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电动摩托车车架结构轻量化设计及试验研究

关于本文的内容介绍
1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义
随着我国人民生活水平的不断提高,电动摩托车作为人们从事各项社会活动的代步工具也得到了迅速发展,电动摩托车由于其节能环保、行驶噪音小、体积小、价格相对便宜、使用方便等诸多优点,越来越广泛的为人接受,在一般城镇,电动摩托车作为居民的主要交通工具得到了极大发展。但随着人们生活品质的不断提高,市场的竞争日趋激烈,人们对电动摩托车的各项性能提出了更高要求,因此关于车架轻量化、整车续航能力、稳定性、可靠性等研究内容也是目前电动摩托车行业亟待解决的主要问题[1-3]。
经过近二十年的发展,我国已经成为电动摩托车生产大国。然而与急剧增长的产量相比较极不相称的是国产电动摩托车的设计开发能力和产品技术含量很低,相当多的产品仍是在仿制国外车型的基础上依靠经验设计,没有自己独立的知识产权,利润空间小、产品质量低,有的产品甚至不符合国家标准。2008 年国家质量监督检验检疫局对江苏、浙江、山东、河南、湖北、广东、天津、上海等 8个省、直辖市的 170 家企业生产的 170 种电动摩托车进行了监督抽查,近 20%的产品存在不同程度的质量问题,主要集中在车架前叉振动强度不合格、整车质量超出标准等方面。目前国内技术含量高、较为先进的车型都是引进技术或是在引进技术基础上改进的车型。面对激烈的市场竞争,针对上述问题,必须要加大电动摩托车的科技研发,深入开展提高电动摩托车设计开发水平的科研工作显得尤为迫切[4-5]。
随着现代电动摩托车对轻量化提出越来越高的要求,结构强度和材料分布的问题日益突出[6]。车架是电动摩托车的主要部件,它起到连接支撑各部件的作用,承受着全车及载荷的重量,为此车架必须要求有足够的刚度、强度,而且从成本和动力要求来看需要控制重量,因此车架的结构设计显得尤为重要[7]。现代车架设计已发展到包括有限元、优化、动态设计等在内的计算机分析、预测和模拟阶段。
计算机技术与现代电子技术相结合已成为车架研究中十分有效的方法。CAE 计算机辅助工程是这一新方法中必不可少的环节,能够显著提高产品设计的科学性,减少盲目性,提高设计效率。它一般分为三个阶段:一是建立研究对象的有限元分析模型;二是通过相关有限元软件对该模型进行求解;三是分析计算结果,验证分析结果并提出优化改进方案。采用 CAE 技术,能实现电动摩托车的动态设计,对产品进行及时有效的分析,缩短企业研发的周期,减小生产研发的成本,提高企业研发能力[8-9]。
本课题是针对某大型电动摩托车企业生产的一款车架结构偏重、成本过高而开展车架结构的优化设计研究,研究内容主要是分析车架振动工况下的静、动态特性,并进行试验验证,在此基础上结合 Hyperworks 优化模块建立以车架重量为目标函数的优化模型,在满足强度约束条件下对车架结构进行优化设计,有效实现了车架的轻量化,降低了企业生产成本,提高了产品的市场竞争力。研究成果能很好应用于工程实践,解决该型号车架过于笨重的问题,极大提升了该电动车企业的整体设计水平。

1.2 国内外研究现状
我国的电动车工业起步较晚,是在摩托车生产基础上逐步开发而成。八十年代初期,我国的摩托车技术一直是五十年代从苏联引进的国际上四十年代的生产技术[10]。产品也是仿制苏联四十年代的产品,数十年一成不变,与国际技术水平的差距越来越大[11]。八十年代中期,以合资形式从国外引进了较先进的生产技术。在此基础上,1995年西湖摩托车厂生产了我国第一台电动自行车,其后国内电动车开始高速发展。我国电动车市场的发展大致经历了两个阶段,第一个阶段是1990到2000年左右,随着人民生活水平不断提高、城市化进程的加快,我国先后有数百家电动车生产企业成立,电动车产量也跃居世界第一,但在这个过程中国内电动车企业没有在关键技术上有所突破,没有形成自己的核心竞争力,仅仅依靠仿制、低成本、低利润、高销量的策略占领市场,与国外电动车企业的技术差距也越来越大。第二个阶段是近十几年,随着人们对电动车综合性能的要求越来越高,以往的走仿制、低成本的生产方式不再能满足市场需求,部分电动车企业开始重
视技术创新,逐步开展自主研发,开发出了一些较为优秀的车型,如宗申集团2011年研发的一款名为宗申派姆的纯电动摩托车时速可达60公里。经过近二十年的发展,形成了一批大型知名电动车品牌,如新日、绿源、雅迪、立马等,它们日益重视技术研发,建立了较为完善的研发体系和稳定的研发队伍,产品质量得到了较大提升,占领了国内绝大部分市场,但总体上来看国内电动车企业尚未完全形成自主研发的体系和力量,研究内容还处在较低水平,与国外技术差距很大。技术研发也一直是我国电动车企业的“短板”,这块短板甚至制约着我国电动车产业升级[12]。目前,国外电动车工业在产品的开发设计,模拟分析过程已全部计算机化和动态化,特别是CAE分析技术己经进入了比较成熟和完善的阶段[13],自主开发的技术水平也较高。随着油价不断攀升,各国府对新能源的大力支持,世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动摩托车、电动汽车,并取得了一定程度的进展和突破[14],目前美国、德国、日本在电动车技术研发上优势明显,遥遥领先其他国家。日本一直以来,出于对能源和环境保护的关注,十分重视电动摩托车的研制和开发。日本的本田、雅马哈等国际著名企业对电动摩托车计算机数值设计分析技术的研究和应用非常重视,都有自己的完整的从事计算机数值设计分析技术研究与应用的专门研究队伍,并使数值设计分析技术贯穿于新产品的整个设计周期,全面采用基于数值模拟技术的设计分析手段,大大缩短了产品的设计周期、降低了产品开发成本,提高了设计效率[15]。2006年英国智能动力公司开发出世界上第一款氢燃料电池驱动摩托车,其零排放、无噪音、时速超过75公里,一次加氢行驶里程超过100公里。2010年,美国Mission Motors公司,开发了一款名为为 Mission One EV的电动摩托车,最高时速可达255km/h,可连续安全行驶300公里。2011年德国施耐德电气公司生产的世界第一台混合动力摩托车,续航能力可达到805公里。2012年5月德国戴姆勒集团确认将生产Smart eScooter电动单人踏板,上市时间预计为2014年,其能在45km/h的速度下连续行驶100公里,而且配备安全气囊,有效保护骑车人。相比较而言,我国大多数电动摩托本文由百通期刊网整理车企业还处在简单仿制阶段,依靠传统的经验设计方法,缺乏定性和定量的分析结果,因此整车各部分强度分配不合理的现象屡见不鲜,使得局部材料分布不合理,浪费材料,增加了企业成本,影响整车载重的均匀性,导致整个电动摩托车结构设计的不合理,企业利润低,市场竞争力不强。
近几年,随着国家对新型能源的大力推广以及国内经济的快速发展,以铅蓄电池为主要动力源的电动摩托车得到了迅猛发展,电动摩托车行业竞争的日趋激烈,促进了国内电动摩托车产业的发展与升级,一批大型电动摩托车企业越来越重视技术创新,开始将 CAD/CAE 技术和试验分析手段应用于车架设计开发中,国内部分科研院所也在车架的有限元、优化设计方面做过深入研究:重庆大学的胡玉梅教授分析了摩托车车架在实际工作过程中动强度变化历程,为摩托车车架强度评价提供了一种新思路[16];重庆大学朱才朝教授运用有限元技术对摩托车车架动态响应进行了分析计算,并通过试验模态方法进行了相应的实验验证,同时对车架进行了优化设计,提高了摩托车乘坐的舒适性[17];重庆大学的龙思远教授建立了镁铝合金车架的有限元模型,并对车架工作状况下的应力、应变规律进行了有限元分析和校核,在此基础上完成了车架的结构优化设计;清华大学的扶原放教授将可靠性理论引入车架结构的优化设计,考虑了多种行驶工况的冲击载荷对车架的破坏作用,基于结构可靠性和有限元法对新设计车架的结构参数进行了可靠性优化设计,为结构优化设计提供一种思路[18];天津大学的张大卫教授分析了影响电动自行车车架振动过大的主要因素,在模态分析的基础之上,对车架进行谐响应分析,进一步了解车架的动力学特性,并以车架强度为主要约束条件,对车本文由百通期刊网整理架进行了轻量化研究[19];上海交通大学的张先刚教授对摩托车车架的动态性能重庆大学硕士学位论文进行了评估,找到了车架结构的薄弱环节,并进行了结构修改,改善了车架结构的动态特性,减少了摩托车的振动,为摩托车的减震优化提供了可借鉴的方法[20]。另外国外的部分研究人员也在电动车的研发方面开展了卓有成效的研究工作:伦敦帝国理工学院的 R.S. SHARP 等人对电动摩托车行驶时的悬挂系统、轮胎系统与路面接触产生的接触力等动力学特性进行了深入研究;马来西亚普渡大学的K.S.Tan 等人通过试验测试和有限元方法对摩托车受到正面冲击时的变形和应力进行了分析;印度普纳大学的 D.J. Kaisule 等人通过对电动摩托车车架进行模态分析和模态试验,找出了车架振动过大的原因,在此基础上修改了车架结构,提升了车架振动性能;米兰理工大学的 Mtteo corno 等人运用仿真技术和测试技术对电动摩托车的制动性能进行了深入研究,提出了影响电动车制动性能的主要因素,在此基础上对电动车进行了优化设计,提升了整车的制动性能。电动摩托车产业属于新兴产业,由于其环保节能、行驶噪音低、体积小,必将成为未来摩托车产业发展的必然趋势,未来的电动摩托车也将朝着轻便化、小型化、节能化发展,按照原始的经验设计和优化方法已经不再适应市场需求[21],逐步实现电动摩托车车架的设计理论、设计方法和设计手段的深层次变革和更新,构建一个先进、实用的车架分析平台是国内电动摩托车产业亟待解决的重要课题。因此本文将针对某一型号的电动摩托车车架重量过于笨重、成本过高的问题开展研究,运用CAE技术和优化设计方法对车架结构的强度、振动性能进行研究,并进行结构轻量化设计和试验测试,以有效减轻车架重量,降低生产成本,提高企业利润,提升产品的市场竞争力。 相关文章

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