激励频率为23.3Hz，发动机常用转速段的激励频率为66.6-100Hz。
把计算结果与车架固有频率进行比較，得出以下结论：①怠速情况下发动机的激励频率小于车架一阶固有频率；②发动机在常用转速情况的频率在车架的第三阶和第四阶固有频率之间；③路面激励频率一般不超过30HZ，小于车架第一阶固有频率。因此该车架不会出现振动加剧的现象，符合车架的设计要求。
4 结论
文章对特定车架进行了有限元建模和模态分析。通过模态分可以看出，前三阶模态的振型都是发生在车架的后座椅的位置，是因为后座椅采用的是悬臂的设计，减低了车架整体的固有频率。通过与发动机怠速、常用转速和路面的激励频率相比较，不会引起车架共振，证明该车架满足设计的要求。
参考文献
[1] 黄剑鸣，雷刚，陈松.摩托车车架结构动力优化设计[J].现代制造工程，2010，18（1）：119-122.
[2] 颜长征.摩托车车架设计技术研究[D].重庆大学，2008.
[3] 熊锋.摩托车车架多轴向多激励道路模拟试验方法研究[D].重庆理工大学，2015.
[4] 张志弘，何玉林，杜静，孙学军.摩托车车架动态性能优化设计的研究[J].工程图学学报，2006，12（3）：12-17.