正三轮车车架强度性能优化设计研究

正三轮车车架强度性能优化设计研究

叶艳

江苏宗申车业有限公司江苏省徐州市221001

摘要：车架是连接正三轮摩托车的基体，是正三轮摩托车上最重要的零部件，承受着来自车内外各种载荷，它的强度和刚度直接关系到正三轮摩托车的平稳性和安全性。如果车架的应力过小，会使三轮摩托车整体的质量增加以及造成资源的浪费；如果车架应力过大，则会破坏车架的正常工作，影响整车的工作和正三轮摩托车的可靠性，所以说车架的结构非常重要。

关键词：正三轮车；车架；强度性能；优化设计；分析

引言：三轮车是目前城乡主要的交通运输工具之一。车架是三轮车的骨架，是重要的承载部件，不仅支承三轮车上各部件的质量和工作载荷，还要承受地面传来的支反力、张紧缓冲力，直接关系到使用人的安全性、舒适性和平稳性。三轮车架振动试验是模拟路面行驶时的情况，以规定的振幅、振动频率、加速度和振动次数以及相应的载荷进行振动试验，检测车架的刚性、强度、变形量和焊接的牢固性，然而，目前国内外尚无相关的试验标准和方法。

1.车架建模

基于车架3D模型，通过有限元软件对该模型提取中面，并对几何模型进行清理，对小的工艺孔进行简化，保留了车架本身的大部分细节。采用PSHELL单元，单元尺寸为10mm，经有限元离散后，划分为30971个单元，30956个节点。为有效进行车架的有限元分析，根据车架实际工作状态进行边界条件的施加，包括载荷施加、约束施加、重力加速度施加等。该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、驾驶员、发动机的质量作为一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rigid单元与车架相连，以模拟车架在实际工作中所受的负载。对车头管及车架吊耳处进行全约束，类似于最恶劣工况。通过GRAV施加重力加速度，并指定为-Z方向，以反映车架及载荷的自重，从而模拟货物、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制动、驱动、转弯、爬坡等不同行驶特性。

2.正三轮车车架分析前的准备

一直以来，摩托车企业在整车设计中对摩托车车架设计多采用样车作参考，进行仿制设计。这种传统的设计方法具有简单易行的优点，同时该法也有明显的不足，主要表现为：由于设计主要是仿制别人的产品，生产厂家不了解该产品的特点及其要实现的设计目的，有可能出现虽然仿制出了相似的产品，但是在材料方面、实用性能方面与原产品并不相同，一般情况下这样仿制的车架并不适合企业自身的摩托车产品，该设计带有相当的盲目性，车架的设计改进都不会有明显的突破。由于经验分析设计方法存在以上所提到的不足，生产厂家迫切要求一种能与市场竞争相适应的新的设计方法。随着电子计算机的出现及结构强度分析和结构优化程序的投入使用，使得这种设想成为可能。有限元分析方法可以实现对车架结构强度、刚度和动态响应的分析，解决车架的断裂、振动等质量问题，能够进行车架的创新设计和变形设计。在车架设计过程中引入有限元分析的方法，可以降低设计者的工作强度，提高结构分析的能力和设计的可靠性以及设计的速度。有限元方法的发展是以弹性力学的基本理论为基础得到发展的，车架结构分析像许多工程实际问题一样属于空间问题分析，弹性力学空间问题的基本方程，它有3个平衡方程，6个几何方程，6个物理方程，共15个方程，解析法求解异常困难。利用ANSYSWORKBENCH协同平台可以方便快速的对以上方程的求解，并以图形化的方式显示出求解结果。

3.不同工况下的车架性能分析

3.1正三轮车车架静力工况

3.1.1约束的处理

该正三轮车车架需要五个约束。分别是四个弹簧钢板挂耳上的约束以及前轮的车头管的约束，三个方向上的位移均设置为0。重复步骤完成五个约束。

3.1.2静力工况下有限元计算分析结果

一是静力工况下应力分布结果分析可知，在对后面两个车轮以及前面车轮的约束后，分别在装载区、驾驶区、发动机区施加载荷后，驾驶区所受应力最大，由坐凳中心向两边扩散，在两边的三分之二区后应力值又逐渐加大；而装载区前面接触面应力最大值出现在接触面与圆管中间的面，向两边扩散逐渐减小，后面接触面应力最大值出现在后面圆管上面，向两边扩散逐渐减小；发动机区应力最大值在支架区底部。车架上出现的最大应力为161.23MPa，最小应力为0.3。二是静力工况下应变分布结果分析为静力工况下应变分布，可知最大应变值出现在坐凳后方，最大应变值为0.00081562，最小应变值为0。

3.2正三轮车车架急转弯工况

主要考虑正三轮摩托车以安全转弯速度行驶时惯性力对车架的影响，根据正三轮车安全转弯半径的测量方法，获得该车的转弯半径为3130mm，根据正三轮摩托车安全转弯速度规定，正三轮摩托车安全转弯速度为10km/h。

3.3正三轮车车轮一边悬空工况

主要考虑正三轮摩托车在行驶工程中一边悬空时对车架的影响，根据正三轮车行驶状况可以得知，该工况下的边界处理只需去除一边车轮的约束即可。

4.正三轮车车架结构的改进

4.1正三轮车车架结构整体优化目的

在对正三轮车车架的四种工况分析后结果显示：车架的装载区由于焊合梁较少，导致车架上两根圆管与车架纵梁接触的地方应力与应变值都急剧加大；车架的驾驶区由于坐凳板太过薄，而且面积也不大，所以显示的变形较大，应力与应变值也过大；发动机处应力与应变值变化都不算大，所以改进装载区与驾驶区成为本次改进的重点。

4.2正三轮车车架结构改进方案

基于以上对正三轮车车架薄弱环节的发现，该方案则根据所发现处的问题进行改进，再进行有限元分析并比较优化后的车架性能。首先，对于装载区的改进。由原图可知，中间的两根圆管起到了支撑三根车架纵梁的作用，但是未能承载到车厢的重量，所以导致圆管与纵梁接触的地方的应力与应变值急剧增大。现将中间的纵梁去除，将两根圆管改成三根方管变成横梁，用来支撑车厢焊合部分。然后就是对驾驶区的改进，从变形图上可以得知，坐凳变形较大，往下弯曲严重。现将坐凳下方焊接一个小方管用来支撑坐凳。以上就是根据之前的分析结果所得来的改进方案，现在重新设计正三轮车车架的三维模型。

总结：而本文的创新点在于针对正常行驶、急转弯、紧急制动以及一边悬空四种不同的工况进行分析得到车架的应力与应变分布，找出车架的薄弱环节，对车架进行比较式优化，从车架的薄弱环节对车架进行改进。对正三轮摩托车用Pro/Engi⁃neer三维软件建立正三轮车的三维模型，然后把车架的三维模型导入到有限元分析软件An-sysWorkbench14.0里面，对正三轮车车架在进行不同工况下力学分析，根据分析的结果来对车架的薄弱环节进行改进。

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