摩托车车架的模态分析及优化
姚永
[摘 要]文章以减轻三轮摩托车共振为优化目标，在分析引起三轮摩托车震动原因的基础上，对三轮摩托车车架进行有限元模型的建立，以及模态分析，通过对车架结构进行动力优化设计，重点是从发动机激励方面入手，避免和解决一系列引起三轮摩托车共振的问题，提高三轮摩托车的动态性能，以及骑坐的舒适度。
[关键词]三轮摩托车车架结构优化
中图分类号：U483 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）19-0120-01
作为三轮摩托车的主干，车架的结构状态从根本上影响着整车力学特性。三轮摩托车在行驶过程中，车架受到发动机运转时惯性力的激励作用以及道路接触面不平度的激励作用。而三轮摩托车的可操作性、安全性以及舒适性等性能的好坏受到三轮摩托车共振问题的影响，共振是由于车架固有频率与激励频率一致时而产生的现象。减轻甚至是避免三轮摩托车车架发生共振，是解决三轮摩托车共振问题并提高其动态性能的关键所在。所以要从三轮摩托车车架综合分析入手，加强其动态性能研究，分析和发现车架结构动力学上的不足，并通过适当的车架优化设计使车架共振问题得以有效地缓解及解决，从而提升整车动态性能。
1、整车振动评价与方法
引起三轮摩托车共振的原因有两个，即发动机运转时产生的振动，以及三轮摩托车与不平整路面接触产生的振动，后者可以通过特设的避震器来消除。由于人对振动的感知不仅与震动幅度、频率有关，而且与受振部位以及受振时间有着紧密联系，本文主要讨论通过车架改进设计来减小发动机振动造成的整车振动，当整车振动频率达到40～100 Hz时，若振幅在0.05～1.3 mm范围内，该振源将对人体造成比较大影响，此时的骑乘舒适性最差。
作为整车性能评价的关键环节，三轮摩托车的骑乘振感评价是以车把手、脚踏以及鞍座三个部位的振动情况作为评价依据。当前较为广泛采用的三轮摩托车骑乘振感评价方法有两种。其一是由多位经验丰富的试车员以低、中、高速行驶，并根据骑乘过程中对上述三个测试点的振动状况进行感知评分，最后去三者平均值记录在案，以10分为满分标准对骑乘振感进行评价。通过评分的方式可以发现，三轮摩托车骑乘振感与车速有关，即骑乘振感主要受发动机转速，以及发动机和整车共振点的影响。其二是由专业技能扎实的整车评价员先对整车性能进行评价，并利用专业的图谱采集设备采集整车振动图谱，使之与对应的同车、同速、同条件的评点一同输入系统，建立相应的数据库和试验作業指导书。而后按指导书的要求在车的相应部位装上感应器，由整车评价员按要求进行测试检验以及收集和整理数据，并以报告的形式留存供评价所用。
2、车架有限元模型的建立
该125型跨骑式三轮摩托车车架是由很多不同尺寸的管板材焊接而成，为了简便直观，在对车架建模时省略了某些次要组件。首先通过NX6.0软件建立车架焊接组件的三维立体模型。而后用MSC.Patran软件对模型进行有限元前处理，即运用shell单元将车架的焊接部件划分到有限元网格中。对发动机的处理，将其视为质量集中体的基础上，建节点于其质心上，通过节点处创建零维集中质量单元；发动机与车架连接处创建MPC多点约束，二者通过杆单元连接起来。对于焊接点的处理，即将该点设为种子点并由此点连接不同片体的单元。最后的有限元模型含有38 231个节点，38 229个壳单元，MPC多点约束10个，32个梁单元，1个集中质量单元，建立的车架有限元模。
在建立好有限元模型的基础上，利用MSC.Nastran软件中Lanczos得到前5阶车架的固有频率和阵型。为验证结果是否正确，对实际三轮摩托车车架运用力锤单点激励法进行模态实验，得到车架前5阶的实际固有频率，由于离散车架结构和计算忽略阻尼所造成的计算模态和实验模态的固有频率存在误差，其差值不大于百分之十，说明所建有限元模型其较为准确。通常情况下仿真频率要略大于实验频率，且两频率差值随着模态价数的升高而升高。与此同时各阶振型相类似，第1阶模态振型均为一阶弯曲，即最大位移发生在车尾部、头部和发动机悬挂部位；第2阶模态振型均为一阶扭转，即最大位移发生在车头部、尾架处、坐垫部位，位移较小处为车头部与发动机悬挂处。
应该从分析图表加以说明，不应该单独的文字论述
3、从车架优化设计着手改善整车振动
作为受力结构最为简单有效的结构，网架结构因其力学特点以及经济实用，被广泛运用于各种设计当中。三轮摩托车车架根据其形态特点可分为跨接式、脊梁式、摇篮式以及弯梁式，根据组件用材可分为板式、管式和管板式。而圆管摇篮式车架构型最为接近网架结构。此种车架耗资甚低，在满足车体骨架功能的基础上，最有助于吸收和减小整车振动。究其原因是其特有的构型可以隔绝和吸收振动，使力和振动散布到四周，使振动的幅度很大程度上的降低。
4、车架优化设计实例
摇篮式车架配挂的是OHV发动机，其特点是构型简单、技术成熟、价格便宜，由于此款发动机气门开关时间受到顶杆控制摇臂这一特点约束，并且顶杆往复运动产生的较强冲击力使得整车的振动幅度较大，这使得骑乘振感较强。所以振动是配挂OHV发动机的整车难免遇到的问题。由于市售品牌配挂OHV发动机的车型测试点平均水平在6.5～7分之间，所以优化目标应设为超越平均水平，达到7分以上。
4.1 车架构型的选择
作为三轮摩托车的骨架，车架的好坏直接影响着整车的外观造型、强度以及骑乘舒适性等等，所以选用既经济实用、简单方便，且钢度和柔度都达到吸收和化解振动要求的圆管摇篮式车架作为基本车架构型。
4.2 车架主悬架结构优化设计
实际上车架构型不是决定车架减振性能好坏的唯一关键点，发动机附于车架上的主悬架板和前悬架板也是影响因素之一。主悬架板即为发动机后部的两个悬挂点，研究表明发动机振源位于机身前端，顶杆和连杆往复交错的运动方式对后悬挂点来说，相当于多了一个悬臂受力结构，这就要求主悬架在满足发动机装配要求以及运动节拍的基础上，设计短力臂，即使主悬挂点与主结构梁距离尽量短，从而提高发动机主悬架稳定性。
悬架根据形态特点可分为吊臂式和组合板式悬架。吊臂式悬架构型简单、重量轻、价格优，易于配挂结构设计精良，自身振幅小，不需要车架具有强大可靠疲劳强度的高端发动机；而组合板式悬架构型较为复杂、重量大、生产成本高，但由于车架疲劳强度较大，且能有效的削减振动，因此易于配挂构型设计简单的低端发动机。所以组合板式悬架是配挂OHV发动机车架的最适宜选择。？
4.3 车架前悬架板优化设计
车架前悬架板根据组装结构可分为分片式、整体式两种。因为发动机的前端部分为机体振心所在，所以对前悬架板的要求很高，其结构关系着车架的减振能力。分片式由独立分开的两相对平面组成，其特点是构型简单、价格低、易安装，不足的是若配挂稳定性低的发动机，则会加剧整车振动；整体式的两相对面则是与连板连在一起，虽然构型复杂，价格高，但却很大程度上增强了其钢性，结构更为稳固，发动机配挂后其振动可被有效地吸收并散布到周围。所以悬挂OHV发动机的车架应选用整体式前悬架板。
优化后模型的模态频率较原有车架振动频率有了大幅的提高，三轮摩托车车架刚度得到了很大的提升，抗振能力得到了较大提升，同时大大增强了整车的骑乘舒适度。
5、结语
本文在分析引起车架振动的主要原因的基础上，以某125型跨骑式三轮摩托车为例，对其车架进行了建模分析，优化车架结构，优化后的三轮摩托车车架各阶频率大大提高，达到了优化目的，避免和解决一系列引起的三轮摩托车共振问题，提高三轮摩托车的动态性能，以及骑坐的舒适度。
参考文献
[1] 朱才朝，张晋，张伟敏.三轮摩托车车架结构优化[J].汽车工程，2009（1）.
[2] 李汉平.通过车架优化设计减小三轮摩托车整车振动的探讨[J].三轮摩托车技术，2010（8）.
