虚拟样机技术在摩托车开发和减振中的研究与应用

李飞 卢占盈 金鑫 游国强

摘  要：摩托车振动问题，是一直以来困扰我国摩托车制造企业且需要不断改进的问题，在产品设计阶段运用虚拟样机技术对摩托车产品的振动特性进行仿真，可以实现产品的整体优化和性能匹配。通过在MSC.Patran环境下建立车架的有限元模型，经过ADAMS建立仿真数字模型，再与实验分析结构对比，验证摩托车虚拟样机模型的正确性。

关键词：摩托车虚拟样机  发动机  单轴平衡

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

根据传统的产品设计模式，要想获得更好的产品设计，就必须先制作物理样品，然后再制作和测试这些样品;如果性能要求得不到满足，原始模型需要修改和优化。这种传统的设计明显耗费不少的资源。随着信息技术的发展，这些传统的设计方法可以被模拟模型替代。这就消减了物理样品的制造和测试数目，并减少了产品的开发成本和周期。

虚拟样机技术是一种全新的数字化产品设计方法，其应用数字化设计和产品模拟技术，制造3D数字化产品模型，模拟实际产品，模拟其性能和行为[1]。在产品的整个生命周期中，根据需求，从不同的角度和需求出发，进行产品行为和性能的模拟、测试和评价，达到以虚拟样机替代实物样机实现成功研发的目的。在我国快速发展的摩托车行业，发动机振动问题日渐显现。该文以某型摩托车为研究对象，应用虚拟样机技术、摩托车平衡轴减振技术来分析减振效果，促进发动机平衡轴的设计与改进。

1  发动机减振技术

发动机自身振动以及来自地面的激励是引起摩托车振动的主要来源[2]，该文主要考虑由发动机振动而引起的摩托车振动情况。通过以下两种方式可减轻振动现象：安装平衡轴减振和弹性悬挂减振。

1.1 平衡轴减振原理

平衡结构的增加可使一阶往复惯性激振力达到完全平衡，图1为平衡轴减振原理图。

主、从动平衡齿轮1和2的齿数相等，且主动齿轮1连接曲柄，带动齿轮2作等速反向旋转。平衡量mdrd在齿轮1的P处和齿轮2的Q处，mdrd=mBr/2。平衡质量产生的惯性力X1=-mBrω2cosωt使一次往复惯性力得以抵消，Y方向的惯性力Y=0。

在平衡齿轮上增加减振结构可有效降低平衡机构产生的振动。平衡机构布置情况如图2所示。

计算结果表明，发动机振动情况经平衡后有显著好转。故中小排量发动机可通过平衡轴实现减振（见图3）。

1.2 发动机弹性悬挂减振技术

建立运动坐标系O-xyz和连体坐标系O-xyz两个坐标，发动机质心c与坐标原点O重合，xOy在发动机的对称面内。当发动机处于静平衡状态时，坐标原点O重合于刚体的质量中心，且两坐标系也相互重合。倘若车架有很大的刚度，发动机没有明显振动现象，不考虑阻尼带来的干扰。那么用广义坐标qc=（xc，yc，zc，α，β，γ）r来描述发动机的动作。设发动机通过n个弹性隔振器与车架相连，第i个悬挂点坐标为分别是Ki1，Ki2，Ki3在运动坐标系中3个坐标轴方向上的弹性系数。

2  摩托车虚拟样机模型

2.1 动力学分析

通过在MSC.Patran环境下进行模态分析能够得到摩托车结构的有效数据，能反映各方面结构的动态特性。把握结构间的彼此关联以及体系的动态特性，为结构的动态设计和改良提供理论支持。

模态分析时，车架体积可根据已知的杆单元横截面积、壳单元厚度以及管单元的壁厚和管径算出。质量再根据各材料密度计算得出。将质量分配至各个节点形成质量矩阵。刚度矩阵由指定材料的泊松比和弹性模量计算得出。模型的固有频率以及各固有频率下的振型通过模態分析得出[3]。

经过计算可知，车架前10阶固有频率为87.52、108.39、150.25、243.11、250.00、273.19、292.27、327.85、330.94、343.33，前3阶车架固有频率的振型图如图5所示。

2.2 整车建模

基于虚拟样机建立摩托车振动分析模型，该模型包括减震活塞、减震筒、轮辋、支撑架、连接块、连接架、手把、车架、轮胎等重要零部件。弹簧和减振器的作用采取有阻尼的弹簧进行简化处理，将车架模型创为MNF文件， 导入ADAMS环境中建立仿真数字模型[4]（见图6）。

3  仿真研究

（1）模型验证。

为了清楚对照试验结果：在测试中布置3个振动测试点。测试点1、2、3分别设于仪表盘、后悬挂盒型板的后板和座椅右侧边处，其中：点1测垂直车架立管方向的值;点2测垂直于后板方向的值;点3测垂直坐垫方向的值。通过对该款摩托车进行振动检测，来验证摩托车仿真数字模型的正确性，具体见表1。

（2）方案对比。

具体见表2、图7。

4  结论

该文采用数值模拟仿真技术，对摩托车振动进行了仿真分析，通过对比实验数据，证明该方法的正确性，为摩托车减震的仿真设计做出了新的操作办法，为我国产品的设计优化及创新做出了富有意义的探索。经过对计算结果的分析，我们可得出如下结论。

（1）平衡轴减振技术用在发动机低转速段的效果要比其用在高转速段的效果更好。低转速发动机更适合于安装平衡轴进行减振。测点1、测点3在安装平衡轴后的降振效果非常明显。但是测点2要次之。

（2）对比发动机全弹性悬挂和平衡轴两种减振方式，全弹性悬挂的减振效果在各个转速段都很好。使用发动机全弹性悬挂进行减振，更能有效降低振动现象。

参考文献

[1] 贺兵.基于虚拟样机技术的包装机械系统仿真研究[J].包装工程，2008（2）：54-56.

[2] 何渝生，魏克严，洪宗林.汽车振动学[M].北京：人民交通出版社，1990.

[3] 孙学军，何玉林，杜静.基于有限元的摩托车振动分析与控制[J].现代制造工程，2005（2）：70-73.

[4] 王磊，杜静，何军.刚柔耦合技术在摩托车动强度分析中的应用[C]//中小型内燃机专业技术研讨会，2008.