三轮摩托车车架的轻量化设计

崔宇航　刘建军　史春涛　王　韬　景亚兵（天津大学内燃机研究所天津300072）



三轮摩托车车架的轻量化设计

崔宇航刘建军史春涛王韬景亚兵
（天津大学内燃机研究所天津300072）

车架不仅要求足够的强度和刚度，而且需要最大限度地减轻其自重，以提高整车的动力性及经济性。对于以货运为主的三轮摩托车，车架自身质量占整车质量的比例较大，因此减轻车架自重对三轮摩托车的轻量化研究具有重要意义。以一款载货三轮摩托车车架为分析对象，通过对现有车架进行有限元分析与试验验证，进一步利用有限元手段解决减重与强度要求间的矛盾问题，得出以实地测量数据为边界条件的轻量化后的三轮摩托车车架的应力分布。

三轮摩托车车架强度轻量化有限元

引言

迫于市场激烈的竞争及原材料价格上涨的压力，产品轻量化是企业长足发展的需要。在三轮摩托车车架新产品的研发过程中，既要集成现有车架的优势又要打破原有的设计格局，尽可能地优化出一款无论从用户角度还是从生产厂家方面均满足需求的车架。将有限元理论应用于三轮摩托车的设计过程，可以有效提高设计的合理性与科学性。

1　轻量化

1.1轻量化概念

轻量化，即在确保物体各项性能的前提下使用新材料降低自重，或采用现代设计方法对物体进行优化设计，达到减重、安全、降耗、环保的要求。

1.2实现轻量化措施

提到轻量化设计，主要从材料和结构设计合理化两方面考虑。

1）材料

国内外主要轻量化的材料主要有：

有色合金材料：铝合金、镁合金使用较为广泛；

非金属材料：以目前广泛应用的碳纤维为代表；

高强度钢。

由于本文分析对象为农用载货三轮车车架，因此未从使用材料角度考虑减重［1］。

2）结构设计合理化

通过对车架结构进行多次优化分析、设计，合理减小车架质量，校核被优化后的车架的结构强度和刚度，在确保满足安全性能前提下合理减重。目前，变截面等强度设计被广泛应用，但采用变截面形状势必会引起生产成本的增加。

本文对车架轻量化的主要途径是利用CAE技术进行结构优化设计，在保证整车承载能力和可靠性的基础上，合理设计结构布局，去除多余材料，通过优化壁厚进行减重。

2　有限元分析

随着计算机技术的飞速发展，CAE分析技术几乎贯穿于每个新产品的整个设计过程，其优势在于可以缩短产品研发周期，降低研发成本，提高产品各方面性能。

2.1有限元建模

有限元建模是轻量化的基础，建模准确与否直接影响轻量化结果的可靠性。本文在建模过程中考虑了前后减震器的刚度，前后减震器与车架间的连接与实际结构一致，实现了动力学与有限元间的结合。

2.1.1网格划分

本文以有限元分析软件ABAQUS为平台，对主要承载部件梁抽取中面，采用非均匀的网格密度对其进行网格细化。各部件间的焊接采用点面绑定约束［2］。图1为离散后的原车架网格划分示意图。

2.1.2材料参数

车架采用普通碳钢Q235，材料性能见表1。

表1　车架材料性能参数值

2.1.3载荷

三轮摩托车车架在实际工作中主要受到驾驶员载荷、发动机载荷、车箱载荷及货物载荷的作用，根据实际情况，将货物及车箱、驾驶员、发动机的质量作为集中质量单元进行施加，按载荷赋予各集中质量单元实际质量，集中质量单元通过coupling与车架相连，以模拟车架在实际工作中所受的负载。

通过GRAVITY施加重力加速度，以反映车架及载荷的自重，从而模拟货物及车箱、驾驶员、发动机对车架所施加的载荷。另外，对应不同工况时施加不同的加速度以模拟动载、转弯、制动、加速等不同行驶特性。加速度的获取通过外场试验用行车记录仪实地测量得到。通过行车记录仪可以直接测得发动机转速、节气门开度、车速、车辆纵向、横向以及垂向三个方向的加速度、俯仰角、横摆角、侧倾角。

2.1.4约束

约束前、后轮轮心位置，采用简支以模拟车架承受垂直载荷时的受力状态。施加载荷与约束的原车架模型如图2所示。

图1　离散的原车架有限元模型

图2　　施加载荷与约束的原车架有限元模型

2.2有限元分析

2.2.1分析说明

本文以静止工况为例说明，也便于强度、刚度试验验证。静止工况模拟三轮摩托车平地驻车或在平顺路面上满载匀速运行状态。在货物质心位置、约束方式不变的前提下，通过改变载荷大小来分析原车架整体的应力变化情况。

2.2.2分析结果

原车架在静止工况不同负载下的应力分布情况如图3～5所示。

图3　货物质量为1 000 kg时原车架整体应力云图

图4　货物质量为500 kg时原车架整体应力云图

图5　货物质量为300 kg时原车架整体应力云图

由应力云图知，当负载为1 000 kg时，车架主梁最大应力未超过60 MPa，出现在前吊耳加载处；当负载为500 kg及以下时，车架整体应力数值均较小。

3　刚度、强度试验验证

为验证有限元分析的合理性，进行了不同载荷条件下的线性静态强度、刚度试验［3］。被测车辆安放在专用基座上，拆除轮胎，在各车轮下安装地磅对其载荷进行实时监控和记录。试验采用水箱注水的方式对被测车辆连续加载，实现对车厢载荷的控制，在座椅及发动机安装处分别固定相当于标准体重和发动机质量的砝码。整个试验的载荷位置、大小及约束情况与有限元分析过程基本相同。试验现场如图6～7所示。根据各个梁的有限元分析结果及经验选择试验车架的测点位置。

图6　强度试验现场图片

图7　刚度试验现场图片

强度试验选取车架第一横梁上与纵梁搭接处附近的一个测点，刚度试验选取车架最后部的一个测点，以其为例说明试验数据与计算数据的对比情况，如图8～9所示。

图8　强度试验一测点处试验数据与计算数据的对比

图9　刚度试验一测点处试验数据与计算数据的对比

从图中可以看出，二者吻合情况较好，进一步说明了在边界条件一致时有限元的合理性与准确性，为下一步车架轻量化设计提供可靠保障。

4　轻量化车架的有限元分析

通过对原型车架进行分析知，竖梁与下弯梁连接区域应力较大，其它位置强度富裕。以与原型车架边界条件一致为前提，以应力及变形不大于已计算的原型车架为目标，经过多次优化，确定新改型车架结构。

车架第三横梁及纵梁壁厚变薄0.5 mm，且对竖梁与下弯梁连接处进行了结构改进，降低此处应力。车架整体减重5%。分析优化后的新改型车架结果云图（以载重1 000 kg为例）如图10所示。

图10　新改型车架载重1 000 kg时整体应力云图

通过以上云图可以看出，新车架的设计趋于等强度设计。

通过前述有限元分析方法，还可以初步确定新改型车架结构强度极限所决定的货物质量与质心位置，得出承载极限值曲线，如图11所示。

图11　优化后的车架承载极限值曲线

图中各曲线含义如下：

前轮抬起——确定了前轮抬起时的位置及极限承载量，即，如果货物质心位于此线右侧则前轮翘起；

前轮承载18%——确定了满足前轮承载能力为18%（国家法规规定）的要求时的位置及极限承载量，如果货物质心位于此线右侧则前轮分担载荷小于18%；

装载极限值——确定了优化后的车架结构强度极限所决定的货物质量与质心位置，如果出现在该线以上，则车架将发生破坏或塑性变形。

5　结论

通过有限元与试验相结合的方法验证了有限元模型分析的准确性，实现了在不低于原型车架强度基础上的新改型车架轻量化设计。本文在三轮摩托车车架的设计过程中有效地利用了有限元的优势，避免了传统设计的盲目性。

1倪晋尚.轻量化技术在现代汽车中的应用［J］.公路与汽运，2008（5）：4-7

2刘展，祖景平，钱英莉，等.ABAQUS6.6基础教程与实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2008

3顾怀宁，高建民，谢小敏.摩托车车架强度试验方法探讨［J］.摩托车技术，2010（8）：39-42

Lightweight Design for Frame of Tricycle

Cui Yuhang，Liu Jianjun，Shi Chuntao，Wang Tao，Jing Yabing
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

In order to improve the dynamic and economic performance，frame requires enough strength and stiffness，and minimum weight.For freight tricycle，the frame's weight is a big proportion of the whole tricycle，so it's important to reduce weight of the frame.In this paper，taking a frame of freight tricycle as research object，the contradiction problem between weight reduction and strength requirement is resolved by FEM，and frame stress distribution of tricycle is concluded，which is based on measurement data for boundary condition.

Frame of tricycle，Strength，Lightweight，FE

U483.02

A

2095-8234（2015）06-0082-04

崔宇航（1983-），女，工程师，主要从事整车结构分析及设计工作。

（2015-07-21）