本科生课程设计
题目：摩托车车架结构动力学分析
院系机械科学与工程学院
专业班级机械1108班
姓名胡签
学号U201110817
指导教师王书亭
2015 年3 月
1、本课程设计目的
近年来,我国摩托车工业飞速发展，在短短十几年间己超过日本一跃成为世界第一摩托车生产大国。然而，与急剧增长的产量相比较极不相称的是国产摩托车的设计开发能力和产品技术含量显得很低，相当多的产品仍是低水平的重复，技术含量高、较为先进的车型都是引进技术或在引进技术基础上改进的车型，国内企业尚无能力独立自主地开发自己的产品，仅仅是在模仿测绘国外的产品。造成这种局面的主要原因，一是对知识产权保护力度不够;二是企业对产品开发投入不足，目前一般大型企业开发投入不足销售额的1.5%，而国外一般在5%左右:三是缺少高水平的设计开发人才;四是缺乏产品验证手段，至今还没有一个国家级摩托车综合试验场。这就使我国摩托车行业的发展极不健康，如不及时采取措施，面临激烈的市场竞争以及加入世界贸易组织后国外先进车型的冲击，我国摩托车工业将陷入艰难的境地。因此，加大摩托车的科技投入，深入开展提高摩托车设计开发水平的科研工作显得尤为迫切。
目前，许多发达国家及我国台湾省等，摩托车产品的开发设计、模拟分析过程全部计算机化和动态化，而国内摩托车的设计水平还停留在测绘仿制、进行传统的静强度校核的静态设计阶段。这种把本属动态性质的问题简化为静态问题来处理的方法，弊病很大.实际摩托车在行驶过程中，受到来自路面连续载荷的冲击及发动机自身工作时运动件惯性力的激励，是在一种振动状态下工作，特别在发生共振时会大大降低结构强度，并增加车体的振动和噪声。传统的方法把整个结构当作刚性系统来设计，用大量试算和试验的方法去弥补与实际为弹性系统的差异，不仅费时耗资大，还难免发生结构疲劳破坏等可靠性问题。不研究结构的动态特性，而简化为静刚度来处理，就不能有效地控制结构的振动和噪声。为了提高摩托车行驶的安全可靠性及驾乘人员的舒适性，减少环境噪声污染，对摩托车结构进行动态特性分析就显得十分重要。
随着现代基础理论的拓展、计算机的广泛应用和测试技术的发展，现在己有条件从传统的静态设计方法(经验设计、类比设计及尝试设计)向现代动态的“解析”设计方法过渡了。在科学技术突飞猛进和市场竞争日益激烈的时代，现代产品改进和新产品的开发都经受不起传统方法的拖延，而应该突破“设计—试制—试验”的旧框框，发展预测和分析两个重大环节。有限元方法结合试验模态技术
适应了这一形势的发展，成为摩托车结构动态特性分析、结构动态设计的强有力手段。摩托车是由很多不同结构、不同材料、形状各异的零件和部件组装而成，属于一种复杂结构系统。由于车架是摩托车的骨架，本课题将其作为研究对象，运用理论分析和试验研究，即有限元方法和试验模态技术，确定车架结构的动态特性，指出其中的薄弱环节，并提出对结构进行改进的方向，然后对有限元模型进行变参数计算，发现新的模型有更好的动态特性。这启发我们在摩托车蓝图设计阶段就可进行车架的结构分析，提出改进意见，从而降低了设计成本，缩短了设计周期，且对自主开发车架新产品也具有重要的指导意义。
2、车架结构型式及主要尺寸
WY125-12摩托车如图1所示，其车架结构如图2所示，属于菱形跨接式车架，该车架是整个摩托车的骨架和安装基体。车架不但要承载摩托车部件、乘员和货物的重量，在不平的道路行驶时，还要承受来自路面的冲击，以及发动机等机构运转等外部激励的作用。
车架主梁构成了该车架的主体结构，主要承担着摩托车主要部件的安装任务，并承受摩托车的牵引力和制动力。前部通过加强板与转向立管焊接在一起，负担着增大车架刚度的任务。车架的下梁管从转向立管一直延伸到发动机曲轴箱的前端，省去了发动机下面的车架部分，因此对发动机曲轴箱体强度和刚度要求
较高。
车架的主要尺寸包括长、宽、高和转向立管的前伸角。前伸角较小时低速行驶转向灵活，但高速稳定性差，易抖动。WY125－12摩托车转向立管的前伸角为28°。
设定后摇臂与车架的连接位置为整个车架的基准坐标系(绝对坐标系)xoz平面，同时普通的两轮摩托车的车架左右对称性较好，对于一般的车架常把后摇臂与车架左右安装位置的中分面作为车架的对称中心面，也就是车架基准坐标系(绝对坐标系)的xoz平面。
该车架除个别部位采用加强板增加车架的强度和刚度之外，几乎全部采用24mm的钢管焊接而成，如图3所示：
3、计算依据和参考资料
本项目分析依据广州五羊摩托有限公司所提供的摩托车车架设计图纸及表1所示的摩托车整车技术参数等。
参考资料：（1）机械设计手册；
（2）董敬主编。摩托车结构设计。北京：人民邮电出版社，1997 表1 广州五羊WY125-12摩托车相关参数
主要尺寸参数形式尺寸（长×宽×高）mm 1990×760×1116 轴距㎜1275 前伸角（°）28 最小离地间隙㎜153 方向把回转角（°）≤48
主要质量参数
整车整备质量kg 135
发动机干质量㎏30
4、车架受力分析
摩托车车架是承受空间力系的框架结构。概括地把车架承受载荷的部位，载荷的特性及载荷的发生源描述如下：
a）零件紧固引起的车架内的预应力，包括发动机，后摇臂及减振器安装时在安装座处由螺栓产生的静拉伸和压缩载荷；
b）发动机振动引起的小载荷高频振动，承受部位是发动机安装座处；
c）链条张力，特别是突然加速或减速时所引起的大载荷低频振动，主要受力部位是后摇臂轴安装孔处；
d）乘员、载物的质量属于静载荷，主要作用部位有转向立管和尾管架等处；
e）路面反冲力主要是作用在转向立管等处，载荷主要有大载荷低频率和小载荷高频率两种情况；
f）车辆翻倒时的冲击载荷属大载荷，主要受力部位为转向立管和上梁等处。
实际上摩托车在不平道路上行驶时由路面激起的振动都具有随机性，车架受的是随机载荷，会引起车架产生疲劳破坏；总体上摩托车所受载荷可分为静载荷和动载荷：
引起的载荷，包括：（1）静载荷：静载荷是指作用在车架上的所有质量ΣM
i
或分布载荷F 固定在车架上的总成的质量和乘员、货物的质量，按集中载荷ΣF
i
作用在车架的相应部位i(i=1,2,⋯)处。
i
（2）动载荷：随着摩托车行驶速度和道路条件的变化，车架主要承受以下几种不同力的作用：
：当摩托车在平坦的路面上匀速行驶时，车架的转向立管、后a）铅垂力f
z
，其值取决于作用于车架上摇臂支点、后减震器支点处均承受有对称的铅垂力f
z
的静载荷及其在车架上的分布，还取决于载荷作用处的垂直加速度的大小引起的动载荷，这种铅垂力使车架上、下两根主梁在xoz平面内产生纵向弯曲变形。
：当摩托车转弯行驶时，特别是人车同时倾斜时，转向立管承b）侧向力f
y
受着来自转向手把的平行的侧向力f
，在车架中心附近承受有惯性力产生的侧向
y
力f
，其值取决于转弯圆直径和行驶速度的大小，侧向力使车架在xoz平面内产y
