某型摩托车车架CAE分析报告

某型摩托车车架CAE分析报告
重庆现代摩托车研究所
摩托车车架可靠性分析
前言
车架是整个摩托车的基体。

作为摩托车的骨架，车架由多种管材及板材焊接而成，具有复杂的空间结构，它不仅支承、连接了摩托车的各零部件，还承受了摩托车本身和外在的各种载荷。

在摩托车行驶时，路况复杂多变，使车架不时处于扭转、弯曲之中，并改变车架上各零件的相对位置，使车内的受力发生变化。

因此，要使车架结构不影响使用，要求车架本身一方面具有高强度和合适的刚度，另一方面尽量减轻质量，这一切使其受力分析工作复杂而烦乱。

从设计摩托车出发，作为摩托车车架的全面分析，不仅需要了解车架的质量、转动惯量、加载点、量等基本情况，还需了解诸如车架各阶固频、振型和车架材料选用等信息。

在本次分析中，从材料的使用方面出发进行摩托车车架分析，校核材料的使用对车架受力性能的影响，为设计优化提供参考。

车架强度是车架设计中要考虑的首要问题，关系到车架的安全。

在摩托车车架分析中，采用三维实体、通过有限元分析模拟车架使用状况，着重关注应力的分布和大小。

为适应计算机的计算能力，所建立的模型对车架作了如下简化处理：
a模型处理上，省略外挂零件，突出车架本身骨架及其加强部分；
b加载上，力（含骑乘者与整车重量）与力矩转移到车架重心附近（取中间支撑为对象）；
c约束上，前减振器支撑点转移到转向柱上，后减振器支撑点转移到尾梁支承及摆臂枢轴孔上。

如下图1：
图1 约束位置
图2 平路行驶应力云图（普钢、不带边轮）
1．典型工况摩托车车架应力
在对摩托车车架的分析中，分别对摩托车选取平路行驶、刹车、启动（0加速）、转弯（带边轮）等几种典型工况进行分析。

为方便比较分析结果，将分析分为带边轮与不带边轮两种情况。

带边轮的情况以力转移的方式，将载荷加在车架上进行处理。

刹车时，假设后轮（及边轮）刚好离开地面，惯性力矩与重力矩平衡，摩托车车身没有偏转；启动时，假设前轮刚离开地面，加上向后的惯性力矩，摩托车车身没有偏转。

其中，使用普通钢材与高强度钢对于应力分布没有非常明显的影响，如图2、图3：
图3 平路行驶应力云图（特钢、不带边轮）
不考虑边轮的情况下，几种工况的应力云图：图4~图6。

表1 分析数据汇总表（不带边轮）
序号
分析
材料
应力（Mpa）应变
文字叙述最大最小最大最小
1 工况描述平稳行驶，车重240kg、载重160kg，固定前后三处
原选钢种9.394e+001 1.661e-003 3.898e-004 6.891e-009 车架上部方管与尾梁
建议钢种9.401e+001 1.679e-003 3.955e-004 7.062e-009 连接处出现极限值
2 工况描述
50km/h初速刹车，车重240kg、载重160kg，惯性力向前1760N，作用在上支撑
梁上，固定前柱
原选钢种 4.943e+002 2.617e-003 2.051e-003 1.086e-008 方管弯曲处及转向柱
支架受力较大
建议钢种 4.903e+002 2.633e-003 2.063e-003 1.108e-008
3 工况描述
100km/h初速刹车，车重240kg、载重160kg，惯性力向前2352N，作用在上支
撑梁上，固定前柱
原选钢种 5.100e+002 3.111e-003 2.116e-003 1.291e-008 方管弯曲处及转向柱
支架受力较大
建议钢种 5.057e+002 3.099e-003 2.128e-003 1.304e-008
4 工况描述
0初速启动，车重240kg、载重160kg，惯性力向后500N，惯性力矩反时针312.5N.m
作用在上支撑梁上，固定后两点
原选钢种9.483e+001 1.694e-003 3.935e-004 7.030e-009 车架上部方管与尾梁
连接处出现极限值
建议钢种9.490e+001 1.710e-003 3.993e-004 7.196e-009
（1）应力总体反映
（2）大应力区域
图4 刹车应力云图（50km/h初速）
（1）应力总体反映
（2）大应力区域
图5 刹车应力云图（100km/h初速）图6 启动应力云图（0加速）
考虑边轮的情况下，几种情况的应力云图：图7 ~图12
图7 平路行驶应力云图
（1）应力总体反映
（2）大应力区域
图8 刹车应力云图（50km/h初速）（1）应力总体反映
（2）大应力区域
图9 刹车应力云图（100km/h初速）图10 启动应力云图（0加速）
图11刹车应力云图（30km/h）
图12 转弯应力云图
表2 分析数据汇总表（带边轮）
序号
分析
材料
应力（Mpa）应变
文字叙述最大最小最大最小
1 工况描述
平稳行驶，车重360kg、载重240kg，向斗一侧力矩1078N.m，作用在上支撑
梁上，固定前后三处
原选钢种 3.435e+001 2.827e-003 1.425e-004 1.173e-008 车架上部方管与尾梁
连接处出现极限值
建议钢种 3.398e+001 2.981e-003 1.430e-004 1.254e-008
2 工况
描述
50km/h初速刹车，车重360kg、载重240kg，惯性力向前2640N，向斗一侧力
矩1078N.m，作用在上支撑梁上，固定前柱
原选钢种7.415e+002 3.931e-003 3.077e-003 1.631e-008 方管弯曲处及转向柱
支架σ受力较大
建议钢种7.354e+002 3.955e-003 3.094e-003 1.664e-008
3 工况描述
100km/h初速刹车，车重360kg、载重240kg，惯性力向前3528N，向斗一侧
力矩1078N.m，作用在上支撑梁上，固定前柱
原选钢种7.650e+002 4.673e-003 3.174e-003 1.939e-008 方管弯曲处及转向柱
支架受力较大
建议钢种7.586e+002 4.654e-003 3.192e-003 1.958e-008
4 工况描述0初速启动，车重360kg、载重240kg，惯性力向后750N，惯性力矩反时针244.5N.m，向斗一侧力矩1078N.m，作用在上支撑梁上，固定后两点
原选钢种 3.480e+001 2.809e-003 1.444e-004 1.165e-008 车架上部方管与尾梁
连接处出现极限值
建议钢种 1.424e+002 2.566e-003 5.989e-004 1.080e-008
5 工况描述
30km/h初速刹车，车重360kg、载重240kg，惯性力向前2603N，向斗一侧力
矩1078N.m，作用在上支撑梁上，固定前柱
建议钢种7.344e+002 3.927e-003 3.090e-003 1.652e-008
6 工况描述转弯行驶，车重360kg、载重240kg，离心力1435N，固定前后三处
原选钢种 5.676e+001 4.101e-003 2.355e-004 1.702e-008 中间支撑出现极值建议钢种 5.671e+001 4.120e-003 2.386e-004 1.733e-008
2．典型工况摩托车架应力分析
从云图反映的情况看，刹车是对车架造成破坏的主要使用工况。

在不考虑边轮的情况下，大一点的车速（50km/h）刹车，车架方管弯曲处的应力已经处于200Mpa左右，之所以没有立即将破坏反映出来，在于大车速刹车不是摩托车使用的经常情况。

当摩托车挂上斗以后，车架所受的惯性力大幅增加，应力也增大到非常明显的地步(挂斗以后，摩托车的使用应该没有多长时间)。

以100km/h速度情况下刹车来看，最大应力已达到320Mpa，应力云图局部放大如图13。

按国标摩托车的检测标准—30km/h刹车来衡量，应力也有~300Mpa（同比日本的检测标准50km/h，达到310Mpa）。

因此，即便是用高强度钢，局部结构也还需要继续加强，何况还要考虑安全系数。

加载图14。

图13刹车应力云图放大（100km/h初速）
图14加载图
图15 车架图
车架图如图15，与实物不完全一致：实物中转向管柱支撑柱曲形加强板有两处。

因此，云图上支撑柱前、后的大应力区只有后面的部分才真实存在。

在30km/h刹车的情况下，应力＞200 Mpa，按照100km/h考虑，应力210~260 Mpa，情况比弯曲方管好一些。

其他情况的使用：满足刹车情况的车架都能够满足。

需要注意的是车架在转弯情况下的受力。

本次加载，考虑的是摩托车左向转弯，斗上的车轮刚刚离开地面的情况下，对车架造成的影响。

此时，若车速加得高，转弯半径定得小，摩托已经翻车，故离心力设为1435N。

3．实物应力破坏
照片1
该车架已经进行过路试。

实验结果在弯曲方管与转向管柱支撑柱上的反应与分析一致，见照片1。

虽然弯曲方管还有弯曲变形所施加的应力破坏，但是，分析中所表明的大应力才是结构件造成破坏的主要原因。

照片2
照片3
实验结果反映的还有另外几处细小裂纹（见照片4、5），在分析的几种情况中，处于应力集中的范围，但应力极值没有达到危险的水平，与出现裂纹不一致，如图16。

原因有几点：本次分析对受力作了简化，没有单独分出油箱、发动机等挂结件，不能具体反映该处实际受力；本次分析对摩托车的工况只分析了几种，该处最大受力可能不在这几种工况之中。

（1）（2）
图16 出现裂纹处应力云图放大
照片4
照片5
4．其他说明
在几种工况的分析中，都出现了极限值非常大的情况，主要分为两种：a结构连接点，这样一些部位，由于结构突变，往往有应力集中现象，使极限值超出应力范围，实际情况没有这么严重，而且通过改进焊接工艺还可以改善；b应力过渡区，这些部位应力极值并不高，但与周围相比显得突出，需要从结构设计上加以分解。

图17 结构连接点应力云图（一）图18 结构连接点应力云图（二）
图19 应力过渡区应力云图
5．建议
从分析中，可以得到的结论是：
a摩托车车架结构上，弯曲方管处有必要采取加强措施，一是弯曲处，二是根部应力过渡区；
b车架材料上，弯曲方管与转向柱支撑柱若换用新材料钢种，将提高强度级别，有利于防止破坏，结合结构的改进，还可以提高安全系数；
c结构件连接处的焊接需要提起注意，改进焊接质量，对焊接产生的焊缝采取强化手段。

因此，建议在这三方面加以改进。

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重庆现代摩托车研究所
二00五年十月。