 以某款越野摩托车铝合金车架作为案例 , 在剖析了原车架易发生裂纹而导致失效的成因后 , 在结构上采取仿生设计 , 通过借鉴大自然中某些动物的骨骼结构对原车架进行再设计 , 成功地解决了原车架易产生裂纹的毛病 , 从而充分展示了仿生学的魅力越野摩托车的使用工况非常复杂 , 不仅行驶的道路凹凸不平 , 而且还要承受高空跳跃与急剧转弯 , 因此越野摩托车必须要达到高抗冲击和强耐疲劳的要求。 显而易见 , 车架作为越野摩托车的核心零部件 , 承受着各种最主要的冲击力 , 故其设计首先应考虑有足够的强度与刚性 ; 其次 , 越野摩托车的操纵必须灵活轻盈 , 因此轻量化也是其追求的主要设计目标之一。换言之 , 设计并制造出既轻巧又具有高强度的车架是提升越野摩托车技术含量的关键之一。 为了满足越野摩托车的特殊使用要求 , 近年来出现了全铝合金越野摩托车车架 , 世界一些著名越野摩托车制造商如奥地利的 KTM 、美国的 BBR 和 SDG 等公司就纷纷推出配装全铝合金车架的越野摩托车 , 其市场售价高出传统钢制车架越野摩托车售价的一倍以上。在国内 , 江门市硕普科技开发有限公司与五邑大学摩托车技术研究中心紧密合作 , 成功地掌握了全铝合金车架设计与制造的核心技术 , 其产品现已畅销欧美市场。 在全铝合金越野摩托车车架的开发过程中 , 采取了许多措施 , 包括从结构上引入仿生设计 , 最终较好地解决了车架容易产生裂纹这一难题。 全铝合金车架简介:1. 1 工艺特点与钢制车架相比 , 铝合金车架的最大优势就是重量轻。但是 , 铝合金车架也存在有明显的缺陷 , 那就是作为越野摩托车来说 , 它的刚性和强度较钢制车架弱 , 因此必须从结构设计及制造工艺上采取一些补救措施 , 以弥补其弱项并发挥其强项。所研制的越野摩托车铝合金车架选用 6061 铝合金材料 ,车架采用钨极惰性气体保护焊 (TIG) 。由于铝合金存在散热快和易变形等特点 , 因此焊接难度较大。经反复探索 , 最终决定采用多孔喷射氩气保护焊接的工艺方案 , 该工艺方法可以有效地防止空气中的氢渗入 , 从而保证了焊接部位的金相组织。焊接后 , 对整副车架进行 T4 - T6 处理 , 以产生时效强化作用。 1. 2 产生裂纹的原因及分析全铝合金车架经过焊接、校形和 T4 - T6 处理后 , 接着做超声探伤检查 , 在确认无裂纹后再进行 装 车 路 试。然而 , 在最初生产的一批车架当中 ,见图 1, 发现有相当数量的车架在路试或者在使用的过程中产生了比较严重的裂纹 , 裂纹的实例见图 2 。上述裂纹的产生直接导致了车架失效 , 其事后补救的代价很大。 经过分析 ,认为产生裂纹的原因主要有 2 个 :一个是铝合金焊缝堆积较长且结构复杂 , 产生了较大的内应力 , 虽然在超声探伤时没发现裂纹 , 但是在越野摩托车激烈的跳跃、落地、急转弯和急刹车等的冲击下 , 应力的作用受到强化并最终演化成裂纹 ; 另一个原因是车架的结构布局不太合理 , 没有按照力学的原理去进行设计 , 结果导致车架产生裂纹的部位受力过于集中。 根据上述分析 , 决定从 2 方面着手攻关 : 首先从结构上进行再设计 , 为此引入了仿生设计 , 通过学习大自然中的某些动物特别是那些跳跃高手的骨骼结构 , 重新设计车架 ; 另一方面 ,从制造工艺上采取一些必要的措施 , 如优化焊缝结构 , 在焊接时进行适当的预热、错位错时焊接 , 改进 T4 - T6 处理工艺等等。限于篇幅 , 本文只介绍车架仿生设计部分的内容。 车架的仿生设计:2. 1 仿生学设计简介世界上的物种数不胜数 , 经过千百万年的不断进化 , 在大自然“适者生存 ”的淘汰规律指引下 , 生物身上的大多数“部件 ”都是经过趋优避劣而来。它们或奔跑的更快、或流动阻力更小、或色彩更加隐蔽、或体架更加合理、或能耗输出比更加有效。从某种意义上说 , 大自然是我们人类最好的指导老师、最好的学习课堂 , 而生物所具有的独特、优异的身体构造 , 正是我们设计工业产品的绝佳样板。40 多年来 , 仿生学设计作为一种极具特色的设计方法在工业产品设计中得到了非常广泛的应用 , 并取得了十分丰硕的成果[1 - 3] 。 从仿生学的角度看 , 越野摩托车的结构和用途决定了它是一个非常适合借喻某些动物来传达设计思想的机电产品 , 其仿生设计的内容主要有 : 功能仿生、形态仿生和色彩仿生 , 其中后两者是目前仿生设计中最为成功的领域[4 - 6], 而功能仿生则是最具内涵价值的仿生设计选项 , 它正在越来越受到人们的重视。 2. 2 车架仿生设计实践:众所周知 , 越野摩托车的使用环境非常之恶劣 , 要求越野摩托车的车架必须具有极好的刚性与强度 , 同时重量要轻以便灵活操纵。经过考察 , 我们发现大自然中的澳洲袋鼠非常符合我们的仿生对象 : 澳洲袋鼠以后肢为主要支撑 , 骸骨非常发达 ,它的跳跃、腾空和落地与越野摩托车的工作状况非常相似 , 因此完全可以借鉴其功能及形象进行车架的仿生设计。澳洲袋鼠及其仿生车架的示意图见图 3, 其仿生要点是 : (1) 车架主体仿照袋鼠身躯骨骼结构 , 用空心铝管焊接 , 其中分隔管采用三角形分布以加强刚度。与原车架相比 , 新型车架的主结构尺寸如截面宽度和截面高度大大增加 , 因此其抗弯模量大大提高。(2) 用于安装发动机的支腿仿照袋鼠的两肢 , 在尾架与支腿之间设置撑杆 , 宛如袋鼠的尾巴、支腿和地面一样 ,构成一个三角型结构 , 这样可以加强支腿的刚性与强度。另一方面 , 新型车架大部分裸露在外 , 直接参与了视觉表达 , 见图 4, 故本车架很有“骨感美 ” , 并处处传递出阳刚之气充分表达了扎实、力量和爆发的设计思想。 事实上 , 基于该袋鼠仿生车架的摩托车 , 其整体造型设计亦采用仿生设计 : 一只扑食的鹰 ! 从前挡泥板、油箱再到座鞍 , 均服从鹰的造型 , 另外在油箱和座鞍的贴膜上 , 用色彩勾勒出鹰的翅膀以强化肌理 ,进一步凸显鹰猎食时的冲击感。需要指出的是 , 上述袋鼠仿生车架十分符合力学原理 , 用有限元对其进行的分析见图 5, 表明该车架的刚性和强度比原 车架有了大幅度的提高 , 特别在车架主体与支腿的交汇处以及车架主体与前叉的交汇处 ( 原车架最容易产生裂纹的地方) ,在最恶劣的工况下出现的最大应力值为 290MPa, 而 6061 可锻铝的强度极限为 520 ～ 680MPa, 故安全性可以满足。实际上 ,试验数据也证实 , 袋鼠仿生车架能抗 30kN 以上的冲击而不发生变形和裂纹。路试方面 , 经装车后实测 , 以 50km /h 的速度进行 5m 高台腾空跳跃落地 ( 参照国外标准) ,无论前轮着地抑或后轮着地 , 袋鼠仿生车架均经受住严峻考验而不出现破坏 ,表明它能够满足越野摩托车的使用要求。 结语:采用仿生学原理设计越野摩托车车架 , 实践证明是一个行之有效的方法。基于仿生学原理设计制造的铝合金车架 , 具有很高的刚性与强度 , 能适应越野摩托车的恶劣使用工况 , 不会出现裂纹和变形 , 由此充分展示了仿生学的魅力。配装袋鼠仿生车架的越野摩托车 , 不仅造型别致新颖 , 而且结构科学合理 ,它现在已成为欧美市场上的畅销产品 , 3 ～ 5 倍 , 经济效益十分显著 , 毫无疑问 , 其附加值的提升与其所采用的先进设计方法和制作工艺是密不可分的。最后还采用了液态模锻和微弧氧化等等其它先进工艺技术 , 其性能指标达到了国外同类产品的先进水平 , 并获得了 2007 年度广东省科学技术奖二等奖。 图 6 中的验证结果表明 , 数值分析结果与实验接近 , 数值分析结果与实验结果具有很好的一致性 , 曲线吻合较好。说明所选用的单元类型以及理论分析过程正确 , 并且检验了有限元模型的有效性。 |
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