常用电动车车架有限元分析及优化设计

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1、常用电动车车架有限元分析及优化设计徐悦（无锡职业技术学院，江苏无锡214121）［摘要］木文运用有限元力学分析法，针对常用电动车车架中存在的疲劳损坏等问题进行了分析，对产生该类问题的原因进行了总结，并在此基础上对常用车架进行了优化设计。［关键词］电动车车架有限元分析优化设计［作者简介］徐悦（1980—），女江苏无锡人，无锡职业技术学院讲师，研究方向：机械设计制造及自动化。［中图分类号］TB472［文献标识码］A［文章编号］0439-8041（2013）03-0018-03我国电动车诞生于1985年，2003年行业步入

2、快速发展时期，经过近十年的努力，产业规模和销量均保持每年50%以上的增长率，特别是2005、2006两年间，电动车行业的发展进入了井喷时期。2009年按照国家质检总局统一要求，由国家自行车质量监督检验中心牵头，协同国家电动车质量监督检验中心联合工作，共同承担了2009年第1季度电动车产品质量国家监督抽查工作。检测数据显示，电动车检测中发现车架强度单项合格率只有87.4%，也就是说检测过程中有12.6%的车架是不合格的。木文围绕某款常用电动车车架主体结构出现疲劳断裂现象这一严重质量问题，应用SolidWorks软件中的

3、Simulation有限元分析模块对其进行分析，提出车架主体结构优化修改方案。图1某款常用车架主体部分三维模型一、常用车架的性能分析如图1所示为木文所研究的某款常用车架主体部分三维模型，木文对车架的有限元分析使用的是SolidWorks软件中的Simulation有限元分析模块。对问题车架主体结构的性能分析主要为静力分析和共振分析两种，静力分析可以对车架的改进有所指导；共振分析主要用于检验车架受激共振的条件。（一）常用车架的静态分析本文中车架的材料采用的是市场流通中的车架常用材料Q195,定义车架的固定点与外部载荷，

4、固定点为平叉前部横管，载荷采用普通电动车在满载的情况下的受力情况，划分网格，如图2所示。图3某款常用车架的应变图图4某款常用车架的应力图通过车架有限元静态分析可以看出，车架的应力变化规律车架平叉为应力明显集中部位，应力集中是影响零件材料疲劳强度的一个关键因素，对车架疲劳强度的改进可以从减小集中应力的大小入手。（二）路面激励对常用车架的共振分析分析路面激励对常用车架的共振情况，需要首先对常用车架进行模态分析，分析结果取常用车架在水平方向、竖直方向以及整车与各主件在扭转力情况下的五阶固有频率，如表1所示。表1某款常用午架

5、五阶固有频率路面的高低不平以及行驶过程中遇到的障碍物是车架产生振动的主要来源，按照路面振动激励来源的不同，可以简单的分为离散激励事件与随机激励事件，相关的研究表明，发生离散激励吋，产生的振动频率非常高，一般情况下都远远高于车架本身的固有频率，并不会因此导致车架的共振，容易导致车架共振的是车架的随机激励。路面在大尺度的空间内总会存在不平，形成一种波浪形的起伏，因此便存在不平度的波长，我国路面不平度的波长查阅相关资料如表2所示。表2我国路面不平度波长路面性质未铺装路面碎石路搓板路平坦公路波长(m)0.77〜2.50.32

6、〜6.30.74〜5.61.0〜6.3当车辆以速度v(km/h)形式吋，路面的波长用λ(m)表示，路面不平度的空间频率用Ω表示，贝IJ:Ω=l/λ(m-1)(4-38)由于输入的吋间频率等于速度与空间频率的乘积，因此：f=vΩ/3.6=v/(3.6λ)(4-39)按电瓶车常规形势选择比安全情况略高车速36km/h进行校核，最终计算得路面的激励振动频率最高为f=31.25Hz。将计算获得的路面激振频率与车架的五阶固冇频率比较可以发现，路面的激

7、振频率略小于午.架的各阶固冇频率，然后电瓶车长期使用后却可能导致车架产生疲劳破坏。二、常用车架的优化设计对于管材的疲劳断裂问题，改进的方案基本思路可以分为三种：一是使用强度更高、管壁厚度更大的材料；二是在弯曲处焊接加强筋；三是修改车架弯曲处的设计。经过市场和技术分析发现，第一与第二种思路并不是最好的解决方式。因此本文选择第三种思路修改车架的设计方案。通过有限元分析可以发现，平叉的两条横梁与拐角处是应力集中的地方，所以降低应力集中处承受的应力便成为修改的突破点。经测量发常用车架平叉的两条横梁与拐角处的折弯角度约为75.

8、5°,在不改变其他条件的情况下，通过减小折弯处的角度在某种程度上可以解决应力集中的问题，经反复分析计算，最终确定优化车架折弯处的角度变为52.5°,如图5所示。同吋，在实际的使用过程中发现，下部这种加强筋配合之间横管的形式并不可靠，尤其是在后轮或者后叉结构受到垂直其平面的侧向力冲击的时候，这种加强筋的结构形式的强度不够高，可能出