正三轮摩托车车架强度有限元分析

李喜全，孙于胤，周玉军

（隆鑫通用动力股份有限公司技术中心，重庆400052）

自上世纪50年代以来，我国三轮摩托车的生产和销售，一直沿着历史的轨迹平缓地向前发展。20世纪90年代伴随着摩托车工业春天的到来，三轮摩托车行业也发生了巨大的变化。特别是经过近十多年的发展，三轮摩托车的市场也呈上升趋势。对于那些不需要过于精良运输工具的生意人和经常奔跑于崎岖道路的农民以及平时用于居家代步的老年人，三轮摩托车正迎和着许多用户。为满足广大用户的安全保障，适用于各种极限驾驶工况，车身强度是否达标就显的尤为重要，为此开展了对三轮车车身强度的研究。

车架作为整车各总成的安装基础是核心受力结构，它既要有足够的强度又要有足够的刚度，在开发阶段显得尤为重要。随着计算机辅助设计的普及，目前车架设计多数先用CAD软件进行设计细化、建立三维数模，再根据车架的受力特点和整车运行工况借助CAE软件进行有限元分析[1-4]。见图1.

图1 近几年三轮车销量图

1 分析边界条件

1.1 车架分析参数

分析用的车架参数如下表1所示。

表1 车架简化分析主要参数表

1.2 材料参数

车架材料均采用Q235A，屈服强度为235 MPa，安全系数取1.3，许用应力取180 MPa.分析结果强度合格判定依据：结构应力≤结构对应材料许用应力。

1.3 分析工况

（1）弯曲工况：车辆在水平路面匀速行驶。

（2）扭转工况：车辆在颠簸道路行驶。

（3）联合制动工况：车辆在行驶中紧急制动。

（4）举升工况：车厢在12°时开始卸货。

1.4 有限元分析边界载荷获取

由于在实际使用中扭转工况和制动工况对车身损害最大，通过相关软件分别计算得出对应工况相对的前轮（Single front）力值以及后轮（Tire L2/Tire R2）力值。制动工况中车架主要受到纵向力和垂向力的影响，计算所得力值如图2、图3所示，根据经验取12 s时刻力值加载在车架模型上。扭转工况中由于车身的倾斜，务必受到侧向力的影响，所以计算扭转工况中侧向力值以及垂向力值，如图4、图5所示。同样根据经验取同一时刻力值加载在车架模型上。

图2 制动工况纵向力值

图3 制动工况垂向力值

图4 扭转工况侧向力值

图5 扭转工况垂向力值

2 有限元模型

三轮车摩托车车架主要部件包括主梁、左右边梁、转向立管、发动机支撑、板簧安装支架及限位块。这些部件大多采用钢管和钢板焊接而成。

本文采用CATIA对其进行三维建模，由于考虑的是车身的主要结构，故将对车身强度影响较小的部件忽略，对车身进行简化处理，简化原则如下：

（1）忽略对车身强度影响较小部件，例如电器固定片、消声器固定支架、备胎安装支架等；

（2）车架各部件的连接是通过焊接实现的，部分采用点焊、拉焊。为简化模型，均以3mm厚度的面代替焊缝；

（3）为了保证网格符合有限元分析的要求，对部件不重要的倒角将进行去倒角处理。

对于与车身进行安装连接的部件，例如：前减震器、板簧、后桥、轮胎等，采用beam进行代替。最终划分出模型节点数为883 879，单元数量为918 911，模型如下图6所示。

图6 车架有限元模型

3 计算结果分析

计算所得弯曲工况结果如图7所示，车身最大应力值位于图7圆圈中为115 MPa，体现在第三圆梁与左右边梁的连接处，这是由于载荷主要集中在车身后半部，其值小于180 MPa，满足安全使用强度要求。扭转工况结果如图8所示，最大应力值位于图8圆圈中为175 MPa，此工况为实际使用过程中最恶劣的使用工况，必须严格保证第三圆梁与边梁的焊接质量，保证无漏焊、虚焊，其值略小于180 MPa，满足安全强度使用要求，需加强关注。制动工况结果如图9所示，最大应力值位于图9圆圈中为124 MPa，体现在车身中部，这是由于制动时车身及重物的惯性导致，其值小于180 MPa，满足安全使用强度要求。举升工况结果如图10所示，最大应力值位于图10圆圈中为136 MPa小于180 MPa，满足安全强度使用要求。

图7 弯曲工况结果云图

图10 举升工况结果云图

图8 扭转工况结果云图

图9 制动工况结果云图

有限元分析结论定为：车身强度合格，薄弱结构为第三圆梁与边梁的连接处，应保证其焊接质量。

4 结论

本文应用有限元分析法，对能反应正三轮摩托车实际使用情况的水平弯曲、极限扭转和紧急制动工况进行了仿真分析，计算得出车身结构的应力分布云图，找出车架的薄弱环节，分析破坏形式，判定出整车的结构强度水平，从而在前期设计阶段，为车架结构的优化和可靠设计提供有价值的结构分析数据。

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