电动自行车结构强度影响因素分析

曲晓伟 张钰

摘 要：为了对电动自行车车架进行结构改进，并分析其结构强度的影响因素，对企业提供的两款电动自行车车架进行了三维实体建模；进行人体动作捕捉、人体生物力学建模及骑行仿真试验，获得了骑行过程中施加于电动自行车车架的载荷；以所获载荷对电动车车架进行加载，对车架的ANSYS有限元进行分析，从而校核了车架疲劳强度及静强度，然后在此基础上对电动车车架结构进行了改进，并分析了电动自行车车架强度的影响因素。该结构改进提高了材料的使用效率，并保证了电动车车架的结构强度。

关键词：电动自行车；镁合金；车架；人体生物力学；有限元分析

1 引言

高强度、轻量化已经成为当前车辆设计中的主题之一，但结构轻量化对车辆强度和刚度将产生重要的影响，所以在这两个方面需要协调处理。目前，优化技术已应用于结构设计的初始阶段，而不是仅凭经验来设计或改造结构。结构优化设计中有拓扑优化以及形状和尺寸优化。另外，采用高强度的轻金属来大幅度减轻结构质量。由于镁合金具有质量轻、强度高的优良性能，广泛应用于航空航天、汽车工业、通讯电子等领域。近年来，自行车已越来越多地使用镁合金构件，取得了很好的效果。

2 车架三维造型

电动自行车外形结构各式各样，但其基本结构组成大致相同。由于电动自行车的强度主要是指车架强度，所以只对其车架进行造型分析。文中涉及两款公路电动自行车车架，其中一款是26寸女车，另一款是普通款式的电动自行车。两款电动自行车均采用镁合金材料，屈服极限为200MPa，断后伸长率15%，氩弧焊接，焊接后焊口强度是母材强度的93%。焊接完成后做退火处理，退火温度210℃，退火时间3h。两款车型车架均包含前叉、前管、中管、立管、后叉、货架、电池安置处等组成部分。

3 骑行载荷的获取

3.1 人体骑行姿态捕捉

动作捕捉技术现广泛应用于理疗康复、步态分析、电影艺术、计算机、机器人控制等领域，该技术采用光学、声学、电磁学或机械的方式对运动物体的运动数据进行精确采集，为相关运动的研究提供了可靠的基础。为了建立与实际相吻合的人-自行车动力学模型，从而能够准确获取骑行者的骑行载荷，首先需要获取骑行者的精确骑行姿态。文中使用美国Motion公司提供的动作捕捉与分析系统进行骑行数据获取。该系统硬件部分包括光学数字运动捕捉镜头6个（含：Eagle镜头1个，Eagle-4镜头5个）、Marker标记点20个、EagleHub连接器1个，用于采集合理粘贴在骑行者身体上的20个标记点的光学数据信息，以准确反应骑行者姿态；软件部分为Cortex软件，用于实现在硬件采集数据的同时，显示人体标记点的运动，并记录标记点的运动数据。试验选取一位年龄25岁，身高170cm，体质量55kg的男性作为骑行者。

3.2 人体建模与ADAMS仿真

为了与骑行试验所获数据相匹配，使建立的人体模型与骑行者数据相一致，其身高设定为170cm，体质量设定为55kg。将建好的人体模型与电动自行车模型进行耦合，并在ADAMS与LifeMOD环境中进行仿真。其主要步骤包括：（1）调整曲柄与脚蹬的位置，使手与车把、臀部与车座、脚与脚蹬之间接触；（2）在上述3个地方设立弹性衬套，模擬实际接触条件；（3）利用动作捕捉所获数据进行反向动力学仿真，以使人体模型记录运动过程中肌肉、关节等包含的数据；（4）以上一步记录的数据为驱动，进行正向动力学仿真。

4 优化设计

4.1 拓扑优化

强度分析表明，立管与U形管连接处的应力未达到材料的屈服强度，但仍远高于其它部位。为了减小应力集中，采用拓扑优化方法对主框架结构进行重新设计。将底盘管的周边部分作为最优设计区域，采用壳单元建立模型，并应用载荷和边界条件。设计目标是最大结构刚度，约束条件是优化后体积的0.25倍。根据拓扑优化的结果，45根厚度为1.5mm的钢管仍然焊接，质量4.4Kg略小于原来的结构。对新设计的车架进行了有限元分析。荷载和边界条件与原框架相同。最大等效应力仍位于提升管与U管的交界处，但位置从提升管内部转移到外侧，其值减小到212MPa，比原来的结构低22.6%，载荷最大位移。点为5.4mm。新结构的第一固有频率为1138Hz，比原结构高133%，并且第一模态的振动模式也从原来的横向摆动改变为纵向弯曲。

4.2 静强度校核

根据仿真结果，取骑行过程中前轮转过1圈为1周期，将这个周期内车架所受载荷分布加载，进行静强度校核。其中，车架中轴与鞍座所受分布载荷前叉处受力不变。疲劳强度校核时，车架应力最大值为26.831MPa，且该最大应力值出现在后叉与鞍管的结合处及后叉结合处，因为接口处为焊接处理，且焊接处的强度为母材强度的93%，所以77.1MPa×0.93=71.7MPa，26.831MPa远远小于疲劳许用应力71.7MPa。在静强度校核时，最大应力为79.17MPa，133.3MPa×0.93=123.9MPa，79.17MPa小于屈服许用应力123.9MPa，说明原有普通车型车架符合强度要求。

5 结束语

在车架强度满足的前提下减小壁厚或管径可以提高材料使用效率，降低车架的质量。就文中涉及的两种车型而言，在满足强度条件的基础上，普通车型车架质量降低43.65%，女车车架质量降低4%；在车架强度足够的前提下使用镁合金等轻质材料可以大大减轻车架的质量，文中所用材料为镁合金，分别比钢和铝合金节省质量减轻78.31%和34.44%；电池的不同摆放位置在一定程度上影响车架强度，普通车型的车架强度为电池摆放在前管处较好，女车车架强度则为电池摆放在原来位置处较好。

参考文献：

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