四轮摩托车车架有限元分析本科毕业论文设计.docx

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四轮摩托车车架有限元分析本科毕业论文设计

河北工业大学

毕业设计说明书

作者：

学号：

学院：

机械工程

系（专业）：

车辆工程

题目：

四轮摩托车车架有限元分析

毕业设计论文中文摘要

四轮摩托车车架有限元分析

摘要:

摩托车车架是摩托车的骨架，其主要功能是用来固定及支承车辆的发动机、传动系统和悬架系统以及其它相关元件等，并承受来自发动机及路面的激励。

它的好坏关系到摩托车行驶的安全性、可靠性和舒适性。

车架在一辆车的整体结构中扮演着骨架的角色，它是整车零件及零件总成的组装和运行平台。

通过对ATV车车架进行建模，建模采用的软件是Pro/EngineerWildfire，之后采用Pro/MECHANICA对车架进行有限元分析，分析主要包括在自由模态和约束模态分析、静态受力、加速工况和制动工况下车架的应力、位移、应变、应变能等，通过与材料的弯曲强度做比较，得出在这几种状况下车架的安全性。

关键词：

ATV车架有限元模态分析

毕业设计论文英文摘要

Finiteelementanalysisoffourmotorcycleframe

Abstract:

Motorcyclemotorcycleframeskeleton,itsmainfunctionistofixandsupportthevehicle'sengine,transmissionandsuspensionsystems,andotherrelatedcomponents,etc.,andisexposedtoexcitationfromtheengineandroad.Itwillhavearelationshiptothemotorcycledrivingsafety,reliabilityandcomfort.

Theframeplaysaroleofskeletonintheoverallstructureofacar.Itistheassemblingandoperatingplatformofthevehiclepartsandcomponentsassembly.Inthispaper,wemodeltheframeofATVbyusingPro/EngineerWildfiresoftware,thenmakeafiniteelementanalysisoftheframebyusingPro/MECHANICA.Theanalysismainlyincludestheanalysisofframe’stress,displacement,strainandstrainenergyundertheconditionsoffreemode,constrainsmode,staticstress,acceleratingmodeandbrakeoperating.Wecanobtainthesecurityofframeinthisseveralconditionsbycomparingwiththebendingstrengthofmaterials.

Keywords:

ATVframefiniteelementmodalanalysis

1绪论

1.1引言

摩托车在我们的生活中无处不见，由于它体积小，耗油量抵，价格低廉，使用灵活，对驾驶者和道路的要求不高，受到大部分人群的青睐。

本文所讨论的四轮摩托车主要用于沙滩娱乐项目，既沙滩车。

近些年来，随着人们生活水平的提高，人们的物质享受已得到极大的满足，更多的是最求精神享受，沙滩娱乐是主要的方式之一，其中沙滩交通工具是其娱乐的条件和形式，这也说明了对沙滩车车架的研究具有重大的实际意义。

总所周知，车架是一辆车的骨架，如果你有最好供油系统、供电系统、传动系统、制动系统，却没有良好的车架，那么着辆车的性能就大打折扣了，因为车架是装配基体，摩托车绝大多数的零部件、总成都要安装在车架上。

另外，车架不仅承受各零部件、总成的载荷，还要承受汽车行驶时来自路面各种复杂载荷的作用，如汽车加速、制动时的纵向力，汽车转弯、侧坡行驶时的侧向力，不良路面传来的冲击等等。

概括来说，车架的作用主要有下面两点，一是支承、连接汽车各零部件、总成；二是承受车内、外各种载荷的作用。

1.2国内外的研究现状

1.2.1摩托车的发展史

第一辆摩托车是由德国戴姆勒股份有限公司创始人戈特利布.戴姆勒发明的，之后世界的摩托车工业经历了初创期、成熟期后，进入了高速发张阶段，现在的生产重心已向发展中国家转移。

早期著名的摩托车生产厂家多数在欧洲,其次在美国,最早正式生产摩托车的厂家是德国慕尼黑的希尔德布兰德与沃尔沃米勒公司[1]。

该公司于1897年7月申请了命名为“摩托车（motorcycle）”的专利,摩托车的名称也是从那时开始启用的。

除德国外,欧洲的早期摩托车生产厂家还有:

1903年开始生产摩托车的奥地利的PUCH公司;1903年开始生产摩托车的瑞典的HUSQVARNA公司;1909年建立并生产摩托车的意大利的GILERA公司;1911年开始生产摩托车的意大利的BENELLI公司;法国的PEUGEOT公司于1882年开始生产自行车,1890年开始生产摩托车,是历史悠久的摩托车生产厂家[2]。

我国的摩托车是在1951年7月8日在中国解放军北京第六汽车制造厂仿照德国迅达普K500型摩托车，第一批定名为“井冈山”牌摩托车，之后发展迅速，特别是自改革开放以来经历了跳跃式发展，据调查，我国摩托车产量已居世界第一位。

改革开放三十年以来，我国的摩托车工业取得了迅猛的发展，成为机电产品类发展速度最快的一个行业之一，摩托车类产品也日渐成为我国机电产品出口中的重要产品,我国自1993年成为世界摩托车市场第一大国后，产销量一直以每年10%左右的速度稳步上升,2004年年产量突破1700万辆，占世界总产量的一半以上，产值占我国GDP的1%左右，出口量超过400万辆，创汇达到14亿美元,其后该行业一直保持强劲的发展态势，在摩托车行业从业人员的共同努力下，产品出口创汇和出口量屡创佳绩[3—5]。

但是就目前我国的摩托车生产技术而言，其整体的研发水平较为薄弱，技术含量不高，究其原应，最大问题就是自主开发的能力相对落后，目前大多数企业只能依靠引进和仿制国外车型进行生产。

在我国，由于摩托车种类繁多，其中四轮摩擦车由于市场的需要量大，发展前景客观。

1.2.2四轮摩托车的发展史

四轮摩托车俗称ATV（All-terrain-vehicle），又称全地形车。

自1970年日本的本田公司（Honda）推出第一辆三轮ATV后，其他生产厂商也相继推出了自己的ATV。

现代ATV的前身—三轮并有低压气胎的机车，于1960年后开始在美国市场销售。

开始时它只是为越野赛设计的车，后来逐渐成为比赛赛车、实用运输车、家庭休闲用车等等。

1980年代开始，各个厂商开始参与并且针对各种用途投入了对ATV原型的制作，并在1985一1987年造成了它在美国市场的大流行，同时机车也由三轮改变成四轮,而随着四轮车辆的增加，以前从未出现的四轮驱动式车也发展起来,外壳通常由塑料制成，骨架采用铝合金和钢结构焊接，轻巧而且实用,它驾驶简单，根据不同的排量，最高时速通常限制在30~60公里，能满足不同年龄的消费者娱乐需要,ATV具有锻炼驾车能力，培养勇敢精神的作用，它性能优良，造型美观，乘骑舒适，坚固耐用，已经取得了国内外市场广泛认同，目前已经远销美国、欧洲、澳大利亚等国家地区[6]。

四轮ATV是由1983年铃木公司（Suzuki）推出的。

因其四轮稳定性较高，相对安全性也提高了；轮胎宽大，增加了与地面的接触面积，从而产生更大的摩擦力，再配合独特的胎纹使其不易打滑，在软质的沙地上行走自如，所以人们又称之为“沙滩车”。

在现实生活中ATV能当实际运输作业，如在山地、矿区、农场等；能当运动休闲工具；也能当代步工具；还能做消防、巡逻、军事防卫等。

据统计，2007年我国出口到美国的沙滩车多达55000多辆，位居第一位，占摩托车出口数的43.6％[7]。

中国的ATV第一车：

建设JS250ATV问世，标志着我国的沙滩车产业彻底摆脱了对国外的依赖。

因为它是唯一拥有自主知识产权的大排量沙滩车—建设JS250ATV。

此车型问世，不仅显示了建设集团雄厚的开发实力，而且也将推动中国摩托车业的发展和对外贸易的扩展。

1.2.3我国四轮摩托车的发展状况

中国是摩托车使用大国，也是摩托车的生产大国。

虽然我国ATV车远销海外，但据资料显示，我国出口的ATV车频频出现安全事故，特别是出后欧盟的车，为了防止事故的发生，欧盟委员会已要求各成员国采取紧急措施加强对中国产“迷你ATV车”进行市场监控。

目前，美国消费品安全委员会正在提交有关增加该产品安全性能的法规草案，这些规定包括:

将现在的自愿性标准转变为强制性标准;

对非成人使用的全地形车设置最高限速;

要求零售商为购买者及其其家庭成员提供免费的培训;

要求零售商向购买者提供书面的安全注意事项告知书，提醒购买者不要让儿童使用成人骑乘的全地形车并提供由于儿童使用成人全地形车所导致的伤亡数据统计[8]。

鉴于欧美相继对我国全地形车产业采取限制措施，浙江检验检疫局采取措施积极应对:

一是立即向有关部门和出口企业通报了欧美采取的各种技术措施，要求各相关企业、外贸经营单位密切注意该事件的动态，及时调整产品设计以满足进口国标准的要求，避免企业因为不了解情况出口而受损;二是为防止没有经过认证的产品出口，要求各出口非道路用ATV车的生产企业必须递交其出口产品的相关认证证书及出口产品清单等进行备案，未经备案企业的产品不得出口欧盟和美洲;三是针对非道路ATV车存在比较大的安全隐患的现状，将加速推进有关场地车实验室的建设进程，争取在尽快就能够实施对出口非道路用ATV车的相关型式试验[8]。

随着生活水平的提高,人们对摩托车的行驶平顺性,乘坐舒适性及安全性的要求越来越高[9]。

随着道路条件的改善、车速的提高，ATV的行驶安全性、动力性、驾驶舒适性、燃油经济性等性能已近成为ATV的重要的设计指标。

就我国目前的ATV而言，与国外相比，最大的缺陷就是驾驶的舒适性不理想，而驾驶舒适性几乎是所有是所有市场用户的最低需求，这也是ATV的发展趋势。

震动是影响整车舒适性的最大毒瘤，一个结构合理的ATV车架不仅能减少整车的震动，还能增加它的安全性等性能，所以对ATV车架有限元的研究不仅具有理论的意义，也具有实际生产价值，也是提高我国生产技术不可或缺的一步。

目前，国际ATV技术额领先主要包括燃烧技术、四轮驱动、四轮与两轮驱动的转换技术、车架技术、轻量化程度、多气门水冷等。

在新ATV车开发过程中，车架的先进技术都是参照日本或欧美的样本，从而提高我国ATV新车的安全性、舒适性等指标。

1.2.4ATV车的设计方法及现状

在世界ATV车设计领域中，国外ATV车行业中的计算机数值模拟技术应用较早，开发的技术能力比较高。

一些欧美国家有很多出色的设计研发机构，他们利用计算机模拟技术进行分析，提高了开发的效率，并取得了良好的技术和经济价值。

我国台湾省的ATV车工业比较先进，同样也是积极采用了计算机技术与产品开发的结合应用[10]。

以台湾光阳公司为例，拥有世界一流的三百多名计算机技术人员、先进的工作站以及世界闻名的ATV车模拟实验平台，从而旗下的ATV车远销世界各地并保持技术的相对优势[8]。

目前国外在摩托车的设计上广泛采用三维CAD、CAE技术，在试验研究上广泛采用CAT技术，在制造上广泛采用CAM技术、RP快速成型技术。

三维CAD技术较二维CAD技术而言，能方便地进行产品造型、虚拟装配、干涉检查和运动分析等，而大大提高设计质量，特别是三维CAD技术与CAE、CAM技术结合使用，能显著降低开发成本，缩短开发时间。

随着计算机技术的发展，CAD软件目前已得到广泛应用，常用的三维软件有UG、CATIA、Pro/ENGINEER等[11]，而开发周期，在采用CAD／CAE技术以后，己由原来的5年缩短为24～36个月[12]。

有限元概念在1943年提出后，随着计算机技术的迅速发展，其应用的范围越来越广泛，从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。

分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性整和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。

目前，国际上大型有限元分析程序主要有ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP等[13]。

70年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元分析，并能够较好的模拟、分析车架动态特性。

利用有限元法进行分析已成为国外主要摩托车行业从事摩托车产品开发的标准过程，并已达到建立整车虚拟样机来代真实样机进行大部分试验评价的水平，大大缩短了设计开发周期，减小了试验次数和成本。

日本四大摩托车公司（本田、铃木、雅马哈、川崎）新开发的摩托车其主要部件都经过了有限元仿真分析，无论是新产品的性能，新产品的开发速度，还是新产品的开发成本都有很大的优势[11]。

国内从80年代才开始有限元方面的研究，有限元分析法在摩托车产品开发中才得到应用。

由于起步较晚，经过多年的发展，虽积累了大量的经验，但由于软硬件水平和车架动力学的复杂性，如何应用有限元方法来解决车架的结构设计和分析己成为目前急待解决的课题。

国内摩托车企业专业化程度参差不齐，除个别大企业外，大部分中小企业专业化生产水平相对较低。

在摩托车的开发设计上，主要采用静强度校核等传统法进行设计开发。

对摩托车结构件缺乏准确分析的能力已经成为设计摩托车高端产品的瓶颈[14]。

1.2.6车架研究的目的和意义

我国的摩托车工业起步晚相较于欧美等发达国家已属十分晚了，在八十年代以前，我国的摩托车技术还一直引进苏联四十年代的生产技术，产品也是那个时代的样子，几十年一成未变，这样与国际的摩托车技术相差越来越远了。

这期间国外，由于计算机模拟技术的应用，自主开发技术得到了大幅度提高。

现在的摩托车行业的龙头大哥——日本，在二战后，用了十年的时间完成了从仿制到自主研发的蜕变，目前，日本摩托车四大生产公司已经成为了代表摩托车技术的最高象征。

我国的摩托车产业真正的发展要追溯到上世纪八十年代，那时由于外资的引进和合作，我国开始引用国外的图纸技术进行生产，各厂家以国外的图纸进行模仿和改动，但是由于缺乏了对车架的有限元分析，没有控制好车架的强度和震动，这直接制约着我国摩托车产业的发展。

本文主要是采用CAE技术对ATV车进行建模和强度与震动分析，从而改善ATV车的性能。

在这个过程中，我们应尽可能避免发动机一、二阶惯性力频率跟车架固有频率一致引起的摩托车共振问题,通过对车架结构进行频率响应优化设计,减少了摩托车常用工况下发生共振的可能性,从而改善摩托车的动态特性,提高摩托车的乘坐舒适性和耐久性[15]。

车架是摩托车的骨架，其主要功能是用来固定及支承车辆的发动机、传动系统和悬架系统以及其它相关元件等，并承受来自发动机及路面的激励，对车辆行驶的安全性、可靠性和舒适性起着重要基础作用[16]。

同时，摩托车车架作为摩托车总成的一部分，承受着各种各样的复杂载荷，其结构的强度、刚度和固有特性是车架的重要设计指标，摩托车车架结构优化设计，改善其性能，具有重要的工程实用价值[17]。

车架的功能除了支承连接各零部件外，还有承受来自车内外的各种载荷，以保证驾驶安全。

2车架模型的建立

2.1车架的分类[18]

摩托车根据车辆类型、总体尺寸及布置、发动机的型式及排量、外观设计特点、制造工艺水平安全性、经济性等因数、采用的车架结构形式有较大的差别。

按照车架的结构形状[16]主要分为：

篮式车架、跨接菱形式车架、脊梁式车架、低跨式车架、组合摇臂式车架。

按照使用材料的不同，车架分为钢管车架、钢板车架、钢管钢板组合车架和铝合金车架。

1）摇篮式车架

摇篮式车架是摩托车的基本车架型式。

这种车架在其安装的部分构成一个类似摇篮的机构，发动机安装其间，四周以车架为骨架，因此称为摇篮式车架。

如图2-1。

图2-1摇篮式车架

2）跨接菱形式车架

跨接菱形式车架省略了托住发动机下部的构件，发动机作为车架的一个构件，将车架连接起来，其优点在于可以轻量化，易于装配。

缺点是作用在车架上的力也作用在发动机上，如图2-2。

图2-2跨接菱形式车架

3）脊梁式车架

脊梁式车架完全省略了托抱发动机的构件。

从转向立管到车架尾部由脊梁的构件构成，基本上采用的是左右结构的冲压薄钢板焊接成型，工艺简单，制作精度较高，适于大批量专业化生产，如图2-3。

图2-3脊梁式车架

4）低跨式车架

低跨式车架在转向立管和车座之间，车架的主梁向下弯曲形成一个适当的空间，油箱安排在下面，用来实现上下摩托车容易的目的，如图2-4。

图2-4低跨式车架

5）组合摇臂式车架

这种车架与前几类车架不同，发动机不是直接安装在车架上，而是把发动机、后悬架、驱动装置组合成一个刚性整体，在发动机曲轴箱上设置有铰接点与车架铰接形成一个组合摇臂，如图2-5。

图2-5组合摇臂式车架

6）其它型式

随着摩托车技术的发展和人们对摩托车性能要求不断的提高，还有其它一些新的结构型式。

在国外一些大排量摩托车中已经不拘泥于这些结构型式，大量的应用了铝合金车架，单减震等型式的车架。

2.2车架的设计原则

保证它的功能，在设计时必须遵循以下原则[19]

1）与车架材料的许用强度相比，在实际工作中弯曲强度一定要尽量低，目的

是：

第一，保持车架上装配的零部件位置不变；第二，最大限度地降低车身的变形。

2）为减小整车振动和噪声，提高驾乘人员的舒适度和操作性，加大车辆的可

靠性和延长使用寿命，以及避免车辆在工作期主要零部件出现严重变形和断裂现

象，车架的刚度一定要充足。

3）为减小车架及悬架装置承受的载荷，方便轮胎接触地面，增加车辆的行驶

性能，货车的车架扭转刚度不能太大，通常轴间的扭角约为1°/mm，此外，其最大

弯曲挠度不得高于10mm。

4）为降低车辆成本，降低油耗，除保证车架承载性能和车辆的安全性能外，轻量化设计十分必要，根据以往的设计经验，车架质量应在整车质量的10%左右。

5）从整车结构来看，尽可能确保车架前后部分的扭转刚度大一些，中间部分小些。

2.3ATV车架研究的目标及思路

车架作为ATV车的骨架，是有多种管材焊接而成，具有复杂的空间桁架结构，它不仅支撑、连接着各零件及总成，还承受着ATV车本身各种复杂的载荷，所以研究应从以下几个方面入手：

ATV车使用环境；建立3D模型；车架的模态分析；车架强度和刚度分析；车架材料及性能分析；车架工艺分析。

在确定上述目标后，根据二维CAD图提取数据，建立三维图，在进行模态分析，整个过程在三维可视化数字环境下进行。

在定义输入条件后，对车架进行有限元分析，分析内容包括模态分析、强度分析、刚度分析等。

由于受到现有条件的约束，模型的建立和输入条件存在不可避免的简化。

2.4软件的简介

1）Pro/Engineer[18]:

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。

Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。

是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

PRO/E软件的功能非常强大，它可以完成从产品设计到制造的全过程，为工业产品设计提供了完整的解决方案。

该软件主要包括三维实体建模、装配模拟、加工仿真、NC自动编程、有限元分析等常用功能模块，还包括模具设计、饭金设计、电路布线、装配管路设计等专用模块,PRO/E也是最先进的CAD/CAE/CAM软件的代表,由它所提供的基于特征、全参数化、全相关、单一数据库及数据再利用等概念改变了传统MDA（机械设计自动化MechanicalDesignAutomation）观念[19]。

这种全新的观念己成为当今世界机械设计自动化领域的新标准，并指明了机械CAD/CAE/CAM软件的发展趋势。

利用此概念开发的PRO/E软件实行了并行工程，能够让多用户同时进行同一产品的设计、制造。

这大大缩短了产品开发的周期，降低了产品设计、生产、产品测试等环节的生产成本。

PRO/E软件的主要性能特点有：

三维实体造型

以特征造型为基础

参数化。