摩托车车架的刚度及强度分析
时间: 20:34 所属行业：摩托车、车架、强度分析、有限元分析
&&& 车架是摩托车的主要承载结构，具有几何形状复杂、作用载荷复杂、支撑结构和约束复杂的特点。车架具有足够的强度和适当的刚度是对车架的基本要求。摩托车车架的强度是摩托车承载能力的决定性因素。足够的强度保证摩托车在载荷的作用下保持结构的完整。适当的刚度保证摩托车在载荷的作用下保持前、后轮的平直度，不致产生影响行驶稳定性的弯曲或扭曲。下面主要运用有限元法对摩托车车架在不同工况下的刚度和强度进行计算，分析车架的应力应变情况并对结果进行评价，以便能为摩托车车架的设计提供参考。
1、车架几何模型的建立
&&& 所提供的车架是由若干根钢管和钢板组合的焊接结构组成，其中车架上管、下管及与其相连的连接板为主要承载部件。根据有限元分析的特点，我们先建立起具有一定精度的车架的几何模型。
2、车架有限元模型的建立
&&& 使用处理软件Hypermesh对车架的几何模型进行网格划分，单元选用二维4节点的空间薄壳单元Shell63，Shell63单元可有效地模拟一定厚度的板壳及其线形和弯曲变形。单元每个节点均具有6个自由度，即x，y，z向平动自由度和绕x，y，z轴的转动自由度。在平面内变形为线性变形，对于非平面的情况单元采用对组成向量进行混合插补的方法，从而使对车架的模拟更为合理。
&&& 用板壳SHELL63单元对该车架进行离散。在离散过程中，考虑到车架与转向立管相接处以及各弯管相接处的结构强度较薄弱，划分单元时应尽可能细化，以便准确地求得最敏感承载区域的应力和变形。
2.1、车架的计算载荷
&&& 摩托车在使用过程中要承受各种载荷的作用，在建立车架的有限元模型时就必须对载荷进行适当的处理，以便施加在相应的单元和节点上。对于本摩托车，驾驶员质量130 kg，油箱质量6kg，发动机总成质量35.2kg。发动机总成载荷分两部分集中载荷，前支撑19kg，后支撑16.2kg，在建立有限元模型时将作用点设置在节点上，各部分载荷形式都为均布载荷。
3、计算结果
&&& 计算的车架应力分布，车架最大应力为124.5 MPa，位于发动机后支撑梁与座椅相接处，小于强度极限。除此还有转向立管附近的最大应力，底部左弯管处的最大应力为42.762 MPa，弧形板和前支撑管相接处的应力，最大应力为31.662 MPa。
车架的变形主要发生在与车架主弯管相连的支撑座处，最大总变形量为0.802 mm。
&&& 利用有限元的方法对车架进行结构强度和刚度分析，从分析结果可知：
&&& 1)、在双轮、单轮支撑两种工况下的强度分析计算结果，车架的最大应力分别为124.5 MPa和153. 6 MPa均小于车架材料的许用限制。该车的车架强度设计满足要求；
&&& 2)、车架的弯曲刚度略小于标准弯曲刚度，而扭转刚度远大于标准扭转刚度。表明车架扭转刚度过大，可能存在车架的振动，对摩托车的操纵稳定性和乘坐舒适性造成不利影响；
&&& 3)、车架的最大应力出现在车架主弯管和后弯管连接处，注意此处的焊接质量；
&&& 4)、车架转向立管处的结构应力控制较好，结构设计合理。
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宋绪成李威胡搒（南京农业大学工学院，江苏南京210031）摘要：赛车的车架是支撑赛车其他部件、构成赛车主体的重要部件，现在ANSYS软件中对弯曲工况下的车架进行模拟力学分析，为之后车架的轻量化提供了理论依据。教育期刊网 关键词 ：车架；弯曲工况；有限元0引言车架是赛车各大总成的载体，是重要的受力部件。赛车在高速行驶时，一方面由于路面对赛车施加弯矩、扭转等复杂载荷，赛车会发生弯曲、扭转变形；另一方面，由于路面和发动机对赛车产生激励，赛车在行驶时会产生随机振动。车架相当于赛车的骨骼，车上绝大部分零件都会安装在车架上，所以车架的性能好坏对整车的性能起绝对作用。在进行车架设计时，既要满足车架在各种工况下都能保持足够的弯曲、扭转刚度，又要避免在行驶过程中车架与车上各部件产生共振，使车架发生破坏。现借助有限元分析软件ANSYS，分析车架在弯曲工况下的强度、刚度以及模态等特性，以大赛规则为基础，在满足赛车车架强度与刚度的条件下使车架重量达到最轻，在满足容纳下所有部件的条件下使车架空间达到最小。1车架有限元模型的建立1.1几何模型的建立在FSC大赛中，大多数车队采用的是桁架式金属车架，只有极少数车队采用单体壳结构，单体壳虽然具有质量轻、强度高等优点，但一体式复合材料车架不易修理，且制作车架的复合材料价格一般较高，加工过程也较为困难，这些都是该种车架的缺点。因为桁架式金属车架有较好的强度与刚度，加工容易，不用专业的设备与技术，材料与加工成本都较为低廉，所以这次参加FSC大赛的赛车我们选用的是桁架式金属车架。虽然ANSYS提供了从CAD中导入模型功能，但直接导入模型会不可避免地产生一些缺陷，影响分析精度，故我们选用在Workbench中直接建立车架模型，提高分析的准确性。所有管件用线架建模。1.2单元网格的划分车架材料选择4130结构合金钢，弹性模量为2.05×1011Pa，泊松比为0.29，屈服强度为250MPa，强度极限为480MPa。网格划分是有限元处理的主要工作，网格质量的好坏将直接影响计算结果。而由于此次的车架为钢管焊接而成的桁架结构，考虑到分析精度和资源占用情况，采用梁单元BEAM188作为车架的单元分析类型，而底板选择壳体SHELL181单元进行分析。BEAM188中每个节点一般有6个自由度，SHELL181中每个节点也是6个自由度，因此二者的节点自由度可以无缝耦合在一起。在ANSYS中，利用Mesh功能中的AutomaticMethod设置单元的基本尺寸。在此次分析中，我们设置单元的基本尺寸为10mm。对单元的基本尺寸进行控制，划分出了基本尺寸为10mm的梁单元网格，分成9876个节点、6788个单元。相比去年车架实体分析划分出的299108个节点、147900个单元减少很多，提高了分析效率，对资源的占用也有明显降低。划分完网格的模型细节如图1所示。2弯曲工况分析弯曲工况主要是赛车满载状态下，四轮同时着地时的强度和刚度分析，主要模拟赛车在良好路面上匀速行驶的应力分布和变形情况。本文赛车前、后悬架均采用双横臂式独立悬架，每个独立悬架通过4个焊接点与车架相连。在分析过程中，采用约束车架和悬架连接点的位移自由度模拟整车的实际约束状况，采取每个悬架取悬架上、下叉臂的硬点作为{代写论文就找久久论文网，代写论文QQ：}约束点。由于悬架硬点的连接方式为球副连接，故在此只对连接点约束位移自由度，释放全部转动自由度。当计算弯曲工况时，车架承受的静载荷需乘上一个动载因数，一般为2.0～2.5，本文取2.5。悬架支撑处约束方式（采用车辆行驶坐标系）、车架的加载分别如下所示，至于制动系和传动系以及其他配件的重量由于较小可以在分析中忽略，其中重力加速度取10m/s2。（1）平动时弯曲工况约束：前左——Z；前右——Z；后左——X、Y、Z；后右——X、Y、Z。（2）车架自重：30kg；驾驶员自重：60kg；发动机总成：70kg；重力场加载：750N；座舱均布载荷：1500N；发动机固定点均布载荷：1750N。经过ANSYS仿真分析得到位移云图（变形量放大130倍显示）和应力云图，如图2、图3所示。3结语通过分析可知，车架管件所受的最大组合应力为90.4MPa，位于主环斜撑处，小于屈服极限。车架的变形主要发生在座舱底部和主环的顶部，最大总变形量为1.4mm。
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大家知道汽车由发动机、底盘、车身、电气设备四部分组成，而底盘又由传动系、行驶系、制动系、转向系四大系统组成。车架作为汽车的承载基体属于行驶系的一部分。主要为货车、中型及以下客车、中高级和高级轿车所采用。车架的功用是支承发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货厢等所有簧上质量的有关机件，承受着传递给它的各种力和力矩。从整车系统来考虑，车架一方面要有足够的结构性能，以保证车架的弯曲刚度、扭转刚度、强度及自身质量等结构性能方面的参数能够满足整车系统的需要；另一方面车架又要有良好的装配性能，以使装配其上的发动机、离合器、变速器、转向器等重要总成件之间的相对位置有着较高的精度。
车架的构成
车架按纵梁的结构特点可分为五种结构型式；（1）、周边式车架；
（2）X形车架；（3）、梯形车架（又称边梁式车架）；（4）、脊梁式车架；（5）、综合式车架。其中边梁式车架由于其结构便于安装车身、车厢和布置其他总成件，易于汽车的改装和变型，因此被广泛的应用在载货汽车、越野汽车、特种车辆和用货车底盘改装的客车上。在中、轻型客车上也有所采用，轿车则较少采用。尤其是在载货汽车上应用最为广泛，我公司现在生产的车架就属于边梁式车架。因此这里主要介绍一下载货汽车边梁式车架的结构特点。
载货汽车的边梁式车架是由两根相互平行且开口朝内、冲压制成的
槽型纵梁及一些冲压制成的开口槽型横梁组合而成。车架的宽度一般为全长等宽。有些国家对车架宽度作了规定，SAE规定7.50-14.00寸双后胎的货车车架宽度为864mm，前苏联也采用了类似数据865mm。在我国中、重型载货汽车车架宽度一般为861mm 。车架的宽度标准化有利于产品的三化，如可使车架横梁、前、后桥及驾驶室、货厢等进行互换。车架等宽则简化了纵梁的冲压工艺也使纵梁上不会产生附加扭矩。有时根据设计需要将车架前、后端的宽度做得窄些或宽些，但其尺寸应与限定的汽车轮廓宽度2.5m相适应。车架的长度一般与整车长度大致接近，约为轴距的1.4-1.7倍。
纵梁是车架的主要承载元件，也是车架中最大的加工件，其形状力求简单。载货汽车的车架纵梁沿全长多取平直且断面也不变或少变，以简化工艺。由于纵梁中部受到的弯矩最大，所以纵梁的上表面沿全长不变或局部降低，而两端的下表面适当的向上收缩，既纵梁中部相当长的范围内具有最大高度和宽度，而两端相应地缩小，这样一方面使车架的应力分布较为平均，另一方面则减轻车架的质量。载货汽车纵梁的断面形状多为开口朝内的槽形（也有Z字形和工字形的），这是因为槽形断面梁的弯曲刚度大、强度高、工艺性好、零件的安装与紧固方便。其缺点是抗扭性差。槽形断面纵梁上、下翼缘的宽度尺寸约为其腹板高度尺寸的35%-40%。纵梁多为冲压件，超重型汽车的纵梁则常采用焊接结构或轧制的成型材。
横梁将左右纵梁联在一起，构成完整的车架，并保证车架有足够的扭转刚度，限制其变形和降低某些部位的应力。横梁还起着支承某些总成件的作用。车架横梁的分布与有关总成、驾驶室、货箱或车身的支承位置有关。前横梁通常用作水箱和发动机的前支承。为了降低水箱和发动机的支承高度以改善视野，前横梁常制成宽而向下凹的形状，就是我们常说的“元宝梁”。当发动机的前支点位于左右纵梁上时，前横梁则可减小宽度并采用槽形或Z 字形断面。中横梁常做成拱形以留出传动轴跳动的空间。货车在后钢板弹簧前、后支架附近分别设置横梁，尾部常要设置拖拽装置横梁，还利用K字形的斜撑来减小连接跨度，都是为了增强其刚度和强度。X形横梁则可提高车架刚度，并抵抗作用在左右纵梁上的一对力偶所引起的车架对角变形（对于窄而长的货车车架来说单个X形横梁的作用不太明显）。除了横梁的结构，不同的横梁断面形状对车架的刚度和强度也有一定的影响。一般来说腹板直立的槽形断面横梁和有两槽形横梁组成的工字形横梁的弯曲刚度及强度均好，因此适用于后钢板弹簧的支架处；帽形横梁因其断面高度较小，较易做成大弯度梁，宜用于需向下凹的前横梁和拱形的中横梁；封闭形断面梁和管梁的扭转刚度大，宜用于需加强扭转刚度处，但货车多采用扭转刚度不大的非封闭形断面梁的钢板冲压横梁。
采用车架与无车架结构相比有以下优点；（1）来自动力-传动系统和路面的振动和噪声可通过车架与车身间的橡胶垫减振，使之不易传到车身上和车厢内；（2）便于车身的变型和改装；（3）汽车底盘和
车身可分别装配。缺点；采用车架的汽车，其高度和质量都会增大，降低了汽车的通过性参数及整备质量利用系数。
车架的结构性能
由于车架除承受静载荷外，还承受汽车行使时产生的各种动载荷。因此从整车系统来考虑，对车架结构性能的要求是应有（1）足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车的行驶过程中保持不变并使车身的变形最小。（2）足够的强度，以保证其有足够的可靠性和寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。（3）适宜的扭转刚度。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘座舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。（4）在保证强度和刚度的前提下车架的自身质量应尽可能小，以减小汽车的整备质量，提高整备质量利用系数。
如果把汽车比喻成一个人，车架就好比是人的骨骼。就像人体对骨骼有较高的要求一样，在车架的设计、制造过程中我们一般通过（1）严格控制车架材料的选用、（2）车架结构的合理设计、（3）车架制造工艺的优化来保证车架的结构性能能够满足整车设计的需要。
（1）严格控制车架材料的选用。
选用合适的车架材料是使车架获得良好结构性能的保证。车架材料的选用原则是在满足车架结构性能需要的前提下，选择工艺性好，
便于简化加工工艺的材料。因此，车架材料应具有足够高的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好的冷冲压性能和焊接性能。低碳和中碳低合金钢能满足这些要求。需要说明的是车架材料与所选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢08、09MnL、09MnREL等钢板制造；拉伸尺寸不大或形状不复杂的冲压件常采用强度稍高的20、25、16MnL、09SiVL、10TiL等钢板制造。强度更高的钢板在冷冲时易开裂且冲压回弹较大，故不宜采用。货车根据其载质量的不同，轻、中型货车冲压纵梁的钢板厚度为5.0-7.0mm，重型货车冲压纵梁的钢板厚度为7.0-9.0mm。
（2）车架结构的合理设计。 前面讲过从整车系统来考虑，要求车架的结构性能应有足够的弯曲刚度和强度，适宜的扭转刚度和尽可能小的自身质量。对车架而言，由于纵梁不一定是等截面，而横梁也不可能是等距布置相同截面的横梁。故扭转刚度不会沿车架长度保持不变。因此车架纵梁的局部扭转刚度不仅与横梁的弯曲刚度有关，还与车架的水平弯曲刚度有关。由于结构的不同，车架的各种刚度值相差极大。例如由槽形断面的横梁和纵梁组成的车架，其扭转刚度小而弯曲刚度大；纵梁局部扭转刚度在两横梁之间的部分较小而在与横梁联接处则较大。整车的扭转刚度则往往比车架本身的扭转刚度大数倍。而对整车来说，由于各种汽车的类型、结构形式及用途的不同，对车架各个部位的强度、刚度要求也不尽相同。这里我们仅以应用最为广泛
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基于有限元的某轻卡车架刚度分析
【摘要】：建立汽车车架的CAE模型,利用有限元方法对汽车车架进行弯曲刚度计算、扭转刚度计算与校核。通过4点约束进行弯曲刚度计算。在计算扭转刚度时,对后轮和右前轮约束、左前轮施加力。在校核扭转刚度时,对车架前、中、后三部分分别算出对应扭转刚度。通过分析计算,验证该汽车车架的弯曲刚度和扭转刚度是否符合设计要求。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：U463.32【正文快照】：
车架是汽车的骨架,大多数零部件都直接安装其上,承受的载荷比较复杂。车架的强度、刚度以及动态特性直接影响整车的使用寿命、舒适性、车内噪声、操纵稳定性等基本性能。车架要有足够的静刚度来保证其装配和使用要求[1]。车架刚度对整车刚度的影响很大。整车刚度一般包括车身
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