150摩托车总体设计

设计说明书题 目 150摩托车总体设计 学 院 专 业 学 生 学 号 指导教师 目录摘 要1第1章 绪论11.1 摩托车发展史及产业背景11.2 摩托车设计中的关键部位2第2章 150摩托车总体设计原则与内容及总体布置42.1 摩托车设计要求及原则42.1.1 摩托车的特点与设计要求42.1.2 150摩托车设计原则42.2 150摩托车方案设计52.3 150摩托车总体布置82.3.1 总体布置分块92前下模块M2：M2区为前轮组合，主要布置前轮、前挡泥板、前制动器、前悬架装置等94中下模块M4：M4区为发动机传动系，主要布置发动机、进排气系、传动系及蓄电池等92.3.2 车架与发动机及传动系的匹配与总体布置92.3.3 后轮组合与车架及发动机的匹配122.3.4 150摩托车的前轮组合16150摩托车的前悬架选用正立伸缩管式前叉如图2.18所示16第3章 摩托车设计与计算的力学模型173.1 研究机械振动的基本方法173.1.1 理论分析法173.1.2 建立系统的力学模型173.2 建立运动方程193.3 单自由度振动系统193.4 刚度的定义203.5 振动微分方程203.6 单自由度振系的自由振动213.6.1 无阻尼自由振动213.6.2 有阻尼自由振动23第4章 摩托车减振器的设计与计算254.1 前减震器的设计与计算254.1.1 前减震器工作缸筒主要参数的确定254.2 前减震器工作原理分析304.2.1 前叉减震器的工作原理304.2.2 前叉减震器数学模型的建立314.3 后减震器的设计354.4 后减震器双振动连杆原理分析36第5章 结论与展望40致 谢42参考文献4344摘 要 摩托车现已成为各种年龄、性别、职业的普通百姓的交通代步、娱乐休闲、运动竞赛的工具，以其用途、排量等车型的多样化，满足不同人群的需要时设计的主要要求。我国地域辽阔，道路条件复杂，设计要求摩托车能对各种使用条件有良好的适应性。摩托车零部件涉及到机械、热能动力、空气动力、化学、艺术美学等多门学科，是多门学科的交叉、综合体现。摩托车零部件及总成生产装配均为大批量、专业化生产。设计要求实现产品“三化”，方便零部件配套，方便维修。摩托车是由人直接使用的产品，设计要以“人”为本、美化环境、交通安全、减小污染、节约能源，并具有时代特点。根据相关的国家政策和规定，考虑市场需求和使用用户的要求，参照同类型150车型的国内外资料，对150摩托车总体设计任务进行研究分析，按150摩托车的用途、使用条件、经济条件及生产条件，从全局出发正确地选择整车型式及主要技术参数，各总成结构型式及参数，并进行合理布置。此次设计的研究重点主要是摩托车车架的确定，和前后减震器的设计选型和计算分析。 关键字：150摩托车，总体设计，摩托车车架，前后减震器ABSTRACTMotorcycle has become all kinds of age, sex, occupation of ordinary people traffic instead of walking,entertainment and leisure, sports competition tools.With its use, the displacement and other types of diversity, meet the needs of different people in the design of the main requirements.Our country region is vast, road condition is complex, the design requirements of all kinds of motorcycle can use conditions have good adaptability.The motorcycle parts related to mechanical, thermal energy and power, air power, chemical, art aesthetics multi-discipline, is the multi-discipline crossover, comprehensive embodiment.The motorcycle parts and assemblies production assembly are mass, professional production.The design requirements of products three, convenient parts form a complete set, convenient maintenance.Motorcycle is by the person directly use the product, design with people for this, and beautify the environment, traffic safety, reduce the pollution, save the energy, and has the time characteristics.According to relevant state policies and regulations, consider the market demand and use the requirements of the customers,with reference to the same type of car 150 information at home and abroad, to 150 the overall design task of research and analysis,according to 150 of the motorcycle utility, use conditions, economic conditions and production conditions,from the overall situation choose the right vehicle type and main technical parameters of the assembly structure type and parameters and reasonable decorate.The design of the main emphasis in the study is to determine the motorcycle bodywork, before and after the shock absorber design selection and calculation and analysis.KEY WORD: 150 motorcycle,the overall design,motorcycle bodywork，before and after shock absorbers第1章 绪论1.1 摩托车发展史及产业背景摩托车因其快捷、轻便、舒适、美观以及适应性强、驾驶简便、维修容易、价格低廉等特点，已成为当代社会重要而普及的交通工具。世人公认的首辆摩托车是德国工程师哥特里布.戴姆勒于1885年发明的。该车装有单缸汽油机，时速可达12KM/h。发动机排量264mL功率0.37kw，转速600r/min随后意大利人埃里克.拜那特于1893年研制成功了以四冲程汽油机机为动力的摩托车。1894年赫德普拉和乌甫苗拉研制成功了以水冷汽油机为动力的摩托车，该车的发动机为水平并列的双缸四冲程水冷汽油机，排量为1488mL功率为1.84kw19世纪末到20世纪初，是世界摩托车工业崛起的时期。欧美诸国先后建立了自己的摩托车生产厂，开始批量生产摩托车并投放市场，如德国宝马和美国哈雷摩托都是当时比较流行的摩托车。在此期间，各国对摩托车的发动机、车架、车胎以及传动方式进行了各种各样的改进设计。发动机从立式单缸发展到V型双缸、直列四缸以及星形、扇形、水平对置多缸等。发动机在车架上的布置出现了多种多样的形式。装有缓冲减震装置，防滑充气轮胎及轴传动的摩托车也相继问世。第一次世界大战后，摩托车产品有了较大的改进，例如结构、性能、品种、功能有了很大的提高与改进。德国著名的摩托车制造商BMW首先推出了装有水冷发动机的大型摩托车。以此为先导，采用弹簧减震机构的大排量，大功率摩托车，在欧美地区一些国家得到迅速发展。二次世界大战前后，摩托车设计主要改进是：采用双向伸缩管式避振前叉和整体式变速器结构；扩大发动机排量和功率范围。60年代后，日本引进欧美先进技术，大力发展二冲程 、四冲程小排量摩托车，并逐步挤入国际市场。由于日本的摩托车产品具有体积小、质量轻、紧凑美观和省油价廉等优点，受到各阶层人士的普遍欢迎，加速了摩托车的普及和发展。我国摩托车工业起步较晚。1951年7月中国人民解放军第六汽车修配厂测绘了德国纯达普500mL边三轮摩托车，生产了我国第一批500mL井冈山边三轮摩托车。1957年湘江机械厂和洪都机械厂联合仿制了苏联M72型摩托车，在此基础上生产了长江750型边三轮摩托车。1958年洪都机械厂和北京摩托车厂仿制了捷克斯洛伐克JAWA250型边三轮摩托车。1960年上海摩托车厂在此基础上改进试制成功了新幸福250型两轮摩托车。1978年，当改革开放的第一股春风吹遍神州大地的时候，那时的中国现代摩托车工业才开始蹒跚起步，三十年间，中国摩托车工业经历了从无到有、由小到大的嬗变，迅速在世界摩托车工业中崛起;“星星之火”终成“燎原之势”，三十年的锤炼，铸成了世界第一摩托车产销大国中国。从当初的年产几万辆，到2007年行业产销双双突破2500万辆;从当初无从谈起的出口，到2007年出口突破800万辆，中国摩托车工业在国际市场上占据了重要的一席之地。目前，全国有独立产品、目录通告的整车企业100多家，零部件骨干企业800多家，摩托车及行业相关从业人员超过1000万，形成了体系完善、具有年产3000万辆以上中小排量产品能力，具有一定技术比较优势的生产、技术、研发、营销、服务体系。其中，出现了嘉陵、建设、大长江、钱江、力帆、宗申、隆鑫、轻骑等等一大批享誉国内、扬名海外的中国摩托车名企，让世界看到了中国摩托车工业的力量!目前，我国摩托车不论是在排量结构上，还是在产品技术上，都已经达到了世界摩托车技术发展的平均水平。但与日本以及美国欧洲诸国在造型设计、悬挂设计上的差距依然很大。从20世纪20年代至今，摩托车技术和产品都有了长足的进步，摩托车工业更是飞速发展。在现代摩托车技术中，双进气和可调式进排气系统、共振消声器、控制进气的旋转阀、电起动、多气门和气门转换系统、园盘制动器、铝合金车轮、水冷和油冷、无触点点火系统、齿状带传动和轴传动、无极变速传动装置、涡轮增压、电子控制以及盒式车驾及渐进式单减振后悬架等新技术、新设计层出比穷，使现代摩托车日臻完善。1.2 摩托车设计中的关键部位一辆好的摩托车必然在动力性、操作稳定性、安全性、乘坐舒适性上有很高的要求。其关键设计部位将主要集中在车架与悬挂的设计上。两轮摩托车，其发动机排量从50的家庭用车到500的大型旅游车。对于悬挂装置，根据不同排量、不同用途车辆的要求，其设计方法各有不同，但又存在有共同的侧重点，即前后悬挂的设计。（1） 前悬挂：1一部分家用车、坐式车的前悬挂仍采用底部杠杆式前叉，但结构上有新的发展。目前边三轮摩托车也广泛采用这种前悬挂装置。2大部分两轮车还是采用液压式伸缩筒式前叉，除了要求完全吸收较大的冲击、提高结构刚度外，最后采用经聚四氟乙烯处理的金属套筒用作滑动表面，大大地减小了伸缩筒运动时产生的摩擦3两轮车增大车轮行程就具有良好的舒适性，最近前叉行程增大为140180mm，越野车可达300mm左有，且具有降低弹簧刚度、阻尼力的倾向，向提高稳定性的方向发展。4当然在不增大车轮运动行程，两轮车在一人或二人乘坐的不同载荷条件下，车体下沉量是不同的。特别是制动时由于重心前移，车体姿势变化更大。采用空气调节式的油气悬挂装置或抗“点头”装置的悬挂装置，可有效地防止紧急制动时的车体前倾变化。（2） 后悬挂：1一般两轮车都采用摇臂式后悬挂装置，具有结构简单，对驱动力的影响小，车轮运动行程大等许多优点。摇臂的转动中心以前装有橡胶衬套，最近的大型两轮车已安装滚针或圆锥滚子轴承，减少了摇动时的摩擦力，也防止了由于驱动力压力面的烧蚀现象，提高了后悬挂的免维修性。2同理，后轮运动行程的增大，使得越野车已经普遍采用的单减震系统也广泛用于公路和赛车，提高了车辆行驶的稳定性和乘坐舒适性。3两轮车高速化的倾向，要求其悬挂装置产生的衰减力稳定化。采用了高压氮气封闭在内的油气式减震器，具有高灵敏度的随动性的优点及稳定的减震性能。4鉴于对高速性能的行驶稳定性和乘坐舒适性两方面的要求，采用装有根据载荷状态调节衰减力的装置的减震系统，在高速行驶时调至较高的衰减力，很容易得到高速行驶稳定性；在平常行驶时，调至较低的衰减力，即可得到较好的乘坐舒适性，为了补偿车体姿势的变化，开始采用了具有内藏式车身高度调节机能的减震系统。5最近采用的金属弹簧和空气压力并用的空气悬挂装置，随着车轮运动行程增大，伴随着载重的增减引起的车身高度急剧变化，也可用调整空气压力简单地进行调节，空气和金属弹簧并用的空气悬挂装置，还具有在行程的前一半柔和，后一半急增的理想的弹簧特性，所以使乘坐更加柔软舒适。由此可见悬挂对整车的行驶平顺性、操纵稳定性、乘骑的舒适性等有着很大的影响，尤其是悬挂装置中的减震器是悬挂装置设计的核心部位，减震器设计的成败关乎摩托车的安全性与乘坐舒适性，所以在以后的章节中主要进行减震器的设计计算，其余部件将参考同类车型予以选择不再进行详细计算与校核。第2章 150摩托车总体设计原则与内容及总体布置2.1 摩托车设计要求及原则2.1.1 摩托车的特点与设计要求150摩托车在国内外属经典车型，所以在设计时需考虑一下要求(1) 满足中青年消费者的要求(2) 适应我国地域辽阔，道路条件复杂的要求，摩托车能对各种使用条件有良好的适应性。(3) 多学科综合体现的要求：摩托车零部件涉及到机械、热能动力、空气动力、化学、艺术美学等多门学科，是多门学科的交叉、综合体现。设计要求综合运用、扬长避短。(4) 大批量、专业化生产的要求：摩托车零部件及总成生产装配均为大批量、专业化生产。设计要求实现产品“三化”，方便零部件配套，方便维修。(5) 与社会和时代文化相适应的要求：150摩托车的消费群体主要以中青年为主，城乡为主体，设计时要以“人”为本、集动力性、耐久性、可靠性、舒适性等优越性能与一体，当然还有交通安全、减小污染、节约能源的特点。2.1.2 150摩托车设计原则150摩托车设计成功与否的关键在于满足以下原则(1) 实用使用性能的先进性：动力性、操作稳定性、安全性、乘坐舒适性、维修方便性结构工艺的合理性：结构简单、合理、工艺性良好环境指标先进性：噪声、有害物排放量低、噪声排放控制成本低产品可靠性：运行可靠、故障率低、使用寿命长人机系统良好：操纵方便、乘坐舒适(2) 经济设计、制造、使用、维修等成本低(3) 美观造型新、比列协调、色彩宜人的艺术形象2.2 150摩托车方案设计(1) 根据以上要求对150摩托车进行初步的方案设计如图2.1所示 2.1a摩托车总体布置图图21b摩托车总体布置图图2.1c摩托车总体布置图(2) 150摩托车的基本性能参数如表2-1所示表2-1尺寸净重长L宽B高H2028mm600mm1035mm轴距L11295mm最小离地间隙H1182mm座高H9863mm坐垫有效面积长L6720前转向灯光源中心宽B3353mm后转向灯光源中心宽B4328mm后视镜中心离地高H61200mm前转向指示灯高度H4751mm后转向指示灯高度H5642mm通过角40接近角90离去角58倾斜角47净重120kg发动机型式、气缸数四冲程、水冷、单缸缸径行程60mm55.6mm总排量149mL起动方式电起动、脚踏并用最大功率9KW最大转矩13.5N.m传动装置离合器变速器变速方式初级减速终极减速湿式多片5档常啮合循环式左脚操纵3.2853.466齿轮速比第1档第2档第3档第4档第5档2.6361.7331.3001.0500.833行车系统前悬架减震器结构筒式减震器前悬304mm后悬架双弹簧多段可调节式减震器后悬429mm前叉后倾角28前伸距123mm后减震装置安装倾角15最小转弯半径2000mm轮胎规格/气压前轮2.75-18-4PR/(175225kpa)后轮3.00-18-4PR/(225275kpa)操纵制动前制动器机械鼓式、手操纵后制动器双活塞卡钳钻孔式通风盘、脚操纵电气系统点火方式蓄电池点火火花塞国产：4198J蓄电池型号/容量12N7-3B/(12V-7Ah)熔丝15A前照灯12V 35W/35W尾灯/制动灯12V 5W/21W转向信号灯12V 10W转向信号指示灯12V 3W仪表照明灯12V 3W空档指示灯12V 3W远光指示灯12V 3W油料燃油箱总容量14L备用2L发动机机油容量1.0L前叉减震油容量0.159L2.3 150摩托车总体布置摩托车总体布置就是分析评价方案设计；合理布排主要零部件，明确其主要结构尺寸；考虑各主要零部件之间的空间关系及链接尺寸；基本布排主要零部件后，进行总体造型设计，明确其基本形态；并把这些内容表达在总布置方案图上。 结合以上摩托车的方案设计，150摩托车总体布置如下图3.2所示图3.2总体布置分块2.3.1 总体布置分块如上图3.2所示摩托车总布置分解成6大模块，以车架为骨架将六个模块结合起来六个模块组成如下：1前上模块M1：M1区为操纵与显示系，主要布置导流罩、仪表板、后视镜、前灯具组以及转向把等2前下模块M2：M2区为前轮组合，主要布置前轮、前挡泥板、前制动器、前悬架装置等3中上模块M3：M3区为供油系，主要布置油箱及其附件等4中下模块M4：M4区为发动机传动系，主要布置发动机、进排气系、传动系及蓄电池等5后上模块M5：M5区为乘坐组合，主要布置坐垫、后灯具、货架等6后下模块M6：M6区为后轮组合，主要布置后轮、后挡泥板、后制动器、后悬架装置及二次传动系2.3.2 车架与发动机及传动系的匹配与总体布置车架承受发动机、油箱、乘员以及载货架连接悬挂装置、操作装置、电器零件及弯管覆盖件等载重。车架除有合理结构，足够的强度，适度的刚度以承受各种力与振动外，由车型、发动机类型及主要零部件的匹配方案可构成不同的车架结构形式。目前摩托车车架的型式主要有三大类：主梁托架式车架、菱形式车架及主梁式车架。车架种类1) 托架式车架托架式车架又称摇篮式车架，形似摇篮，这种车架也属空间结构形式，发动机横置在摇篮形中，由于发动机下面有钢管支承，对发动机能起保护作用，所以需对越野车用此类车架。（1） 单下管托架式车架如图2.3所示，结构简单，由下管、底管、主管组成的摇篮部分安装发动机。车架受到来自路面的振动和冲击时，不会引起发动机变形，具有对曲轴箱的刚度要求相对较低的优点。这种车架多为大排量单缸机摩托车和越野车使用。图2.3单下管摇篮式车架（2） 叉型下管托架车架如图3.4所示，由单下管摇篮式车架发展而来，车架的下管自中部以下分为两根。提高了车架的强度和刚度，适用于小排量赛车和普通越野车。 图2.4叉型下管摇篮式车架（3） 双下管托架式车架如图3.5所示，由单下管摇篮式车架发展而来，车架的下管为两根，大大提高了车架的强度、刚度。主要应用于中等排量以上的赛车图2.5双下管摇篮式车架2) 跨接菱形式车架跨接菱形式车架形似砖石状，因此又称砖石车架，这种车架属于空间结构形式，发动机横置在砖石形内，作为车架的一个支承点，能增加车架的强度和刚度，道路竞赛摩托车应用较多，目前也广泛应用于大量中小排量车型中，如图2.6所示图2.6跨接菱形式车架3） 脊梁式车架脊梁式车架也称脊骨型车架，是用一根或两根主梁做脊骨车架，这种车架结构较简单，应用较广泛，多用于中、小排量摩托车。图2.7脊梁式车架4） 低跨式车架低跨式车架在转向立管和车座之间，车架的主梁向下弯曲形成一个适当的空间，邮箱安排在车座下面，用来实现上下摩托车容易的目的。5） 组合摇臂式车架这种车架与前几类车架不同，发动机不是直接安装在车架上，而是把发动机，后悬架和驱动装置组合成一个刚性整体，在发动机曲轴箱上设置有铰接点与车架铰接成一个组合摇臂。这种形式的车架没有单独的后摇架，在行驶过程中发动机相对于车架随后减震器的伸缩而摆动.根据其结构不同又可分为一根钢管型的组合摇臂式车架、側梁为钢管的组合摇臂式车架、側梁由钢板构成的组合摇臂式车架、尾部由两层梁组成的组合摇臂式车架。组合摇臂式车架主要应用于踏板摩托车，其中一根钢管型的组合摇臂式车架主要用于轻便型摩托车，尾部由两层梁组成的组合摇臂式车架主要用于大排量摩托车，如图2.8所示。图2.8组合摇臂式车架6） 桁架结构的摩托车车架桁架结构的车架造型简单，空间布置方便，大大减轻车架质量，但车架的受力分析需要经过严格的计算，保证车架有足够的刚度和强度。这种车架对生产工艺水平要求高车架的选择综合所述，摩托车车架是一个承受空间力的构件，150摩托车在行驶过程中主要有车架的装在车架上所有零件所产生的作用力，乘员和运载货物的作用力，在设计时充分考虑到强度和刚度的要求，由于所设计的150摩托车行驶时的受力情况十分复杂，工作条件恶劣，选择菱形式车架作为150摩托车的车架，这种车架结构简单，对驱动力的影响小，车轮运动行程大等许多优点。如图3-9所示。 图2.9跨越式菱形式车架 2.3.3 后轮组合与车架及发动机的匹配完成车架与发动机的匹配之后进行后轮组合M6区的布置。主要选择和安排的有后摇架、后减震器、后轮传动。1） 后悬架装置的选配与总体布置后悬架装置包括摇架和后减震器。后摇架承受后轮的负荷，向后减震器传递冲击力；并使后轴保持纵向垂直和横向水平位置，所以后摇架需要较好的抗扭转刚性后减震器主要起支撑车体，吸收、衰减振动的作用。目前市面上后悬架的基本形式与布置方式主要有以下几种（1） 双减震器系统长期以来，受拉亚的带有双弹性减震元件的双摇臂式后悬架装置应用最广泛，双摇臂支承着两个缓冲装置，平衡性良好；缓冲装置靠近后车轴，但负荷小，因为活塞速度快，所以即使使用小直径的减震器也可以，有质量小，略有杠杆发达作用。有一个缺点就是不能消除两个减振器引起的作用不平衡的问题。如图2.10所示图2.10双减震器系统1-车架；2-后摇臂；3-后减震器（2） 单减震器系统为避免左右受力、弹性、阻尼力不均等缺点，图2.11a所示，减震器前端固定在车架前部，后端通过杠杆组件与后臂铰连，受冲击力平衡，良好的操作稳定性。a b图2.11单减震器系统（3） 渐进连杆式渐进式连杆系统在不断增加离地间隙和缓冲行程的情况下，利用杠杆放大作用，以增大后轮的缓冲行程。零件集中在车体重心附近因此冲击动量小，改善了整车的操作稳定性能，但制造精度要求高等缺点。渐进式连杆系统分为上连杆系统和下连杆系统。上连杆系统其中又有川崎上连杆系统、铃木连杆系统、雅马哈单臂后悬挂式1. 川崎上连杆系统。如图2.12所示 图2.12川崎上连杆系统2雅马哈下连杆系统 图2.13雅马哈下连杆系统3铃木连杆系统图2.14铃木连杆系统铃木连杆系统其后轮振摆的行程越大，减振器活塞的速度就越快，衰减作用也越大4单臂摇式后悬挂装置图2.15单臂式后悬挂装置单臂摇架式后悬挂其右侧空间大，拆装轮胎方便，常被赛车所采用，但它的横向刚度较差，如本田VFR750F摩托车就采用这种结构。4整体式后悬挂装置整体式后悬挂数据是将发动机曲轴箱与后摇架制成一体，并兼做传动箱体用于式种结构刚度好，成本低，车轮拆装比较方便，适用于小型低速车。图2.16整体式后悬挂装置 根据市场所需，以及参考同类车型，选择双减震器系统为150摩托车的后悬挂装置。如图2.17所示，这种左右两边都布置后减震器的悬架装置，提高了悬架装置的刚度与强度。 图2.17双减震器后悬挂装置 2.3.4 150摩托车的前轮组合150摩托车的前轮组合主要是前叉的组合，前叉是摩托车行进导向机构的一部分，它主要有上、下联板和前减震器等机件组合而成。前叉的重要机件是前减震器，它有两种形式。伸缩管式是摩托车最常用的形式，这是由于结构简洁，缓冲行程长，吸收振动好的缘故；杠杆式常用于坐式车和轻便型车上。150摩托车的前悬架选用正立伸缩管式前叉如图2.18所示图2.18正立型伸缩筒式前叉第3章 摩托车设计与计算的力学模型3.1 研究机械振动的基本方法3.1.1 理论分析法从振动分析观点看，即使是一台较简单的机器，其系统也是很复杂的，它所使用的是质点动力学的方法。振动分析的第一步，也是关键的一步，就是把所研究的对象以及外界对它的作用简化为一个既简单又能在动态特性方面与原来的研究对象等效的力学模型。3.1.2 建立系统的力学模型实际机器或结构元件的质量是分布的，弹性也是如此。这种分布参数系统(或称为连续系统)往往不能按照解析法求解，所以，将实际上是分布参数的系统简化成离散系统，也就是简化成具有若干集中质量井由相应的弹簧和阻尼器联结在一起的系统。下面将弹簧、阻尼器和质量的特性予以说明。（1） 弹簧弹簧是表示力与位移关系的元件。在力学模型中，它被抽象为元质量并具有线弹性的元件。这就是说，若它的一端受一作用力凡，则它的另一端必产生一大小与相等、方向与之相反的力，力的大小与弹簧两端点的相对位移成正比(图 2. 1a) 式（3.1）式中 ：比例常数，称弹簧刚度; ，弹簧两端点的位移。图3.1振动系统元件式(2.1)中表示的是直线位移的弹簧。(2) 阻尼器阻尼器是表示力与速度关系的元件。力学模型中，它被抽象为无质量而且具有线性阻尼系数的元件。若它的一端受力的作用，则它的另一端必产生一大小相等、方向相反的力。这个力称为阻尼力，其大小与阻尼器两端的相对速度成正比(图3.1b) 式（3.2）式中 ：比例常数，称为阻尼系数;，分别为阻尼器两端的速度。根据式(2.2)阻尼力与相对速度的一次方成正比，因为粘性阻尼具有这种关系，系数又称为粘性阻尼系数。(3)质量质量是表示力和加速度关系的元件。在力学模型中，它被抽象为绝对不变形的刚体。若对质量施加一个作用力，质量就会产生一个与方向相同的加速度，对于直线的平移运动，如图2.1(c)所示，力与加速度的关系为 式(3.3)式中，为比例常数，它是刚体所具有的惯性的一种度量，称为刚体的质量。图2.2是用上述基本要素表示的单自由度系统。其中，图3.2(a)是一个平移系统，即质量作直线移动，弹簧为线形弹簧;图2.2(b)是扭转系统，扭转弹簧用细轴表示，质量用转动惯量J表示，位移用角位移v表示，作用力用转矩T(t)表示。图3.2单自由度系统下面将摩托车振动系统简化为如2.3图所示（a） （b）图3.3摩托车振动系统模型当摩托车前、后轴悬架质量分配达到一定值时，前、后悬架系统的垂直振动儿乎是独立的。于是可以将摩托车进一步简化为如图3.3(a)所示的车身和车轮两个自由度振动系统。为簧载(车身)质量，为非簧载(车轮)质量，分析平顺性时，只考虑两个质量的垂直自由度。在远离车轮部分，其固有频率在较低激振频率范围，轮胎动变形很小，忽略其弹性和轮胎质量，就得到如图3.3(b)所示分析车身垂直振动的最简单的单质量系统。3.2 建立运动方程对所确定的振动系统中的每个物体作隔离体进行受力分析，由牛顿第二定律或达朗贝尔原理建立运动微分方程。在某些情况下，受力分析较困难，可以采用能量法如拉格朗日方程来建立运动微分方程，通过求解运动微分方程得到系统的响应，掌握振动规律，也就是得到振系的物理量如位移、速度、加速度等随时间t的变化规律，还可以通过运动方程得到系统的特征方程或频率方程，从而求出系统的固有频率、振动模态等，这样就可以设法抑制由振动带来的危害，从而更好地利用振动有利的一面。3.3 单自由度振动系统单自由度振动系统指的是在振动过程中，振系的任一瞬间形态由一个独立坐标即可确定的系统。单自由度振系是振动分析中最简单的一种，因为它只需要一个坐标就能完整地描述其运动规律。某些实际系统之所以可以简化成单自由度振系，或者是因为系统本身很简单，例如，钟摆;或者是因为实际振系分析精度要求、研究目的所限，例如，在不平路面激励作用下，只研究摩托车车身的垂直振动，其他质量和其他方向的振动忽略不计，就可以把摩托车车这样一个复杂的振动系统简化成一个单自由度振系。在前面己提到质量、弹性、阻尼和激励是振动系统的四大要素，从实际的机械简化出理想的力学模型若要确切反映其物理过程的话，就要确定这四个要素。对于单自由度振系也要确定系统的质量参数、刚度参数和阻尼参数，并按照一定的方法来研究单自由度振系在不同激励下的运动规律。图3.4中所举的例子都是典型的单自由度振动系统。图3.4所示的弹簧质量系统中，质量m只限于在垂直方向振动，只需要一个坐标x(t)即可确定其几何位置。图中，弹簧可以看成只有刚度而无质量，而质量m则只有质量而无弹性和无尺寸。今后在讨论时常常采用这种简化模型。图3.4单自由度振动系统3.4 刚度的定义弹性元件的刚度在振动问题中具有特定的含义，通常以k或kt等符号代表。使系统的某点沿指定方向产生单位位移(线位移或角位移)时，在该点同-方向上所要施加的力(或力矩)，就称为系统在该点沿指定方向的刚度。按照刚度的定义，设参考点施加广义力F时产生的广义位移为x，则刚度可表示为3.5 振动微分方程求解振动问题关键在于建立描述系统运动的振动微分方程。运动微分方程有几种建立方法，这里主要讨论两种。其方法可遵循以下步骤: 建立力学模型、取隔离体、进行受力分析、应用牛顿第二定律或来建立微分方程，分别为惯量力和惯性力矩。工程上一些简单振动问题，有时可简化成如图3.5(a)所示的单自由度弹簧-质量系统。在激振力f（t）作用下，要求系统的运动微分方程，首先取隔离体，然后分析隔离体上的受力情况，如图2.5(b)所示。图3.5振动系统的隔离体受力分析其中，代表质量块的初始静位移。将坐标原点设在系统静平衡位置，按照牛顿第二定律可得因为，所以，质量块运动微分方程为 式（3.4）从上列方程可见，当坐标原点置于系统静平衡位置时，方程中不出现重力项。式中的外界激振力f(t)代表各种激励。若f(t)=0，运动方程为齐次微分方程，则系统作自由振动;若f(t)是正弦或余弦函数，则系统作简谐激振力的强迫振动。3.6 单自由度振系的自由振动工程上的一些简单振动问题，常可以简化成图2.5那样的单自由度弹簧-质量系统。式(2.4)为单自由度振系受外力作用下的运动微分方程。若外界激振力f(t)=0，系统仅在初始时受到外界干扰，靠系统本身的固有特性进行的振动，称为自由振动。单自由度振动系统自由振动的微分方程为3.6.1 无阻尼自由振动当系统的阻尼很小，阻尼可忽略不计，则C=0，如图2.6所示的无阻尼单自由度振系，其自由振动运动微分方程为 式（3.5）令，则方程为 式（3.6）图3.6单自由度无阻尼振系设解的形式为，则，代入式（3.6）得此式又称为特征方程，；方程式（3.6）的通解为 设系统初始条件为t=0时，代入上式得所以得系统无阻尼自由振动的解为 式（3.7）将解的形式写成其中，系统无阻尼自由振动的几个要素为振幅 取决于初始条件；相位 取决于初始条件及系统本身特性；固有圆频率 取决于系统特性，与初始条件无关；固有频率 取决于系统特性，与初始条件无关；固有周期 取决于系统特性，与初始条件无关。由此可见，单自由度系统的无阻尼自由振动是一种简谐振动。3.6.2 有阻尼自由振动如图3.7所示单自由度阻尼振动系统，前面已经得到自由振动的运动微分方程，即图3.7单自由度有阻尼振系将上式写为 其中，称为衰减系数，定义，称为相对阻尼系数，是表示阻尼大小的一个无量纲的量。所以运动微分方程可写为该微分方程的通解为 式（3.8）其中，与为由初始条件确定的常数。由于的值不同，根式可能为虚数，实数或零，相应地通解式（3.8）有三种不同的情况1当时称为过阻尼它所表示的运动是按指数规律衰减的非周期性蠕动。根据不同的初始条件，运动具有如图2.8所示的相应曲线图3.8过阻尼 图3.9临界阻尼2当为临界阻尼它所表示的是非周期性的。根据不同的初始条件可画出3.9所示的相应曲线3当时，称为弱阻尼它随时间作按指数衰减的振动。当t趋近于无穷大，x趋近于0时，振动终将完全消失，如图3.10所示图3.10弱阻尼阻尼对自由振动有以下两个方面的影响1）阻尼使系统的周期略有增大2）阻尼使系统的振幅按几何级数衰减设相邻两振幅分别为和见图3.11，它们的比值为，称为减幅系数，为衰减系数。越大表示阻尼越大，振幅衰减也就越大第4章 摩托车减振器的设计与计算4.1 前减震器的设计与计算4.1.1 前减震器工作缸筒主要参数的确定1）工作缸筒尺寸根据减震器的最大卸荷力和缸筒内最大压力强度来计算工作缸筒直径： 式(4.1)式中： 活塞复原行程最大阻力，N;工作缸筒内最大允许压力，一般取=（0.30.6）；活塞杆直径与工作缸筒内径之比；双筒式，=0.40.5；单筒式=0.30-0.35；为活塞上下两端面的液体压力差，其受力分析图如图4.1所示 图4.1活塞复原行程受力图故的表达式为： 式（4.2）式中：活塞直径，mm;活塞杆直径，mm；油液通过一定面积的量孔或沟槽时产生的压力差根据减震器的速度特性可知的另一种表达式为： 式（4.3）式中：阻尼系数；减震活塞的速度，最大值为1m/s；根据式（4.2）可知要求需先计算出；为油液通过一定面积的量孔时产生的压力差其具体计算方法如(4.4)式所示 （） 式（4.4）式中：减震器油液的密度，；流量系数，、活塞面积、运动速度小孔截面积；根据以上计算公式的定义必须首先确定活塞直径、活塞杆直径、，根据生产经验及现有产品可确定值为30mm，值为10mm、值为，值为0.7，值根据圆面积计算公式求得为，由于为复原行程最大力根据减震器速度特性可知值为1m/s，为小孔截面积，根据生产经验及设计经验小孔的孔径为5mm。则有式（4.4）、（4.2）、（4.1）可得 由于减震器属于标准件，为了方便生产与维修将减震器工作筒直径确定为30mm2）活塞基本参数尺寸的确定以上计算活塞的直径已经确定为30mm，高度为10mm，活塞外圆柱面的粗糙度是密封性能的保证，一般要求不低于Ra0.2 m。减震器活塞杆主要承受来至活塞和接头的压缩和拉伸载荷必须有足够的强度和刚度。活塞杆直径，常用612mm。我们选取活塞杆直径d为10mm选用45号钢，调质及表面高频处理。硬度为HRC1832，表面镀铬，镀铬层硬度为HRC3055。其壁厚根据生产经验及标准件可确定为1.2mm。一方面要求活塞在缸筒内能自由运动，另一方面要求油液不能在其间隙之间流动，可靠的密封才有一定的阻尼力，因此其配合间隙则是影响减震器工作性能的重要因素，其配合间隙选择在0.050.10mm。活塞的阻尼油孔数和直径大小，直接影响其阻尼系数，孔数为8个，孔径为1.6mm。 3）前减震器长度尺寸的确定摩托车减震器和弹簧组合为一体，行程为40110mm，参考表4-1及同类车型摩托车选定150摩托车前减震器的工作行程为100mm，基长为665mm，最大拉伸长度为735mm，工作缸筒长度为310mm，贮油筒直径为38mm表4-1工作缸筒缸径及行程前减震器发动机排量（）通用车工作行程缸径50901001257090901002425250500100120303960075010012080010001201404.1.2 前减震器弹簧参数的确定与计算1.圆柱弹簧的主要参数及几何尺寸确定如图4.2所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d、弹簧圈外径D、弹簧圈内径D1，弹簧圈中径D2，节距t、螺旋升角、自由长度等。图4.2弹簧的结构尺寸2.弹簧参数的计算 弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C是最重要的参数之一。，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表4-2。表4-2弹簧指数弹簧丝直径d（mm）0.20.40.511.12.22.567161840弹簧指数C7145125104104846根据上表我们选取簧