部件壁厚对摩托车车架动态特性的影响

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车架是摩托车主要部件之一，其动态特性直接影响摩托车的振动性能和骑乘舒适性，尤其是当路面或发动机激励频率与车架自然频率一致或祸合时，会引起车架的共振，使整车振动加剧，严重影响乘骑人员的舒适性和安全性，大大缩短了摩托车零部件的使用寿命。

目前，有大量文献对车架的模态特性进行了分析，但大部分研究仅着眼于获得某车架的模态特性，而车架重要零部件壁厚对模态特性的影响规律还研究甚少。本文对某型摩托车车架模态特性进行了有限元分析，用试验结果验证了该有限元模型的正确性，进一步分析了各个部件壁厚对车架模态特性的影响，在此基础上，验证了车架结构变化对车架模态和整车振动的影响。

1 有限元模型及模态结果

车架的有限元模型如图1所示，分为36 505个shell单元和30个beam单元，总共37 777个节点;取车架的材料性能为:弹性模量E=210GPa，相对质量密度d=7800 kg/m3;车架不同部件之间采用MPC连接，以模拟部件间的焊接情况。在模态分析时，因求解的是车架结构的固有特性(固有频率和固有振型)，与所受外力无关，故可忽略外部载荷的作用;求解过程采用Lancos法，选取。-250 Hz为计算频段范围，提取车架的前6阶非刚体模态。


表1为计算和实测结果对比，从表中看到，最大误差为5%左右，说明用Patran建立的车架有限元模态模型是正确的。从振型看，模态最密集的区域是车架尾部，说明车架尾部最容易产生振动，而且振动最大;进一步观察模态应变，以确定刚度薄弱位置，考虑在这些位置加强，以抑制车架尾部的振动。另外，有限元模拟的振型和实测的模态振型基本一致，图2为该车架的一、二阶车架模态振型图。


2车架部件壁厚对模态特性的影响规律

在验证了初始有限元模型的正确性后，研究了车架各部件壁厚对车架模态特性的影响规律。图3为随着车架各部位壁厚的变化，各阶模态频率的变化规律，从图中看到:1)增加主梁管厚度对第一阶频率影响十分明显。随着主梁管厚度的增加，第一阶频率呈线性卜升;同时一也使其它阶次的频率都有一定程度的上升。2)增加上方管壁厚使车架第一阶固有频率降低，第二阶频率基本没受影响，第三、五阶频率先升高后降低。3)增加下方管壁厚对第一阶频率基本没有影响，第三、四阶频率降低，五、六阶频率有所升高，这一点和上方管的规律有一定相似之处，但下方管的作用不如上方管明显。4)增加座位支架壁厚使第一阶模态有一定降低，公、屯、四、五、六阶频率升高，因此，座位支架壁厚对车架的模态有十分重要的影响。5)增加后货架壁厚使第一阶频率降低，而且降低幅度相当明显，对第五阶影响不大。

3 车架修改前后整车振动对比分析

根据以土分析，笔者进一步对原车架进行了结构修改，基本原则是对影响车架前4阶模态特性月_相对较易修改的部件进行加强。因此，主要对车架的主梁管、座位支架、发动机前吊挂进行了加强:主梁管从原先的3 mm增强到4 mm;座位支架增加了相应的加强筋;发动机前吊挂由原先的3.5 mm增加到4 mm。修改前后车架模态特性对比如图4所示(图中连线不表示数据存在连续性)，从图4看到，修改后车架的模态频率普遍提高，并且模态密度也降低了，即车架的动态特性已经得到了优化。





图5为车架修改前后整车座垫和把手z向振动测试数据对比(1 g=9.8 m/s2 )。从图中看到，车头把手和座垫位置的振动已经降低，尤其是在高转速段，振动加速度降低更为明显。由于车架刚度增强，改善了车架的模态特性，因此在相同的激励下，整车的振动响应减小，从而改善了该车的骑乘舒适性，这一点和整车实际骑乘感觉也是一致的。从本文的测试和分析结果表明，车架的动态特性对整车的振动有重要的影响。因此，在整车设计之初，有必要对车架的模态特性进行专门的分析和优化，力争在最小的生产成本下获得最优的车架模态特性，从而节省研发成本和生产成木。


4 结论

本文用实验和有限兀相结合的方法.分析某型号摩托车车架的模态特性，获得了摩托车车架各个部件壁厚对车架模态的影响规律，在此基础上，改善了该车车架的模态特性和骑乘舒适性。研究结果表明:1)用有限元和实验相结合的方法分析车架部件对干车架模态特性的影响，为车架的修改指明了方向，从而大大提高了解决实际工程问题的效率;2)车架的模态特性对整车的振动有重要的影响，在整车设计之初，有必要对车架的模态特性进行专门的分析和优化，力争在最小的生产成本下获得最优的车架模态特性。(