李飛 盧占盈 金鑫 游國強(qiáng)

摘? 要：摩托車振動問題，是一直以來困擾我國摩托車制造企業(yè)且需要不斷改進(jìn)的問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對摩托車產(chǎn)品的振動特性進(jìn)行仿真，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的整體優(yōu)化和性能匹配。通過在MSC.Patran環(huán)境下建立車架的有限元模型，經(jīng)過ADAMS建立仿真數(shù)字模型，再與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)構(gòu)對比，驗(yàn)證摩托車虛擬樣機(jī)模型的正確性。

關(guān)鍵詞：摩托車虛擬樣機(jī)? 發(fā)動機(jī)? 單軸平衡

Abstract： The problem of motorcycle vibration has always been a problem that our motorcycle manufacturing enterprises needs/needed to improve.In the product design stage，using virtual prototype technology to simulate the vibration characteristics of motorcycle products can achieve the overall optimization and performance matching of products.Through the establishment of the finite element model of motorcycle frame in MSC.Patran environment，the simulation digital model of motorcycle is established by Adams，and compared with the experimental analysis structure，the correctness of the motorcycle virtual prototype model is verified.

Key Words： DMU of motorcycle; Engine; One-shaft balance

根據(jù)傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，要想獲得更好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，就必須先制作物理樣品，然后再制作和測試這些樣品;如果性能要求得不到滿足，原始模型需要修改和優(yōu)化。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)明顯耗費(fèi)不少的資源。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，這些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可以被模擬模型替代。這就消減了物理樣品的制造和測試數(shù)目，并減少了產(chǎn)品的開發(fā)成本和周期。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種全新的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，其應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品模擬技術(shù)，制造3D數(shù)字化產(chǎn)品模型，模擬實(shí)際產(chǎn)品，模擬其性能和行為[1]。在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，根據(jù)需求，從不同的角度和需求出發(fā)，進(jìn)行產(chǎn)品行為和性能的模擬、測試和評價(jià)，達(dá)到以虛擬樣機(jī)替代實(shí)物樣機(jī)實(shí)現(xiàn)成功研發(fā)的目的。在我國快速發(fā)展的摩托車行業(yè)，發(fā)動機(jī)振動問題日漸顯現(xiàn)。該文以某型摩托車為研究對象，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)、摩托車平衡軸減振技術(shù)來分析減振效果，促進(jìn)發(fā)動機(jī)平衡軸的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

1? 發(fā)動機(jī)減振技術(shù)

發(fā)動機(jī)自身振動以及來自地面的激勵(lì)是引起摩托車振動的主要來源[2]，該文主要考慮由發(fā)動機(jī)振動而引起的摩托車振動情況。通過以下兩種方式可減輕振動現(xiàn)象：安裝平衡軸減振和彈性懸掛減振。

1.1 平衡軸減振原理

平衡結(jié)構(gòu)的增加可使一階往復(fù)慣性激振力達(dá)到完全平衡，圖1為平衡軸減振原理圖。

主、從動平衡齒輪1和2的齒數(shù)相等，且主動齒輪1連接曲柄，帶動齒輪2作等速反向旋轉(zhuǎn)。平衡量mdrd在齒輪1的P處和齒輪2的Q處，mdrd=mBr/2。平衡質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力X1=-mBrω2cosωt使一次往復(fù)慣性力得以抵消，Y方向的慣性力Y=0。

在平衡齒輪上增加減振結(jié)構(gòu)可有效降低平衡機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動。平衡機(jī)構(gòu)布置情況如圖2所示。

計(jì)算結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)振動情況經(jīng)平衡后有顯著好轉(zhuǎn)。故中小排量發(fā)動機(jī)可通過平衡軸實(shí)現(xiàn)減振（見圖3）。

1.2 發(fā)動機(jī)彈性懸掛減振技術(shù)

建立運(yùn)動坐標(biāo)系O-xyz和連體坐標(biāo)系O-xyz兩個(gè)坐標(biāo)，發(fā)動機(jī)質(zhì)心c與坐標(biāo)原點(diǎn)O重合，xOy在發(fā)動機(jī)的對稱面內(nèi)。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于靜平衡狀態(tài)時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)O重合于剛體的質(zhì)量中心，且兩坐標(biāo)系也相互重合。倘若車架有很大的剛度，發(fā)動機(jī)沒有明顯振動現(xiàn)象，不考慮阻尼帶來的干擾。那么用廣義坐標(biāo)qc=（xc，yc，zc，α，β，γ）r來描述發(fā)動機(jī)的動作。設(shè)發(fā)動機(jī)通過n個(gè)彈性隔振器與車架相連，第i個(gè)懸掛點(diǎn)坐標(biāo)為分別是Ki1，Ki2，Ki3在運(yùn)動坐標(biāo)系中3個(gè)坐標(biāo)軸方向上的彈性系數(shù)。

2? 摩托車虛擬樣機(jī)模型

2.1 動力學(xué)分析

通過在MSC.Patran環(huán)境下進(jìn)行模態(tài)分析能夠得到摩托車結(jié)構(gòu)的有效數(shù)據(jù)，能反映各方面結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。把握結(jié)構(gòu)間的彼此關(guān)聯(lián)以及體系的動態(tài)特性，為結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計(jì)和改良提供理論支持。

模態(tài)分析時(shí)，車架體積可根據(jù)已知的桿單元橫截面積、殼單元厚度以及管單元的壁厚和管徑算出。質(zhì)量再根據(jù)各材料密度計(jì)算得出。將質(zhì)量分配至各個(gè)節(jié)點(diǎn)形成質(zhì)量矩陣。剛度矩陣由指定材料的泊松比和彈性模量計(jì)算得出。模型的固有頻率以及各固有頻率下的振型通過模態(tài)分析得出[3]。

經(jīng)過計(jì)算可知，車架前10階固有頻率為87.52、108.39、150.25、243.11、250.00、273.19、292.27、327.85、330.94、343.33，前3階車架固有頻率的振型圖如圖5所示。

2.2 整車建模

基于虛擬樣機(jī)建立摩托車振動分析模型，該模型包括減震活塞、減震筒、輪輞、支撐架、連接塊、連接架、手把、車架、輪胎等重要零部件。彈簧和減振器的作用采取有阻尼的彈簧進(jìn)行簡化處理，將車架模型創(chuàng)為MNF文件， 導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中建立仿真數(shù)字模型[4]（見圖6）。

3? 仿真研究

（1）模型驗(yàn)證。

為了清楚對照試驗(yàn)結(jié)果：在測試中布置3個(gè)振動測試點(diǎn)。測試點(diǎn)1、2、3分別設(shè)于儀表盤、后懸掛盒型板的后板和座椅右側(cè)邊處，其中：點(diǎn)1測垂直車架立管方向的值;點(diǎn)2測垂直于后板方向的值;點(diǎn)3測垂直坐墊方向的值。通過對該款摩托車進(jìn)行振動檢測，來驗(yàn)證摩托車仿真數(shù)字模型的正確性，具體見表1。

（2）方案對比。

具體見表2、圖7。

4? 結(jié)論

該文采用數(shù)值模擬仿真技術(shù)，對摩托車振動進(jìn)行了仿真分析，通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明該方法的正確性，為摩托車減震的仿真設(shè)計(jì)做出了新的操作辦法，為我國產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化及創(chuàng)新做出了富有意義的探索。經(jīng)過對計(jì)算結(jié)果的分析，我們可得出如下結(jié)論。

（1）平衡軸減振技術(shù)用在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速段的效果要比其用在高轉(zhuǎn)速段的效果更好。低轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)更適合于安裝平衡軸進(jìn)行減振。測點(diǎn)1、測點(diǎn)3在安裝平衡軸后的降振效果非常明顯。但是測點(diǎn)2要次之。

（2）對比發(fā)動機(jī)全彈性懸掛和平衡軸兩種減振方式，全彈性懸掛的減振效果在各個(gè)轉(zhuǎn)速段都很好。使用發(fā)動機(jī)全彈性懸掛進(jìn)行減振，更能有效降低振動現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀兵.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的包裝機(jī)械系統(tǒng)仿真研究[J].包裝工程，2008（2）：54-56.

[2] 何渝生，魏克嚴(yán)，洪宗林.汽車振動學(xué)[M].北京：人民交通出版社，1990.

[3] 孫學(xué)軍，何玉林，杜靜.基于有限元的摩托車振動分析與控制[J].現(xiàn)代制造工程，2005（2）：70-73.

[4] 王磊，杜靜，何軍.剛?cè)狁詈霞夹g(shù)在摩托車動強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[C]//中小型內(nèi)燃機(jī)專業(yè)技術(shù)研討會，2008.