2024年4月6日发(作者：竭香巧)
第４６卷第４期
２０１７年８月
小型内燃机与车辆技术
ＳＭＡＬＬ ＩＮＴＥＲＮＡＬ ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥ ＡＮＤ ＶＥＨＩＣＬＥ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ
Ｖｏ１．４６ ＮＯ．４
Ａｕｇ．２０１７
电动两轮摩托车车架刚度研究
朱训栋’张立鹏 崔宇航
（１一山东时风（集团）有限责任公司 山东聊城２５２８００ ２一天津大学内燃机研究所）
摘要：车架刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。具有代表性的３款电动两轮摩托车车架在新设计
的车架刚度试验台架上进行刚度试验，对比其试验结果，从结构设计角度分析影响车架刚度的因素。
同时，有限元方法亦应用于车架刚度分析上。通过对比试验实测数据与有限元分析所得的计算结果，
实现了二者间的相互验证，说明有限元分析的正确性，这一结论对车架设计期间刚度数值的预测提
供了有效手段。车架刚度试验与分析结果对新车型研发前期制定合理的车架刚度目标值起到指导作
用，同时也积累了电动两轮摩托车相似车型车架刚度数据库。
关键词：车架刚度试验台架有限元分析数据库
文章编号：２０９５—８２３４（２０１７）０４—００６０—０６ 中图分类号：Ｕ４８３ 文献标识码：Ａ
ＲｑＲｅｓｅａｒｃｈ ｗｃｈ ０ｎ ｒａ Ｆｒａｍｅ ＳｔｉＳｔｆｆ 、ｔｎｅｓｓ ｏｒ １ ｏｆ Ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄｅｄ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ
Ｚｈｕ Ｘｕｎｄｏｎｇ ，Ｚｈａｎｇ Ｌｉｐｅｎｇ ，Ｃｕｉ Ｙｕｈａｎｇ
１一Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｓｈｉ￣ｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．（Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，２５２８００，Ｃｈｉｎａ）
２一Ｔｉａｎｊｉｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｏｒｓｉｏｎ ｓｔｉｆｆｎｅＳＳ．Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ
ｔｈｅ ｆｒａｍｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｗｏ—－ｗｈｅｅｌｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅｓ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｅｗ——
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｌａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｌａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｒｅ ａｎ— ｆ
ａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｒｅｓｕｌｔｓ。ｉｔ Ｓ ｃｏｎ—
ｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉＳ ｃｏｒｒｅｃｔ．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｎｓ ｄｕｒｉｎｇ ｓｔｉｆ－
ｎｅｓｓ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｍｅ ｄｅｓｉｆｇｎ．Ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｌａｙ ａ ｇｕｉｄｉｎｇ ｒｏｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ
ｓｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｍｏｄｅｌｓ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔａｒｇｅｔ ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｎｅｓｓ．Ｆｒａｍｅ
ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｄａｔａｂａｓｅ ｏｒｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｍｏｄｅｌｓ ｔｗｏ—ｗｈｅｅｌｅｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｉＳ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；Ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ；ＦＥＡ；Ｄａｔａｂａｓｅ
引言
车架的结构决定了整车的造型，更重要的是，它
用过程中的所有载荷，作为受力构件，必须有足够的
刚度来保证其装配和使用要求口Ｉ。
另外，两轮电动摩托车运动自由度大，车架刚度
的力学性能决定着整车的动力学特性，尤其对于承
载式车架更是如此。电动摩托车大都采用全承载式
车架结构…，由不同截面形状，不同厚度的薄壁管材
与板壳等焊接而成。承载式车架几乎承受了整车使
过低时，驾驶员在车辆高速行驶时难以控制把手摆动，
车架抵抗变形的能力差，操纵稳定性差，影响转弯时
的安全；车架刚度过高，会使得车辆转弯时对驾驶员
的指令反应迟滞的时间更短，造成过敏性反应，导致
作者简介：朱训栋（１９７２一），男，高级工程师，主要研究方向为车辆底盘及悬架开发。
第４期 朱训栋等：电动两轮摩托车车架刚度研究 ６ｌ
车架的强烈振动，影响骑乘舒适性 Ｉ。因此，控制好
车架的刚度性能指标是车架设计初期的重要任务。
测试系统的动力源，为液压缸提供动力。其构成
主要包括油箱，电磁调压控制阀，油压表，分泵压力
调节阀，油管，行程开关等。
１．２．５控制柜
１车架刚度试验台架设计
１．１试验规划
整个试验的控制系统，保证液压缸按规定动作
执行，实现液压缸的前进与后退与液压站的启停，要
求响应快，可靠性好。
车架刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。两种
工况主要是模拟车辆在弯道上行驶时车轮与地面接
触处所受侧向力（经前又作用到车头管下端）与驾驶
员抵抗车辆倾倒施加在方向把上的力（作用在车头
２电动摩托车车架刚度试验
２．１试验准备
管上端）共同作用的情况。扭转刚度反映的是车架抵
抗扭转变形的能力，弯曲刚度反映的是车架抵抗弯
曲变形的能力。同时．这两种１二况也实现了对车头管
处的强度考核。
针对上述两种典型工况，本文设计‘两种测试Ｔ
况通用支架，采用液压设备加载，用压力传感器控制
２．１．１人员准备
刚度试验需要有多人配合进行，主要完成液压
站与控制柜的控制，作动头与车架之间状态的调
整，拉线位移传感器以及力传感器读数及其他辅助
１二作。
２．１．２拉线位移传感器校准
所加载荷大小，利用位移传感器测量车头管上下中
心的位移。不同测试Ｔ况只需移动一侧液压缸至对
应位置即可。如图１所示。
将位移传感器与其显示仪表连接，通过改变仪
表设置参数来调整位移传感器测试精度。同时，将位
移传感器拉线分３次拉出，每次均拉出不同的长度，
用千分尺测量其长度数值，与仪表实际显示数值进
行对比，使二者间的差值尽可能的小，否则继续改变
仪表设置参数来调整位移传感器测试精度，直至二
者数值基本一致。
２．１＿３液压站和控制柜的调试
试验之前向油箱注入液压油。控制柜通电，启动
油泵，适当调节液压站上的调压阀控制总泵油压，通
罔１车架刚度试验
过控制控制柜上两个油缸的前进／暂停／后退按钮来
校验两个油缸轴前进／暂停／后退的功能。与此同时观
察油缸动作头的趋势是否平稳，若不平稳则关闭油
１．２主要应用设备简介
１．２．１拉线位移传感器
主要用于测试车头管上下两端端面中心点的位
移．．本次试验所需数量为２个，型号为ＫＳＩ５－６００—
００２，其测试量程为６００ ｍｍ，测量精度为０．０５％ＦＳ。
１．２．２压力式力传感器
泵断电，拧开与油缸连接的油管，再打开油泵，给油
缸前进或后退的动作，把油管出油端插入油箱注油
口排出油管内多余的空气，再次将油管和油缸连接，
直至动作头平稳运行。
２．２试验过程
２．２．１ 约束状态
主要用于测试施加在车头管上下两端的载荷的大
小 本次试验所需数量为２个，型号为ＳＴＣ一１ ０００ ｋｇ，
即测试额定载荷为１ ０００ ｋｇ，安全过载１５０％ＦＳ。
１．２．３液压缸
试验过程中车架的约束要求满足车头管下端中
心不许有垂直方向的位移，平叉轴处不许有３个方
向的移动。本次试验采用近似等价的约束方式，即把
车架平又轴孑Ｌ的两端拧紧在定制的刚度比车架大得
作为试验的执行机构，直接完成载荷的施加，
同时在头部安装工装，该＿丁装用于安装压力传感器，
确保压力传感器仅受轴向力的作用。本次试验所需
液压缸数量为２个，型号为ＭＯＢ ５０×１２５，最大油压
为７ ＭＰａ
１．２．４液压站
多的夹具上，并将夹具紧固于ｉ坐标平台，同时借用
图２所示的前后支撑限制车架绕后摇臂轴的旋转。
２．２．２载荷施加
如图３所示，通过安装在通用支架上的液压缸
在车头管上下两端相对施加大小一致的载荷。
６２ 小型内燃机与车辆技术 第４６卷
２．３试验结果
图４是车架刚度测试过程中的变形示意图，扭
车头管上端
转刚度测试时载荷在起始作用－－／Ｊ－，段时间内变形是
前支
车头管下端
坐标平
ｆＪ１ （ ２
装
ａ）扭转刚度 ｂ）弯曲刚度
图４车架扭转刚度与弯曲刚度计算图
绕着车头管中间的某个位置旋转，随着载荷的增加，
旋转中心改变，显示到车头管上就是既有平移又有
旋转，最后达到平衡状态；弯曲刚度测试过程中，两
个力在同一方向施加，因此一开始车头管上就是既
有平移又有旋转，最后达到平衡状态。
车架的扭转刚度与弯曲刚度的计算公式为：
：
式中： 一车架扭转刚度（Ｎ・ｍ）／（。）； 一所施加的载
荷，Ｎ；Ｌ一车头管长度，ｍｍ；Ａｙ。一车头管下端中心位
移，ｍｍ；ＡＴ２一车头管上端中心位移，ｍｍ。
ａ）两侧液压缸一扭转刚度测试
ｃｅ （２）
式中：ＣＢ＿车架弯曲刚度，Ｎ／ｍｍ；
其它同扭转刚度公式。
根据上述计算公式可得出车架的试验刚度数
值，如表ｌ与表２所示。
从表中数据可以看出：
１）扭转刚度测试时位移传感器是相对放置，故
位移数值一正一负；
２）因整个液压系统及各个机械工装之间的配合
同侧液压缸一弯曲刚度测试
存在误差，故车头管上下两端载荷大小并不是完全
一
图３载荷施加
致，差值在３ ｋｇ之内；
表ｌ 扭转刚度测试试验数据
一
缸载荷上端，ｋｇ
８２．Ｏ
二缸载荷下端，Ｉ（
８３．５
上端位移／ｍｍ
－５．７２
下端位移／ａｒｍ
１．５３
车头管长度／ａｒｍ 扭转刚度／（（Ｎ・ｍ）・（。） ）
２７２．５ ２５０
７ｌ
．
８１．０
８２．５
８３．Ｏ
８３．５
－５．７５
－５．７Ｏ
１．５８
１．４９
２７２．５
２７２．５
２４９．６３
２５０－２７
表２弯曲刚度测试试验数据
一
缸载荷上端／ｋｇ
７１．Ｏ
７１．５
７０．０
二缸载荷下端／ｋｇ
６８．５
６９．Ｏ
６８．５
上端位移／ｍｍ
３２．６ｌ
３２．６ｌ
３２．２ｌ
下端位移／ｍｍ
２２．０ｏ
２２．Ｏ１
２１．７３
弯曲刚度／（Ｎ・ｍｍ ）
５０．０７
５０．４２
５０．３３
第４期 朱训栋等：电动两轮摩托车车架刚度研究 ６３
３）试验过程中同一油压状态下，试验数据重复
性较好；
主管越近刚度越大，横向跨度越大刚度也越大，因此
设计初期我们需要注意这些因素的影响，在满足要
求的前提下尽量提高刚度。
４）两种冈０度的计算结果均低于两轮摩托车给出
曲冈０度７０～３５０ Ｎ／ｍｎ】）【７－８Ｉ。
２．４车架刚度影响因素分析
如 ∞ 如 ∞ ４ ４ ３ ３ ２ ２ ∞ ∞ ∞ ∞ 如 ０ ● 如 ４ ４ ∞ ３ ∞ ３ ∞ ２ ∞ ２ ∞ 如 ∞
的车架参考数值（扭转刚度５００ ７００（Ｎ￣ｎｑ）／（。），弯
采用同样的测试方法，对另外两款不同品牌的
车型做车架刚度试验，刚度计算结果如图５所示。可
以看 ，两种刚度均是车型Ⅲ最大，扭转刚度车型Ｉ
与车型Ⅱ相当，弯曲刚度车型Ｉ小于车型Ⅱ。下面从
３款车架的结构上分析刚度影响因素，３款车型如图
６所示，结构参数如表３所示。
型Ｉ
ａ）车型Ｉ
■牟犁Ⅱ
一乍型Ⅲ
车型
ａ）扭转刚度
１ 型Ｉ
●车型Ⅱ
）车型Ⅱ
Ｉ。
●车型Ⅲ
ｃ）车型Ⅲ
图６ ３款车型图
军型
ｂ）弯曲刚度
图５ ３款车架刚度计算结果
车型
表３ ３款车架结构参数
Ｉ Ⅱ Ⅲ
从整体尺寸上看，车型Ⅲ轴距最小，但３款车架
质量相当，从这里我们就可以看出轻量化降成本以
后的影响，车型Ⅲ的刚度最大。另外从安装平叉轴的
纵向距离（ ）／ｍｍ ５５ ９２ ３２
横向距离（ｙ）／ｒａｍ
车架质量／ｋｇ
车架整体尺寸／
（ｍｉｌｌ×ｍｉｌｌ×ｍｍ）
ｌ７５
Ｉ４
６７０
ｌ８４
ｌ５
６００
２５８
Ｉ５
５６５
ｌ ０９０×３ｌ５ Ｘ ｌ １８０ Ｘ ３３５ ｘ ｌ ０５０ Ｘ ３４Ｏ×
钣金件上分析，平叉轴安装中心孔纵向距离离车架
小型内燃机与车辆技术 第４６卷
３电动摩托车车架刚度有限元分析
车架刚度的有限模型如图７所示。采用与试验
状态等同的约束及施载方式，约束后摇臂轴孑Ｌ ６个
方向的自由度，分别在车头管上下端面施加成对载
荷，借助ＮＸ ＮＡＳＴＲＡＮ的ＡＤＶＮＬ６０１，１０６求解类型
求出等价节点沿Ｙ方向的位移，通过上述的计算公
式求出车架的扭转刚度和弯曲刚度。分析结果如图
８ 图９所示。表４为扭转刚度分析数据，表５为弯曲
刚度分析数据。
图８车架位移云图（扭转）
ｍｗ
ｍ＇ｓ■ｍ ｍｔ
Ｓ ●¨一Ｎ＿＿ ｌ 懈
“ｂ“
＿ｏｗ
‘¨． Ｌ．Ｈ－蛳
ｕｆ船一ｒｎｍ
媳ｔ∞ Ｏ∞
ｔ Ｈ ｔｎ Ｙ
Ｏ 帆… ■ ●■■ Ｏ 州 研
图７车架刚度有限元模型
表６为试验与分析数据对比，从表６可以看出：
１）分析所得数值与试验所得数值存在一定的误
差，导致误差产生的原因可能为“计算所用位移为车
头管端点在Ｙ轴（横向）方向的位移，而试验所测位
移因车头管处有变形所以车头管端点的位移并非绝
对意义上的ｙ轴（横向）位移”；
图９车架位移云图（弯曲）
２）弯曲刚度数值比扭转刚度数值误差大，除上
述因素外，还可能因为弯曲试验施加载荷小（弯曲刚
度测试时产生的位移较大，位移过大可能导致车架
发生塑性变形），载荷小即要求油压较低，油压较低
测试过程不是特别稳定可能或多或少地影ｕ６］Ｎ试结
果，因此导致误差叠加；
表４扭转刚度分析数据
一
缸载荷上端／ｋｇ
８２．５
二缸载荷下端／ｋｇ 『 上端位移／ｍｍ ｒ 下端位移／
８３．５ ｌ７，８５９ ３Ｉ．４２７
表５弯曲刚度分析数据
ｆ车头管长度， ｍ 扭转刚度，（（Ｎ・ｎ１）・（。） ）
２１７２．５ ２３７．７４
一
缸载荷上端／ｋｇ
７１
二缸载荷下端／ｋｇ
６８．５
上端位移／ｍｍ
２７．Ｏ３
下端位移／ｒａｍ
ｌ７．７２
弯曲刚度，（Ｎ・ｌＹｌｎｌ ）
６１．１Ｏ
表６试验与分析数据对比
扭转刚度／（（Ｎ・ｍ）・（。） ）
试验数值
２５Ｏ．２
计算数值
２３７．７４
误差／％
４．９
弯曲刚度／（Ｎ・ｍｍ ）
试验数值
５０－２７
计算数值
６１．１
误差，％
２１
第４ 朱训栋等：电动两轮峰托车车架刚度研究
２
３
３）尽管分析 Ｉｊ试验二 之间存在一定的误差．
但ｌＩＪ‘以行ｆｆＩ采川仃限元计 算 设汁初期可以起到较
好的指导作Ｊ｛ｊ
４结论
以电动摩托１ 乍架为研究对象，通过试验与仃
限几分忻卡｝ｊ互验ｉｌ 的方式确定了一套合理的车架刚
度 验方法，为 动摩托 乍架刚度数据库的建设
积累ｒ数据， 助没汁人 新乍型开发前期制定
４
合 的 架川度ｆ１ 值另外，通过车架刚度试验Ｉ『
以 脱乍架产ｒＩｆｒ一敛性的检验（例如 架是否存
明 ｌ 的焊接缺陷等），Ⅱ土是衡 ４．＝架轻量化是 合理
的一个标准一
参考文献
１
—
６
８
做．曙托１ 构没汁『Ｍ１．Ｊ匕 ：人民邮电．…版 ，１９９７
— —址— 业—址— —址—址—址．址儿．址—址— Ｌ—ｉ止儿．Ｓ止—址— 止—址．Ｓ屯．ｓ止—址— 止ｊ止—ｉ —Ｓ也』止 止． ．址
— —
址
ｓ也 ｓ止—址—ｓ止—址．址—＾止儿ｊ止． 止
（上接第５９页）
３．７熄火开关（边撑开关）
熄火）Ｉ＝关（ ｆ殳】８所示）安装后开关挡位要求转
动顺畅，接触石ｒ ；开关应 备防水性能；开关触点
降小大了 １６ ｌ１１、／Ａ，经耐久性试验后，开关触点压
降小犬下６０ ｍＶ／Ａ
～一 彻一一一～一靴 一一 一～一～ 一～ 一 ～一． ～一．， 凇礼一 圳一 一 一¨
一 一 一一～一．一 ～ 一～ 一 一
没 一～ ～ ～一强 孙 一
Ｊ、 用
４结束语
通过对摩托车ｊ ｛停技术的』、 川， Ｉ『以大大地降
低摩托乍的肩动噪，｛ ；同时也ｎ丁以减少在，ｆｉＩＫ 乘
骑时的油耗及排放
摩托车在实现 停控制功能后，随着人ｆ『Ｊ对摩
托车功能要求也越来越多；通过Ｈ前住汽＾＿． 所刖
的新技术，如智能开肩大灯功能、尤钏匙开锁 乍功
能及ＧＰＳ定位功能等都可以运川剑摩托车ｆ 米 当
然，这还需要后期孜孜不倦地对新技术进行研究和
参考文献
１张深． 流无刷电动机 理及应ｊ｝ＪＩＭ１．北京：机能ｒ、ｌ
版礼，２００４
２ ｊ长石．刘晓志．电＿ｒ技术Ｉ ．北京：机械
４徐曼珍．新型蓄电池
什．２００５
ｆｆ｛版 ，２０１２
３陈浩，邓Ｊ 云．机械波汁 础ＩＭ１．北京：科学ｍ版十ｌ ，２０１６
与应用ＩＭ１．Ｊ匕 ：人ＲＩＩｆＩ；【Ｕ¨｛版
（ＩＩ 稿¨期：２（）ｌ ７一（）５—１９）
冬１ ８熄火外火
2024年4月6日发(作者：竭香巧)
第４６卷第４期
２０１７年８月
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ＳＭＡＬＬ ＩＮＴＥＲＮＡＬ ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥ ＡＮＤ ＶＥＨＩＣＬＥ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ
Ｖｏ１．４６ ＮＯ．４
Ａｕｇ．２０１７
电动两轮摩托车车架刚度研究
朱训栋’张立鹏 崔宇航
（１一山东时风（集团）有限责任公司 山东聊城２５２８００ ２一天津大学内燃机研究所）
摘要：车架刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。具有代表性的３款电动两轮摩托车车架在新设计
的车架刚度试验台架上进行刚度试验，对比其试验结果，从结构设计角度分析影响车架刚度的因素。
同时，有限元方法亦应用于车架刚度分析上。通过对比试验实测数据与有限元分析所得的计算结果，
实现了二者间的相互验证，说明有限元分析的正确性，这一结论对车架设计期间刚度数值的预测提
供了有效手段。车架刚度试验与分析结果对新车型研发前期制定合理的车架刚度目标值起到指导作
用，同时也积累了电动两轮摩托车相似车型车架刚度数据库。
关键词：车架刚度试验台架有限元分析数据库
文章编号：２０９５—８２３４（２０１７）０４—００６０—０６ 中图分类号：Ｕ４８３ 文献标识码：Ａ
ＲｑＲｅｓｅａｒｃｈ ｗｃｈ ０ｎ ｒａ Ｆｒａｍｅ ＳｔｉＳｔｆｆ 、ｔｎｅｓｓ ｏｒ １ ｏｆ Ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄｅｄ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ
Ｚｈｕ Ｘｕｎｄｏｎｇ ，Ｚｈａｎｇ Ｌｉｐｅｎｇ ，Ｃｕｉ Ｙｕｈａｎｇ
１一Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｓｈｉ￣ｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．（Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，２５２８００，Ｃｈｉｎａ）
２一Ｔｉａｎｊｉｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｏｒｓｉｏｎ ｓｔｉｆｆｎｅＳＳ．Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ
ｔｈｅ ｆｒａｍｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｗｏ—－ｗｈｅｅｌｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅｓ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｅｗ——
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｌａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｌａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｒｅ ａｎ— ｆ
ａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｒｅｓｕｌｔｓ。ｉｔ Ｓ ｃｏｎ—
ｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉＳ ｃｏｒｒｅｃｔ．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｎｓ ｄｕｒｉｎｇ ｓｔｉｆ－
ｎｅｓｓ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｍｅ ｄｅｓｉｆｇｎ．Ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｌａｙ ａ ｇｕｉｄｉｎｇ ｒｏｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ
ｓｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｍｏｄｅｌｓ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔａｒｇｅｔ ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｎｅｓｓ．Ｆｒａｍｅ
ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｄａｔａｂａｓｅ ｏｒｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｍｏｄｅｌｓ ｔｗｏ—ｗｈｅｅｌｅｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｉＳ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｒａｍｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；Ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ；ＦＥＡ；Ｄａｔａｂａｓｅ
引言
车架的结构决定了整车的造型，更重要的是，它
用过程中的所有载荷，作为受力构件，必须有足够的
刚度来保证其装配和使用要求口Ｉ。
另外，两轮电动摩托车运动自由度大，车架刚度
的力学性能决定着整车的动力学特性，尤其对于承
载式车架更是如此。电动摩托车大都采用全承载式
车架结构…，由不同截面形状，不同厚度的薄壁管材
与板壳等焊接而成。承载式车架几乎承受了整车使
过低时，驾驶员在车辆高速行驶时难以控制把手摆动，
车架抵抗变形的能力差，操纵稳定性差，影响转弯时
的安全；车架刚度过高，会使得车辆转弯时对驾驶员
的指令反应迟滞的时间更短，造成过敏性反应，导致
作者简介：朱训栋（１９７２一），男，高级工程师，主要研究方向为车辆底盘及悬架开发。
第４期 朱训栋等：电动两轮摩托车车架刚度研究 ６ｌ
车架的强烈振动，影响骑乘舒适性 Ｉ。因此，控制好
车架的刚度性能指标是车架设计初期的重要任务。
测试系统的动力源，为液压缸提供动力。其构成
主要包括油箱，电磁调压控制阀，油压表，分泵压力
调节阀，油管，行程开关等。
１．２．５控制柜
１车架刚度试验台架设计
１．１试验规划
整个试验的控制系统，保证液压缸按规定动作
执行，实现液压缸的前进与后退与液压站的启停，要
求响应快，可靠性好。
车架刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。两种
工况主要是模拟车辆在弯道上行驶时车轮与地面接
触处所受侧向力（经前又作用到车头管下端）与驾驶
员抵抗车辆倾倒施加在方向把上的力（作用在车头
２电动摩托车车架刚度试验
２．１试验准备
管上端）共同作用的情况。扭转刚度反映的是车架抵
抗扭转变形的能力，弯曲刚度反映的是车架抵抗弯
曲变形的能力。同时．这两种１二况也实现了对车头管
处的强度考核。
针对上述两种典型工况，本文设计‘两种测试Ｔ
况通用支架，采用液压设备加载，用压力传感器控制
２．１．１人员准备
刚度试验需要有多人配合进行，主要完成液压
站与控制柜的控制，作动头与车架之间状态的调
整，拉线位移传感器以及力传感器读数及其他辅助
１二作。
２．１．２拉线位移传感器校准
所加载荷大小，利用位移传感器测量车头管上下中
心的位移。不同测试Ｔ况只需移动一侧液压缸至对
应位置即可。如图１所示。
将位移传感器与其显示仪表连接，通过改变仪
表设置参数来调整位移传感器测试精度。同时，将位
移传感器拉线分３次拉出，每次均拉出不同的长度，
用千分尺测量其长度数值，与仪表实际显示数值进
行对比，使二者间的差值尽可能的小，否则继续改变
仪表设置参数来调整位移传感器测试精度，直至二
者数值基本一致。
２．１＿３液压站和控制柜的调试
试验之前向油箱注入液压油。控制柜通电，启动
油泵，适当调节液压站上的调压阀控制总泵油压，通
罔１车架刚度试验
过控制控制柜上两个油缸的前进／暂停／后退按钮来
校验两个油缸轴前进／暂停／后退的功能。与此同时观
察油缸动作头的趋势是否平稳，若不平稳则关闭油
１．２主要应用设备简介
１．２．１拉线位移传感器
主要用于测试车头管上下两端端面中心点的位
移．．本次试验所需数量为２个，型号为ＫＳＩ５－６００—
００２，其测试量程为６００ ｍｍ，测量精度为０．０５％ＦＳ。
１．２．２压力式力传感器
泵断电，拧开与油缸连接的油管，再打开油泵，给油
缸前进或后退的动作，把油管出油端插入油箱注油
口排出油管内多余的空气，再次将油管和油缸连接，
直至动作头平稳运行。
２．２试验过程
２．２．１ 约束状态
主要用于测试施加在车头管上下两端的载荷的大
小 本次试验所需数量为２个，型号为ＳＴＣ一１ ０００ ｋｇ，
即测试额定载荷为１ ０００ ｋｇ，安全过载１５０％ＦＳ。
１．２．３液压缸
试验过程中车架的约束要求满足车头管下端中
心不许有垂直方向的位移，平叉轴处不许有３个方
向的移动。本次试验采用近似等价的约束方式，即把
车架平又轴孑Ｌ的两端拧紧在定制的刚度比车架大得
作为试验的执行机构，直接完成载荷的施加，
同时在头部安装工装，该＿丁装用于安装压力传感器，
确保压力传感器仅受轴向力的作用。本次试验所需
液压缸数量为２个，型号为ＭＯＢ ５０×１２５，最大油压
为７ ＭＰａ
１．２．４液压站
多的夹具上，并将夹具紧固于ｉ坐标平台，同时借用
图２所示的前后支撑限制车架绕后摇臂轴的旋转。
２．２．２载荷施加
如图３所示，通过安装在通用支架上的液压缸
在车头管上下两端相对施加大小一致的载荷。
６２ 小型内燃机与车辆技术 第４６卷
２．３试验结果
图４是车架刚度测试过程中的变形示意图，扭
车头管上端
转刚度测试时载荷在起始作用－－／Ｊ－，段时间内变形是
前支
车头管下端
坐标平
ｆＪ１ （ ２
装
ａ）扭转刚度 ｂ）弯曲刚度
图４车架扭转刚度与弯曲刚度计算图
绕着车头管中间的某个位置旋转，随着载荷的增加，
旋转中心改变，显示到车头管上就是既有平移又有
旋转，最后达到平衡状态；弯曲刚度测试过程中，两
个力在同一方向施加，因此一开始车头管上就是既
有平移又有旋转，最后达到平衡状态。
车架的扭转刚度与弯曲刚度的计算公式为：
：
式中： 一车架扭转刚度（Ｎ・ｍ）／（。）； 一所施加的载
荷，Ｎ；Ｌ一车头管长度，ｍｍ；Ａｙ。一车头管下端中心位
移，ｍｍ；ＡＴ２一车头管上端中心位移，ｍｍ。
ａ）两侧液压缸一扭转刚度测试
ｃｅ （２）
式中：ＣＢ＿车架弯曲刚度，Ｎ／ｍｍ；
其它同扭转刚度公式。
根据上述计算公式可得出车架的试验刚度数
值，如表ｌ与表２所示。
从表中数据可以看出：
１）扭转刚度测试时位移传感器是相对放置，故
位移数值一正一负；
２）因整个液压系统及各个机械工装之间的配合
同侧液压缸一弯曲刚度测试
存在误差，故车头管上下两端载荷大小并不是完全
一
图３载荷施加
致，差值在３ ｋｇ之内；
表ｌ 扭转刚度测试试验数据
一
缸载荷上端，ｋｇ
８２．Ｏ
二缸载荷下端，Ｉ（
８３．５
上端位移／ｍｍ
－５．７２
下端位移／ａｒｍ
１．５３
车头管长度／ａｒｍ 扭转刚度／（（Ｎ・ｍ）・（。） ）
２７２．５ ２５０
７ｌ
．
８１．０
８２．５
８３．Ｏ
８３．５
－５．７５
－５．７Ｏ
１．５８
１．４９
２７２．５
２７２．５
２４９．６３
２５０－２７
表２弯曲刚度测试试验数据
一
缸载荷上端／ｋｇ
７１．Ｏ
７１．５
７０．０
二缸载荷下端／ｋｇ
６８．５
６９．Ｏ
６８．５
上端位移／ｍｍ
３２．６ｌ
３２．６ｌ
３２．２ｌ
下端位移／ｍｍ
２２．０ｏ
２２．Ｏ１
２１．７３
弯曲刚度／（Ｎ・ｍｍ ）
５０．０７
５０．４２
５０．３３
第４期 朱训栋等：电动两轮摩托车车架刚度研究 ６３
３）试验过程中同一油压状态下，试验数据重复
性较好；
主管越近刚度越大，横向跨度越大刚度也越大，因此
设计初期我们需要注意这些因素的影响，在满足要
求的前提下尽量提高刚度。
４）两种冈０度的计算结果均低于两轮摩托车给出
曲冈０度７０～３５０ Ｎ／ｍｎ】）【７－８Ｉ。
２．４车架刚度影响因素分析
如 ∞ 如 ∞ ４ ４ ３ ３ ２ ２ ∞ ∞ ∞ ∞ 如 ０ ● 如 ４ ４ ∞ ３ ∞ ３ ∞ ２ ∞ ２ ∞ 如 ∞
的车架参考数值（扭转刚度５００ ７００（Ｎ￣ｎｑ）／（。），弯
采用同样的测试方法，对另外两款不同品牌的
车型做车架刚度试验，刚度计算结果如图５所示。可
以看 ，两种刚度均是车型Ⅲ最大，扭转刚度车型Ｉ
与车型Ⅱ相当，弯曲刚度车型Ｉ小于车型Ⅱ。下面从
３款车架的结构上分析刚度影响因素，３款车型如图
６所示，结构参数如表３所示。
型Ｉ
ａ）车型Ｉ
■牟犁Ⅱ
一乍型Ⅲ
车型
ａ）扭转刚度
１ 型Ｉ
●车型Ⅱ
）车型Ⅱ
Ｉ。
●车型Ⅲ
ｃ）车型Ⅲ
图６ ３款车型图
军型
ｂ）弯曲刚度
图５ ３款车架刚度计算结果
车型
表３ ３款车架结构参数
Ｉ Ⅱ Ⅲ
从整体尺寸上看，车型Ⅲ轴距最小，但３款车架
质量相当，从这里我们就可以看出轻量化降成本以
后的影响，车型Ⅲ的刚度最大。另外从安装平叉轴的
纵向距离（ ）／ｍｍ ５５ ９２ ３２
横向距离（ｙ）／ｒａｍ
车架质量／ｋｇ
车架整体尺寸／
（ｍｉｌｌ×ｍｉｌｌ×ｍｍ）
ｌ７５
Ｉ４
６７０
ｌ８４
ｌ５
６００
２５８
Ｉ５
５６５
ｌ ０９０×３ｌ５ Ｘ ｌ １８０ Ｘ ３３５ ｘ ｌ ０５０ Ｘ ３４Ｏ×
钣金件上分析，平叉轴安装中心孔纵向距离离车架
小型内燃机与车辆技术 第４６卷
３电动摩托车车架刚度有限元分析
车架刚度的有限模型如图７所示。采用与试验
状态等同的约束及施载方式，约束后摇臂轴孑Ｌ ６个
方向的自由度，分别在车头管上下端面施加成对载
荷，借助ＮＸ ＮＡＳＴＲＡＮ的ＡＤＶＮＬ６０１，１０６求解类型
求出等价节点沿Ｙ方向的位移，通过上述的计算公
式求出车架的扭转刚度和弯曲刚度。分析结果如图
８ 图９所示。表４为扭转刚度分析数据，表５为弯曲
刚度分析数据。
图８车架位移云图（扭转）
ｍｗ
ｍ＇ｓ■ｍ ｍｔ
Ｓ ●¨一Ｎ＿＿ ｌ 懈
“ｂ“
＿ｏｗ
‘¨． Ｌ．Ｈ－蛳
ｕｆ船一ｒｎｍ
媳ｔ∞ Ｏ∞
ｔ Ｈ ｔｎ Ｙ
Ｏ 帆… ■ ●■■ Ｏ 州 研
图７车架刚度有限元模型
表６为试验与分析数据对比，从表６可以看出：
１）分析所得数值与试验所得数值存在一定的误
差，导致误差产生的原因可能为“计算所用位移为车
头管端点在Ｙ轴（横向）方向的位移，而试验所测位
移因车头管处有变形所以车头管端点的位移并非绝
对意义上的ｙ轴（横向）位移”；
图９车架位移云图（弯曲）
２）弯曲刚度数值比扭转刚度数值误差大，除上
述因素外，还可能因为弯曲试验施加载荷小（弯曲刚
度测试时产生的位移较大，位移过大可能导致车架
发生塑性变形），载荷小即要求油压较低，油压较低
测试过程不是特别稳定可能或多或少地影ｕ６］Ｎ试结
果，因此导致误差叠加；
表４扭转刚度分析数据
一
缸载荷上端／ｋｇ
８２．５
二缸载荷下端／ｋｇ 『 上端位移／ｍｍ ｒ 下端位移／
８３．５ ｌ７，８５９ ３Ｉ．４２７
表５弯曲刚度分析数据
ｆ车头管长度， ｍ 扭转刚度，（（Ｎ・ｎ１）・（。） ）
２１７２．５ ２３７．７４
一
缸载荷上端／ｋｇ
７１
二缸载荷下端／ｋｇ
６８．５
上端位移／ｍｍ
２７．Ｏ３
下端位移／ｒａｍ
ｌ７．７２
弯曲刚度，（Ｎ・ｌＹｌｎｌ ）
６１．１Ｏ
表６试验与分析数据对比
扭转刚度／（（Ｎ・ｍ）・（。） ）
试验数值
２５Ｏ．２
计算数值
２３７．７４
误差／％
４．９
弯曲刚度／（Ｎ・ｍｍ ）
试验数值
５０－２７
计算数值
６１．１
误差，％
２１
第４ 朱训栋等：电动两轮峰托车车架刚度研究
２
３
３）尽管分析 Ｉｊ试验二 之间存在一定的误差．
但ｌＩＪ‘以行ｆｆＩ采川仃限元计 算 设汁初期可以起到较
好的指导作Ｊ｛ｊ
４结论
以电动摩托１ 乍架为研究对象，通过试验与仃
限几分忻卡｝ｊ互验ｉｌ 的方式确定了一套合理的车架刚
度 验方法，为 动摩托 乍架刚度数据库的建设
积累ｒ数据， 助没汁人 新乍型开发前期制定
４
合 的 架川度ｆ１ 值另外，通过车架刚度试验Ｉ『
以 脱乍架产ｒＩｆｒ一敛性的检验（例如 架是否存
明 ｌ 的焊接缺陷等），Ⅱ土是衡 ４．＝架轻量化是 合理
的一个标准一
参考文献
１
—
６
８
做．曙托１ 构没汁『Ｍ１．Ｊ匕 ：人民邮电．…版 ，１９９７
— —址— 业—址— —址—址—址．址儿．址—址— Ｌ—ｉ止儿．Ｓ止—址— 止—址．Ｓ屯．ｓ止—址— 止ｊ止—ｉ —Ｓ也』止 止． ．址
— —
址
ｓ也 ｓ止—址—ｓ止—址．址—＾止儿ｊ止． 止
（上接第５９页）
３．７熄火开关（边撑开关）
熄火）Ｉ＝关（ ｆ殳】８所示）安装后开关挡位要求转
动顺畅，接触石ｒ ；开关应 备防水性能；开关触点
降小大了 １６ ｌ１１、／Ａ，经耐久性试验后，开关触点压
降小犬下６０ ｍＶ／Ａ
～一 彻一一一～一靴 一一 一～一～ 一～ 一 ～一． ～一．， 凇礼一 圳一 一 一¨
一 一 一一～一．一 ～ 一～ 一 一
没 一～ ～ ～一强 孙 一
Ｊ、 用
４结束语
通过对摩托车ｊ ｛停技术的』、 川， Ｉ『以大大地降
低摩托乍的肩动噪，｛ ；同时也ｎ丁以减少在，ｆｉＩＫ 乘
骑时的油耗及排放
摩托车在实现 停控制功能后，随着人ｆ『Ｊ对摩
托车功能要求也越来越多；通过Ｈ前住汽＾＿． 所刖
的新技术，如智能开肩大灯功能、尤钏匙开锁 乍功
能及ＧＰＳ定位功能等都可以运川剑摩托车ｆ 米 当
然，这还需要后期孜孜不倦地对新技术进行研究和
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冬１ ８熄火外火