新型SRV摩托车车架动态特性分析
新型SRV摩托车车架动态特性分析
邓芳1，刘振兴2，杨化林1
（1.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061；2.西安电子科技大学电子工程学院，陕西 西安 710071）
摘 要：以一新型运动型多功能休闲摩托车车架为研究对象，采用有限元模态分析的方法，对车架振动模态进行了分析。得出了车架前十阶重要模态的固有频率和振型，并指出了路面不平度以及发动机往复惯性力激励对车架振动的影响。分析表明：路面不平度不会引发车架共振；发动机标定功率下的二阶惯性力频率与车架的一阶固有频率相等，将激起车架的一阶模态共振。根据分析结果对车架结构进行优化，改善了车架动态特性。
关键词：运动型多功能休闲车；有限元；摩托车车架；动态特性
中图分类号：U483 文献标识码：A 文章编号：1673-3142(2009)04-0029-04
Dynamic characteristic analysis for new-type SRV motorcycle frame
DENG Fang1, LIU Zhen-xing2, YANG Hualin1
(1. College of Electro-Mechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China;
2. Schooll of Electronic Engineering, Xi’an University, Xi’an 710071, China)
Abstract: The frame of a new style motorcycle named Sport Recreation Vehicle (SRV) was researched. Using the finite element mode analysis method, the vibration mode of motorcycle frame was analyzed. The first ten nature frequencies and mode shapes were solved out. Then the influence of rough road and the engine’s reciprocating inertia force to the frame vibration was studied. The results show that: the rough road will not make the frame resonate; but the frame will resonate at its first mode shape, for that its first mode frequency is equal to the engine’s second order inertia force frequency at the rated power. The frame structure was modified based on the analysis results and its dynamic characteristic was optimized.
Key words: sport recreation vehicle (SRV); finite element; motorcycle frame; dynamic characteristic
前言
摩托车在行驶过程中由于受外部激励的作用会发生振动。摩托车的振动会影响骑乘时的舒适性，对整车各零部件的使用寿命，安全性和可靠性都有不良影响。特别是当摩托车发生共振时，影响更为严重，因而必须避免。总的说来，振动要解决的问题主要有以下两个方面[1,2]：
1.对系统的动态特性进行分析，寻求系统的固有频率和固有振型，从而了解结构的固有振动特性，以便更好的利用或减小振动。
2.分析系统对外部激励的动力响应，以计算结构振动时的动位移和动应力。
车架是摩托车的主体骨架，通过其将摩托车各组成部分有机地连接起来成为一个整体，并使摩托车各部分的功效发挥到最大。车架除了承受静载荷外，还会受到各种动载荷如车轮跌落、路面冲击、发动机的往复惯性力等的作用。这些动载荷将使车架发生振动，并最终传至乘员，因而对摩托车车架的动态特性进行分析尤为重要。
本文解决的是振动问题的第一个方面。所研究的运动型多功能休闲摩托车（Sport Recreation Vehicle，简称SRV），集运动、休闲、娱乐为一体，是当今世界流行车型，为主销欧美的一款新型车。为打造自主知识产权，此摩托车从外观、功能到结构设计完全自主研发。并采用国外广泛应用的有限元方法对摩托车车架进行模态分析，寻求摩托车车架的固有频率和固有振型，以改善其动态特性。分析的目的在于通过将车架本身的固有频率与外部激励的固有频率隔开，减小车架的振动，提高摩托车骑乘舒适性。
摩托车动态特性分析技术
系统的动态特性是指系统随频率、刚度、阻尼变化的特性，是系统在输入（激励）作用下所表现出来的性能，一般借助于数学模型来描述，如频域的频响函数，时域的脉冲响应函数，以及传递函数描述等。建立频响函数与模态参数之间的关系，以便识别模态参数，是模态分析理论的一项重要内容[1]。对于任何一个振动系统，都可以用输入（激励）、系统动态特性和输出三要素来表示。对于摩托车振动系统，其振动三要素关系如图1所示。
图1 摩托车振动三要素关系图
摩托车车架动态特性包括其固有频率和固有振型，它们是影响摩托车车架强度以及整车骑乘舒适性的一个至关重要的因素，因而在车架设计时必须要校验其动态特性，方法是进行车架模态分析。对系统进行模态分析，主要有两种方法：试验模态分析（Experiment Mode Analysis，EMA）和有限元法（Finite Element Method, FEM）。一般需要将两者结合进行设计。
进行试验模态分析，必须要制作实际的车架原型，根据对系统输入（人为或自然激励）的测试和分析，建立系统的数学模型，从而得到实验模型参数固有频率、固有振型和模态阻尼[3]。若试验结果不满足要求，则需对试验原型进行修改并重新进行试验，这势必导致试验成本和设计周期的增加。本文所设计的新型SRV摩托车，从概念设计到详细设计都运用数字化设计方法，运用CAD/CAM/CAE技术进行并行设计。因而，为缩短设计周期，节约设计成本，提高产品质量，在没有实际车架原型的初级设计阶段，根据摩托车车架的数字CAD模型，采用有限元法对摩托车结构进行模态分析，并根据分析结果直接对车架的数字模型进行优化设计，极大的提高了设计效率。
车架的有限元模态分析
有限元模型建立
此SRV摩托车车架型式为摇篮式，主要由空心薄壁圆钢管焊接组合而成。根据车架的CAD模型，在进行有限元网格划分时，略去了一些对车架整体强度和刚度影响很小的辅助结构，而保留主体部分。另外，为提高计算准确性，采用四边形壳单元而非梁单元对钢管进行网格划分。对于钢管之间的连接部位，通过焊接单元进行单元连接过渡。
本文所进行的车架有限元模态分析，计算的是车架的自由模态，因而不需对车架进行任何约束及添加外载荷，采用完全自由边界。因而，建立了如图2所示的车架模态分析有限元模型。
图2 模态分析有限元模型
模态求解及结果
对于模态问题的求解一般有三种方法：同步向量迭代（Simultaneous Vector Iteration，SVI）法、兰索斯（Lanczos）法和Guyan缩减法。其中Lanczos法是求解结构特征值的最常用和最有效的方法，本文也采用了Lanczos法来进行模态解算。
采用以上建立的有限元分析模型，对车架的主要模态进行了求解。由于采用自由边界模型，模态计算结果必然出现6阶刚体模态，分析时应将其去除，因而车架实际的振动模态是从第7阶算起。表1给出了车架去除刚体模态后的前十阶模态的固有频率值。
表1 车架前十阶模态频率
图3至图7分别显示了车架的第一到第四阶模态振型图。分析中以摩托车长度方向为x轴，宽度方向为y轴，高度方向为z轴，坐标原点o位于摩托车的质心。
图3 第一阶模态振型图
由图3可以看出，车架第一阶模态振型主要表现为车架前、后乘员座位置处钢管的弯曲变形（xoz平面），且车架尾部变形最大，而车架前部结构基本未变形。由此可见，若激起车架的低阶模态，在车架的乘员座处会产生强烈共振，使乘员感觉上下跳动，并且后座乘员感受最为强烈。
图4 第二阶模态振型（正视图）
图5 第二阶模态振型（俯视图）
由图4和图5可以看出，车架的第二阶模态振型主要为扭转变形。一方面，车架前部和尾部后乘员座处分别绕z轴和x轴发生局部扭曲（正视图）；另一方面，车架整体发生xoy平面内x方向的弯曲变形（俯视图）。
图6 第三阶模态振型图
由图6看出，车架的第三阶模态振型主要为车架尾部后乘员座位置处的扭转变形，这将给摩托车后座乘员造成极不舒适的左右颠簸感。
图7 第四阶模态振型图
由图7看出，车架第四阶模态振型主要为车架前部结构的弯曲变形，结构被拉伸，使得前乘员对手把的操纵性降低，并有明显的跳动感。
从车架的第五阶模态开始，车架的模态振型就开始表现为二阶或多阶的弯曲和扭转变形。若发生共振，将对摩托车的乘坐舒适性和安全稳定性产生很不利的影响，但一般需要较大的能量才能激发较高阶的振动模态。
振动激励的影响
根据对摩托车模态振型的分析，车架的振型主要表现为弯曲和扭转变形。一方面，这会降低车架的安全可靠性，并进一步影响摩托车的操纵性能。另一方面，在乘员座位置发生共振更会造成摩托车前后乘员的极度不适。因此，必须合理设计车架结构，使其模态频率和振型合理分布，以使其与车架的外部激励的固有频率隔开，从而避免共振，改善摩托车整车的安全性、可靠性和舒适性等。
摩托车车架所受振动一方面来源于路面不平度所产生的随机振动，另一方面来自于发动机的往复惯性力。作为振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度进行描述。GB7031-86《车辆振动输入—路面平度表示》以及ISO/TC108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方案”将路面的不平度分为8级，我国公路路面谱基本在A、B、C级范围内，以B级居多。根据路面谱的主要空间频率范围：0.011 m-1
此摩托车发动机的最低空载稳定转速为1500±150 r/min，发动机标定功率的相应转速为6000r/min。由于发动机引起的一阶往复惯性力频率f1（Hz）的计算公式为[5]：
f1=2nZ/ (60τ) （1）
其中：Z：发动机缸数，对此摩托车Z =1；
τ：发动机冲程数，对此摩托车τ=4；
n：发动机转速，r/min。
因而，对此摩托车发动机，有：
f1=n/120 （2）
另外，发动机二阶惯性力频率f2和f1之间有如下关系：
f2=2*f1 （3）
由此，可计算得发动机最低空载转速对应的发动机一阶和二阶往复惯性力频率分别为：f1=12.5±1.25Hz，f2=25±2.5Hz；标定功率转速对应的发动机一阶和二阶往复惯性力频率分别为：f1=50Hz， f2=100Hz。可见，在发动机最低空载转速下，其一阶和二阶惯性力频率都在车架的一阶固有频率100Hz以内，不会激起车架的共振。而当发动机达到其标定功率转速，其二阶往复惯性力频率f2等于车架的一阶固有频率100Hz，这会激起车架的一阶模态共振。车架的共振会极大地影响摩托车的操纵性、稳定性和乘坐舒适性，因而必须避免，方法是适当提高车架的一阶模态固有频率[6]。
从以上分析可见，车架的一阶模态振型主要表现为车架后部乘员座处结构的弯曲变形，因而，要提高车架的该阶固有频率，必须提高该处结构的刚度。经反复分析验证，通过改变车架结构形式的方式进行优化实际并不经济。最后，采取适当提高车架尾部乘员座位置处钢管的直径和壁厚的方法，提高了车架的一阶固有频率，避开了共振的发生，而仅使车架质量稍有提高。
结论
在此SRV摩托车设计过程中，成功使用有限元模态分析的方法对摩托车车架的动态特性进行了分析，为车架设计及结构优化提供了依据。分析得到了车架的固有频率和固有振型，并对车架的各阶振型进行了分析。
从车架的振型特征来看，车架的变形主要以弯扭变形为主，若激起这些振动，对摩托车的骑乘舒适性、操纵性、安全性和可靠性都不利。进一步分析了路面不平度以及发动机往复惯性力激励对车架振动的影响。分析表明：
（1）路面不平度对应的时间频率一般位于车架的一阶固有频率之内，可通过摩托车前后悬架进行隔离，一般不会激起车架共振。
（2）在标定功率转速下发动机的二阶往复惯性力频率等于车架的一阶固有频率，这会激起车架的共振。通过适当增大尾部乘员座位置处钢管的尺寸，提高了车架的一阶固有频率，避免了共振的发生，达到了车架动态特性优化设计的目的。
参考文献
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新型SRV摩托车车架动态特性分析.doc
