骑式摩托车车架 【技术领域】
本发明属于摩托车技术领域，具体地说，涉及一种骑式摩托车的车架。
背景技术
摩托车的振动不仅影响其操纵稳定性和安全性，更重要的是严重影响着人的乘坐舒适性和身体健康。因此，摩托车的乘坐舒适性，就是摩托车在行驶过程中使驾驶员和乘员所处的振动环境中所具有的一定舒适度的能力。其中，车架是整个摩托车的骨架和基体，摩托车发动机及变速传动总成、转向装置、悬挂装置、车轮等都通过车架联结成一个整体。车架不但要承载摩托车部件、乘员和货物的重量，在不平的道路行驶时还要承受来自路面的冲击、发动机等机构运转等外部激励的作用。
现有骑式摩托车车架的结构如图4、图5、图6所示，由车头管1，前主管2，前斜管3，加强管4，前左、右支撑管5、6，中左、右主管7、8，后左、右主管9、10等部件构成。其中车头管1的下部与前斜管3的上端焊接，车头管1的上部与前主管2的前端焊接，前主管2的后端焊接在中左、右主管7、8前部之间的连接管11上，中左、右主管7、8的中后部之间焊接油箱后安装板，中左、右主管7、8的前端分别与前左、右支撑管5、6的上部焊接，中左、右主管7、8的后端分别与后左、右主管9、10的中部焊接，所述前左、右支撑管5、6的上端分别焊接于前主管2后部的两侧面，前左、右支撑管5、6的下部分别与后左、右主管9、10的前端焊接，在后左、右主管9、10的后部之间连接有后挡泥板安装支架12，该后挡泥板安装支架12为弧形条状结构。为了方便发动机安装，在前左、右支撑管5、6的下部之间设置有上、下横管13、14，其中上横管13上并排焊接有两个第一支耳15，下横管14上并排焊接有两个第二支耳16。为了便于后搁脚装配，在前左、右支撑管5、6下部的后方均设有后搁脚安装管17，该后搁脚安装管17的前端与对应的前支撑管焊接，后搁脚安装管17的后端通过后搁脚组合连接管18与对应的后主管连接。
考虑到摩托车的运行速度与路面条件以及车架与发动机进行综合分析的情况可知，摩托车的激励主要是路面激励和发动机激励，路面激励为低频激励，而发动机激励主要是一、二阶频率。摩托车发动机的最大转速为9000r/min，因此选取0～250Hz作为其计算频段范围，提取车架的前9阶非刚体模态。
计算的前9阶模态频率见表1。
表1 车架模态理论计算结果
阶数 模态理论计算 频率(Hz) 振型描述 1 78 俯仰 2 82 弯曲 3 98 一阶扭转 4 125 二阶扭转 5 137 尾部开阖 6 179 尾部左右和上下耦合振型 7 191 整车二阶俯仰 8 200 后踏板安装支架开阖 9 249 整车俯仰和扭转耦合振型在实验中对车架实验结果提取前9阶频率结果，如表2所示。
表2 车架实验模态结果
阶数 模态实验 频率(Hz) 振型描述 1 76.6 俯仰 2 78 弯曲 3 90.5 一阶扭转 4 121 二阶扭转 5 139 尾部开阖 6 178 尾部左右和上下耦合振型 7 186 整车二阶俯仰 8 218 后踏板安装支架开阖 9 245 整车俯仰和扭转耦合振型
由表1、表2和各阶模态振形描述得出以下结论：理论计算模态与实验模态相对最大误差为-8.29％，如表3所示。振形基本吻合，表明了有限元模型能较好地反映车架的动力学特性，模型简化较为合理。
表3 车架理论和实验模态结果对比表
阶数 模态理论计算 频率(Hz) 模态实验 频率(Hz) 相对误差(％) 振型描述 1 78 76.6 -1.83 俯仰 2 82 78 -5.13 弯曲 3 98 90.5 -8.29 一阶扭转 4 125 121 -3.31 二阶扭转 5 137 139 1.44 尾部开阖 6 179 178 0.56 尾部左右和上下耦合振型 7 191 186 -2.69 整车二阶俯仰 8 200 218 8.26 后踏板安装支架开阖
9 249 245 -1.63 整车俯仰和扭转耦合振型
结合实验模态结果和计算模态结果来看，两者的差异可以接受，满足工程需求。实验数值和理论数值相似频率的点还是可信的，因为车架的结构在实验中和有限元计算中体现出的特性本质上是相同的。近似的频率值说明了实验和有限元理论如果剔出了各自的误差累计，还是可以相互验证的。因此可以判定所建的车架有限元模型是正确可靠的，能足够精确的描述该车架的主要结构力学特征。
现有骑式车的车架属于传统的钢制车架，是由圆钢管和钢板焊接而成的。一般情况下，圆钢管均为直缝焊接钢管，焊接工艺好，刚度和强度比钢板好，比无缝钢管差，优点主要体现在生产工艺简单，生产效率高，成本低，但质量大。整车最高车速为90Km/h，时速在60～90Km/h区间，整车多处振动较大，影响了骑乘者乘车的舒适性。从模态理论计算和模态实验中可以看出，车架振动主要表现为前、后部的俯仰振动和前部相对于中部的扭转振动，通过人员感受地主要振动反映情况为：
1)驾驶员部位
手把(振动轻微，可接受)，前脚蹬、座垫前部、油箱两侧，时速60～90Km/h时振动较大，不可接受。
2)乘客部位
大货架的后搁脚、大货架的扶手、座垫后部，从时速30Km/h开始振动就变大，不可接受。
从模态分析结果来看，在发动机的转速范围内(最高转速为9000r/min，频率范围约在150Hz以下)车架具有5阶模态，如表4所示。
表4 车架前5阶模态结果对比表
阶数 模态理论计算 频率(Hz) 模态实验 频率(Hz) 相对误差(％) 振型描述 1 78 76.6 -1.83 俯仰 2 82 78 -5.13 弯曲 3 98 90.5 -8.29 一阶扭转 4 125 121 -3.31 二阶扭转 5 137 139 1.44 尾部开阖
其中人体比较敏感的俯仰和扭转有3阶，并且俯仰的频率最低。因此改进的重点在提高俯仰和扭转的频率。另外，车架前后两部分只有一个连接位置，焊接点在车架变形的过程中容易产生应力集中。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能有效降低振动的骑式摩托车车架。
本发明的技术方案如下：一种骑式摩托车车架，车头管的下部与前斜管的上端焊接，车头管的上部与前主管的前端固定，在前主管与前斜管之间焊接有加强管，所述前主管的后端焊接在中左、右主管前部之间的连接管上，中左、右主管的中后部之间焊接油箱后安装板，中左、右主管的前端分别与前左、右支撑管的上部焊接，中左、右主管的后端分别与后左、右主管的中部焊接，所述前左、右支撑管的上端焊接在前主管后部的两侧上，前左、右支撑管的下部分别与后左、右主管的前端焊接，在后左、右主管的后部之间连接有后挡泥板安装支架；所述前左、右支撑管的下部之间设置有上、下横管，其中上横管上并排焊接有两个第一支耳，下横管上并排焊接有两个第二支耳，在所述前左、右支撑管下部的后方均设有后搁脚安装管，该后搁脚安装管的前端与对应的前支撑管焊接，后搁脚安装管的后端通过后搁脚组合连接管与对应的后主管连接，其关键在于：
A、所述前主管和中左、右主管均为矩管，在中左主管与中右主管之间焊接有连接管，该连接管的前侧面与油箱后安装板的前翻边焊接；
B、在所述后左、右主管的内部均设置有塞管；
C、所述两个第一支耳与两个第二支耳之间通过支架连接成一个整体。
由于车架刚度对车架的固有频率有很大的影响，要提高车架的抗振能力，减少对外界激励的响应就要从提高车架的刚度着手。众所周知，在相同质量情况下，矩形截面的钢管比圆管的结构强度要好。因此，本发明将前主管由圆管改为矩管，可以很好地抑制车架前部的俯仰变形；将中左、右主管由圆管改为矩管，并增加连接管，可以改善车架的扭转变形；在后主管的内部加装塞管，能够很好地抑制车架后部的俯仰变形；安装发动机的第一支耳与第二支耳之间由盒式支架连成一体，抗振效果显著，能够有效减小发动机工作对车架的影响，大大提高了摩托车的乘坐舒适性。
为了增加前主管与加强管之间的连接强度，在所述前主管与加强管之间的夹角处焊接有第一加强板。
所述后挡泥板安装支架为拱形板状结构，该后挡泥板安装支架的两端具有前后两个支脚，各支脚焊接在对应的后主管上。后挡泥板安装支架在原有结构的基础上增加了宽度，并且增大了与后左、右主管的接触面积，这样进一步增强了后左、右主管之间的连接强度，能有效降低车架尾部开阖的幅度。
为了增加后搁脚安装管和后搁脚组合连接管的连接强度，减小后搁脚处的振动，所述同一侧的后搁脚安装管、后搁脚组合连接管、后主管和前支撑管所形成的夹角处焊接有第二加强板，后搁脚安装管与后搁脚组合连接管之间的夹角处焊接有第三加强板。
所述支架为敞口向前的盒状结构，该支架左右两边的侧板为钩型，且侧板的上端与第一支耳相贴合并焊接，侧板的下端与第二支耳贴合并焊接。支架采用盒状结构，强度可靠，不易发生变形，进一步降低了发动机振动对骨架的影响；支架侧板的造型与前支撑管的下部相适应，在保证结构紧凑的同时，避免了对发动机安装造成不利影响。
通过以上改进之后，在发动机的转速范围内(最高转速为9000r/min，频率范围约在150Hz以下)车架具有5阶模态。
表5 车架改进前5阶计算模态分析对比表
阶数 改进前车架 频率(Hz) 改进前车架 振型描述 改进后车架 频率(Hz) 改进后车架 振型描述 1 78 俯仰 86 弯曲 2 82 弯曲 99 俯仰 3 98 一阶扭转 111 一阶扭转 4 125 二阶扭转 138 二阶扭转 5 137 尾部开阖 154 尾部开阖
改进后车架的刚度明显提高，尤其是人体比较敏感的俯仰刚度。第1阶由俯仰变为了弯曲，第2阶由弯曲变为了俯仰。由于车架主体部位采用了较多的方形梁，车架的俯仰频率由78Hz提高到99Hz，车架尾部的模态出现在150Hz以上，避开了发动机的激励频率，从而有效地降低了扶手和货架的振动。
通过台架实验可以清晰地显示出车架改进前后整车的振动对比。
1)驾驶员部位如表6所示。
表6 驾驶员部位整改前后振级对比表
分析表6可知：
手把处——改进车比较原车左手把在20km/h左右，右手把80km/h左右的速度段振动突变得到了改善；
前脚蹬——改进车比较原车前在60～90km/h速度段振动增长趋势减缓；
座垫前部——改进车比较原车在80～90km/h速度段振动明显降低；
油箱侧面——改进车比较原车在≤90km/h整个速度段振动有所降低，并减弱了突变点；
油箱后部——改进车比较原车在50～90km/h速度段振动有所降低；
油箱前部——改进车比较原车在60～90km/h速度段振动明显降低。
2)乘员部位如表7所示。
表7 乘客部位整改前后振级对比表
分析表7可知：
后左右脚踏——改进车比较原车后右脚踏在60～90km/h速度段振动突变得到了改善，后左脚踏在50～90km/h速度段振动突变得到了改善，但在90km/h以上改进前后振动接近；
座垫后部——改进车比较原车在60～90km/h速度段振动有所改善；
大货架——改进车比较原车在60～90km/h速度段振动有所改善。
通过人员感受的道路试验分析：
道路试验时安排10个试验组，每个组分别配备1名专业试车员和1名乘员；准备改进前后试验样车各两辆。对试车员要求在各个速度段注意感受手把、座垫前部、前左右脚蹬、油箱两侧，试车员在高速行驶时，膝盖是夹住油箱两侧的；对乘员要求在各个速度段注意感受座垫后部、后脚踏、大货架，在行驶时乘员双手必须握紧焊在大货架两侧的扶手。
道路试验完成后将试车员和乘员的意见反馈汇总整理后，得比以下对比结果：
改进前
1)驾驶者部位
时速＜60km/h时，座垫前部、手把、前脚蹬振动不明显；
时速在60～90km/h时，座垫前部、手把、前脚蹬振动明显，不可接受；
时速在＞90km/h时，座垫前部、手把、前脚蹬振动明显，不可接受。
2)乘客部位
时速＜50km/h时，座垫后部、后脚踏、大货架振动不明显；
时速在50～90km/h时，座垫后部、后脚踏、大货架振动明显，不可接受；
时速在＞90km/h时，座垫后部、后脚踏、大货架振动明显，不可接受。
改进后
1)驾驶者部位
时速＜60km/h时，座垫前部、手把、前脚蹬振动不明显；
时速在60～90km/h时，座垫前部、手把、前脚蹬振动不明显；
时速在＞90km/h时，座垫前部、手把、前脚蹬振动明显，不可接受。
2)乘客部位
时速＜50km/h时，座垫后部、后脚踏、大货架振动不明显；
时速在50～90km/h时，座垫后部、大货架振动不明显；
时速在70～90km/h时，后脚踏加速时振动明显，不可接受。但在此速度段内匀速行驶时，振动可接受。
时速在＞90km/h时，座垫后部、后脚踏、大货架振动明显，不可接受。
综上所述，通过仪器检测的台架实验和人员感受的道路试验来综合评价车架的改进能减小整车振动。改进结果总体而言：
1)驾驶员部位的座垫前部、手把、前脚蹬在60～90km/h速度段的振动得到明显改善；
2)乘客部位的座垫后部、大货架在50～90km/h速度段的振动得到明显改善；
3)乘客部位的后脚踏在70～90km/h速度段，加速时振动明显，但比原车要好些。但在此速度段内匀速行驶时，振动可接受。
【附图说明】
图1为本发明的主视图。
图2为图1俯视图。
图3为图1的A向视图。
图4为背景技术的主视图。
图5为图4的俯视图。
图6为图4的B向视图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2和图3所示，本发明车头管1、前主管2、前斜管3、加强管4、前左支撑管5、前右支撑管6、中左主管7、中右主管8、后左主管9、后右主管10、连接管11、后挡泥板安装支架12、上横管13、下横管14、第一支耳15、第二支耳16、后搁脚安装管17、后搁脚组合连接管18、连接管19、塞管20、支架21、油箱后安装板25和加强板等部件构成，其中车头管1采用圆管，位于前主管2和前斜管3的前方，并以前低后高倾斜布置，该车头管1后侧面的下部与前斜管3的上端焊接，前斜管3为圆管，以上端在前下端在后倾斜布置。车头管1后侧面的上部与前主管2的前端焊接，前主管2为矩管，以前高后低倾斜设置，在前主管2与前斜管3之间焊接有加强管4，加强管4为圆管，并且加强管4与前主管2之间的夹角处焊接有第一加强板22。
从图1、图2中可知，前左、右支撑管5、6，中左、右主管7、8，后左、右主管9、10均呈左右对称分布，并且前左、右支撑管5、6和后左、右主管9、10为圆管，而中左、右主管7、8为矩管。所述前主管2的后端焊接在中左、右主管7、8前部之间的连接管11上，中左、右主管7、8近似于水平，中左、右主管7、8的中后部之间焊接油箱后安装板25和连接管19，连接管19位于油箱后安装板25的下方，并且连接管19的前侧面与油箱后安装板25的前翻边焊接。所述中左主管7的前端与前左支撑管5的上部焊接，中左主管7的后端焊接在后左主管9中部的弯形处。中右主管8的前端与前右支撑管6的上部焊接，中右主管8的后端焊接在后右主管10中部的弯形处。所述前左支撑管5的上端向内弯形后与前主管2后部的左侧面焊接，前左支撑管5下部弯形处的后侧面与后左主管9的前端焊接；前右支撑管6的上端向内弯形后与前主管2后部的右侧面焊接，前右支撑管6的下部弯形处的后侧面与后右主管10的前端焊接。
从图1、图3中可知，在前左支撑管5与前右支撑管6的下部之间焊接有相互平行的上横管13和下横管14，其中上横管13上并排焊接有两个第一支耳15，下横管14上并排焊接有两个第二支耳16，所述两个第一支耳15与两个第二支耳16之间设置支架21，第一支耳15和第二支耳16通过支架21连接成一个整体。所述支架21为敞口向前的盒状结构，该支架21左右两边的侧板为钩型，与前支撑管下部的造型相适应，且侧板的上端与第一支耳15相贴合并焊接，侧板的下端与第二支耳16贴合并焊接。在前左、右支撑管5、6下部的后方均设有后搁脚安装管17，该后搁脚安装管17的前端与对应的前支撑管焊接，后搁脚安装管17的后端通过后搁脚组合连接管18与对应的后主管焊接。所述同一侧的后搁脚安装管17、后搁脚组合连接管18、后主管和前支撑管所形成的夹角处焊接有第二加强板23，后搁脚安装管17与后搁脚组合连接管18之间的夹角处焊接有第三加强板24。
从图1、图2中还可知，在后左、右主管9、10的内部均设置有塞管20，该塞管20的长度与后主管相适应，并在后左、右主管的后部之间设置有后挡泥板安装支架12，该后挡泥板安装支架12为拱形板状结构，后挡泥板安装支架12的两端具有前后两个对称的支脚，各支脚焊接在对应的后主管上。本发明的其余结构以及整体造型与现有技术相同，在此不做赘述。