TWI756780B

TWI756780B - 車輛之車架及其設計方法

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Publication number: TWI756780B
Application number: TW109127540A
Authority: TW
Inventors: 邱悅豪; 許全興; 吳益修; 蔣宏澤; 林章生
Original assignee: 國立屏東科技大學
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-03-01
Also published as: TW202207064A

Abstract

一種車輛之車架及其設計方法，用以解決習知無懸吊系統車輛之車架會產生共振的問題。係包含：輸入一車輛之一車架參數至一電腦主機，該電腦主機依據該車架參數建立一車架幾何模型；以該電腦主機對該車架幾何模型執行一有限元素分析，以取得該車架幾何模型的數個自然頻率，以及各該自然頻率的模態振型；及輸入一簡諧外力至該電腦主機，該電腦主機確認該簡諧外力之頻率是否與該數個自然頻率相近，若確認結果為是，操控該電腦主機重新調整該車架參數以修改該車架幾何模型，並重新執行該有限元素分析，直到使該數個自然頻率與該簡諧外力之頻率不相近。

Description

車輛之車架及其設計方法

本發明係關於一種車架及其設計方法，尤其是一種用以設計無懸吊系統車輛之車架及其設計方法。

習知小型賽車，由於其比賽規則有功率輸出上的限制(48V、1Kw)，所以在進行設計時以輕型、構造簡單為設計重點。因此，在設計上，該習知小型賽車將不具有懸吊系統。惟，當該車架振動時所產生的自然頻率，與該習知小型賽車的引擎運轉時所受到的簡諧外力之頻率相近時，則該車架本身將產生共振，若該車架在長時間運行下產生高週波疲勞，將導致車體結構受到過大的應力而產生損壞，進而危害到駕駛的安全。

有鑑於此，確實有必要提供一種無懸吊系統車輛之車架的設計方法，以設計一款不引起共振的車架，以解決上述的問題。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種車輛之車架設計方法，係能夠設計出一車架之自然頻率與簡諧外力之頻率不會產生共振者。

本發明的次一目的是提供一種車輛之車架設計方法，係能夠驗證由該車架之車架參數所建立的一有限元素模型是否正確者。

本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。

本發明全文所述「結合」、「組合」或「組裝」等近似用語，主要包含連接後仍可不破壞構件地分離，或是連接後使構件不可分離等型態，係本領域中具有通常知識者可以依據欲相連之構件材質或組裝需求予以選擇者。

本發明的車輛之車架設計方法，包含：輸入一車輛之一車架參數至一電腦主機，該車架參數具有一幾何參數、一材料參數及一邊界參數，該電腦主機依據該幾何參數建立一車架幾何模型；以該電腦主機對該車架幾何模型執行一有限元素分析，以取得該車架幾何模型的數個自然頻率，以及各該自然頻率的模態振型；及輸入一簡諧外力至該電腦主機，該電腦主機確認該簡諧外力之頻率是否與該數個自然頻率相近，若確認結果為是，操控該電腦主機重新調整該車架參數以修改該車架幾何模型，並重新執行該有限元素分析，直到使該數個自然頻率與該簡諧外力之頻率不相近。

本發明的車輛之車架，包含：二縱桿，以一中心線呈左右對稱，各該縱桿具有平行於該中心線的一第一直段、一第二直段及一第三直段，該二第二直段之間的間距大於該二第一直段之間的間距，該二第一直段之間的間距大於該二第三直段之間的間距，各該縱桿具有一第一斜段及一第二斜段，該第一斜段之二端分別連接該第一直段及該第二直段，該第二斜段之二端分別連接該第二直段及該第三直段；三橫桿，正交於該中心線，該三橫桿依序為一第一橫桿、一第二橫桿及一第三橫桿，該第一橫桿之二端連接該二第一直段，該第二橫桿與該第三橫桿呈間隔排列，且該第二橫桿與該第三橫桿之二端各自連接該二第二直段；一前桿，結合於該二第一直段遠離該第一斜段之一端，該前桿之二端分別具有一第一彎弧段及一第二彎弧段，該第一彎弧段係沿著該中心線方向並朝該第一斜段方向延伸，該第二彎弧段係朝遠離該中心線方向延伸，該第二彎弧段的弧度係等於該第一彎弧段的弧度，該二第一彎弧段之間的部分前桿係平行於各該第二彎弧段的延伸方向；及二補強桿，分別連接該二縱桿的第一直段及同側的該第二彎弧段。

據此，本發明的車輛之車架及其設計方法，係能夠依據該車輛的簡諧外力來源所產生的頻率，設計出自然頻率不同於該頻率的車架，以避免該簡諧外力之頻率與該車架的自然頻率產生共振。如此，本發明的車輛之車架及其設計方法，係具有確保車輛在行進時的穩定性及避免車架結構損壞的功效。

其中，若確認結果為否，以該車架參數設計並產生該車架的實品，並對該車架執行一實驗模態分析，以該電腦主機對該有限元素分析及該實驗模態分析的結果執行一模態保證指標，以產生一模態保證指標值，以該電腦主機判斷該模態保證指標值是否不小於一門檻值，若判斷結果為是，即表示該車架幾何模型與該車架之間具有等效性。如此，係具有提升有限元素分析可靠性的功效。

其中，該第二直段的長度與該第一直段的長度比為1：2~2.5，該第三直段的長度與該第一直段的長度比為1：4.5~5，該第一斜段的長度與該第一直段的長度比為1：6.5~7，該第二斜段的長度與該第一直段的長度比為1：1.2~1.5，該第一橫桿的長度與該第一直段的長度比為1：1.5~2，該第一橫桿與該前桿之間具有一第一距離，該第一距離係由該第一橫桿沿著該中心線方向至該前桿之間的距離，該第一距離與該第一直段的長度比為1：1.2~1.7，該第二橫桿與該第三橫桿的長度與該第一直段11的長度比為1：1.2~1.8，該第二橫桿與該前桿之間具有一第二距離，該第二距離係由該第二橫桿沿著該中心線方向至該前桿之間的距離，該第二距離與該第一直段的長度比為1：0.5~0.8，該第三橫桿與該前桿之間具有一第三距離，該第三距離係由該橫桿沿著該中心線方向至該前桿之間的距離，該第三距離與該第一直段的長度比為1：0.3~0.5，該第一彎弧段的弧度介於100~120度，該補強桿與該第一直段的長度比為1：2~2.5，該補強桿於該第一直段的連接處與該前桿之間具有一第四距離，該第四距離係由該連接處沿著該中心線方向至該前桿，該第四距離與該第一直段的長度比為1：1.5~2，該第一直段與該補強桿的夾角介於60~85度，該材料參數為組成該車架之數個管件的材質為SPFH590型號的低碳鋼，其密度、楊氏係數及蒲松比分別為7850kg/m³、200GPa及0.29，該邊界參數為一自由邊界。如此，係具有以上述車架參數設計出一車輛之車架，且該車架的自然頻率不同於該車輛的簡諧外力來源所產生的頻率的功效。

〔本發明〕

1:縱桿

11:第一直段

12:第二直段

13:第三直段

14:第一斜段

15:第二斜段

2,2a,2b,2c:橫桿

3:前桿

31:第一彎弧段

32:第二彎弧段

4:補強桿

D1:第一距離

D2:第二距離

D3:第三距離

D4:第四距離

L:中心線

S1:模型建立步驟

S2:模態分析步驟

S3:驗證步驟

〔第1圖〕本發明一較佳實施例的方法流程圖。

〔第2圖〕本發明一較佳實施例之車架的立體圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明車輛之車架設計方法的較佳實施例，係包含一模型建立步驟S1及一模態分析步驟S2。

該模型建立步驟S1輸入一車輛之一車架參數至一電腦主機，在本實施例中，該車輛係可以為無懸吊系統之車輛，該車架參數具有一幾何參數、一材料參數及一邊界參數，該電腦主機依據該幾何參數建立一車架幾何模型。具體而言，本發明係可利用該電腦主機連接一資料庫作為執行架構，該資料庫可用以儲存該車輛之車架的車架參數，在本實施例中，該幾何參數係為組成該車架之數個管件的尺寸、外觀及連接關係，該電腦主機係可以透過執行如AutoCAD或SolidWorks等電腦輔助設計軟體，並將該幾何參數匯入至該電腦輔助設計軟體中，以建立該車架幾何模型。另一方面，該邊界參數係可以為一自由邊界(free)；該材料參數係為該數個管件的材質，該材質可以如下列表一所示：

該模態分析步驟S2以該電腦主機對該車架幾何模型執行一模態分析，以取得該車架幾何模型的數個自然頻率，以及各該自然頻率的一模態振型(mode shape)，在本實施例中，該電腦主機係可以將該車架幾何模型匯入如ANSYS Workbench等電腦分析軟體，並透過該電腦分析軟體執行一有限元素分析(FEA)，以取得該車架幾何模型的一振動模態(mode of vibration)。其中，該有限元素分析的運作流程，係為本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。

該模態分析步驟S2輸入一簡諧外力(Harmonic Force)至該電腦主機，在本實施例中，該簡諧外力的來源可以為該車輛之馬達引擎或路面振動訊號。該電腦主機確認該簡諧外力之頻率是否與該數個自然頻率相近(例如：±8Hz)，若確認結果為是，操控該電腦主機重新調整該車架參數以修改該車架幾何模型，並重新執行該有限元素分析，直到使該數個自然頻率與該簡諧外力之頻率不相近；若確認結果為否，則不需重新調整該車架參數。

本發明車輛之車架設計方法，還可以具有一驗證步驟S3，該驗證步驟S3用以判斷該車架幾何模型與該車架之間是否具有等效性。具體而言，當該電腦主機不需重新調整該車架參數時，即該電腦主機已確認到該簡諧外力之頻率與該數個自然頻率不相近，則以該車架參數設計並產生該車架的實品，並對該車架執行一實驗模態分析(EMA)，以取得該車架的一振動模態。以該電腦主機對該有限元素分析及該實驗模態分析的結果執行一模態保證指標(Modal Assurance Criterion，MAC)，以產生一模態保證指標值。其中，該模態保證指標的公式可以如下式所示：

其中，

：係代表為該實驗模態分析之模態振型；r：係代表為實驗量測點數目，且r=1,2,...,n；{φ}_s：係代表為該有限元素分析之模態振型；s：係代表為模擬量測點數目，且s=1,2,...,n；T：係代表為轉置矩陣；*：係代表為共軛複數。

該驗證步驟S3以該電腦主機判斷該模態保證指標值是否不小於一門檻值，在本實施例中，該門檻值係可以設定為0.6，惟不以此為限。若判斷結果為是，即表示該有限元素分析與該實驗模態分析彼此間的模態振型對應良好，因此，該車架幾何模型與該車架之間具有等效性；若判斷結果為否，即表示該有限元素分析與該實驗模態分析彼此間的模態振型對應不佳，因此，該車架幾何模型與該車架之間的等效性較差。

請參照第2圖所示，本發明車輛之車架設計方法，在執行該模型建立步驟S1時，該車架之幾何參數係可以包含二縱桿1、三橫桿2、一前桿3及二補強桿4的尺寸、外觀及連接關係，該電腦主機係可以依據該幾何參數建立一車架幾何模型。詳言之，該二縱桿1以一中心線L呈左右對稱，各該縱桿1具有平行於該中心線L的一第一直段11、一第二直段12及一第三直段13。

該二第二直段12之間的間距大於該二第一直段11之間的間距，該二第一直段11之間的間距大於該二第三直段13之間的間距，該第二直段12的長度與該第一直段11的長度比介於一第一範圍區間，該第一範圍區間係可以為1：2~2.5，該第三直段13的長度與該第一直段11的長度比介於一第二範圍區間，該第二範圍區間係可以為1：4.5~5。

各該縱桿1具有一第一斜段14及一第二斜段15，該第一斜段14之二端分別連接該第一直段11及該第二直段12，該第一斜段14的長度與該第一直段11的長度比介於一第三範圍區間，該第三範圍區間係可以為1：6.5~7。該第二斜段15之二端分別連接該第二直段12及該第三直段13，且該第二斜段15的長度與該第一直段11的長度比介於一第四範圍區間，該第四範圍區間係可以為1：1.2~1.5。

該三橫桿2正交於該中心線L，該三橫桿2可以依序為一第一橫桿2a、一第二橫桿2b及一第三橫桿2c，該第一橫桿2a之二端連接該二縱桿1的第一直段11，該第一橫桿2a的長度與該第一直段11的長度比介於一第五範圍區間，該第五範圍區間係可以為1：1.5~2，該第一橫桿2a與該前桿3之間具有一第一距離D1，該第一距離D1係由該第一橫桿2a沿著該中心線L方向至該前桿3之間的距離，該第一距離D1與該第一直段11的長度比介於一第六範圍區間，該第六範圍區間係可以為1：1.2~1.7。

該第二橫桿2b與該第三橫桿2c呈間隔排列，且該第二橫桿2b與該第三橫桿2c之二端各連接該二縱桿1的第二直段12，該第二橫桿2b與該第三橫桿2c的長度與該第一直段11的長度比介於一第七範圍區間，該第七範圍區間係可以為1：1.2~1.8。該第二橫桿2b與該前桿3之間具有一第二距離D2，該第二距離D2係由該第二橫桿2b沿著該中心線L方向至該前桿3之間的距離，該第二距離D2與該第一直段11的長度比介於一第八範圍區間，該第八範圍區間係可以為1：0.5~0.8。

該第三橫桿2c與該前桿3之間具有一第三距離D3，該第三距離D3係由該橫桿2c沿著該中心線L方向至該前桿3之間的距離，該第三距離D3與該第一直段11的長度比介於一第九範圍區間，該第九範圍區間係可以為1：0.3~0.5。

該前桿3結合於該二第一直段11遠離該第一斜段14之一端，該前桿3之二端分別具有一第一彎弧段31及一第二彎弧段32，該第一彎弧段31係沿著該中心線L方向並朝該第一斜段14方向延伸，該第一彎弧段31的弧度介於一第十範圍區間，該第十範圍區間係可以為100~120度。該第二彎弧段32係朝遠離該中心線L方向延伸，該第二彎弧段32的弧度係等於該第一彎弧段31的弧度。其中，該二第一彎弧段31之間的部分前桿3係平行於各該第二彎弧段32的延伸方向。

各該補強桿4連接該二縱桿1的第一直段11及同側的該第二彎弧段32，該補強桿4與該第一直段11的長度比介於一第十一範圍區間，該第十一範圍區間係可以為1：2~2.5，該補強桿4於該第一直段11的連接處與該前桿3之間具有一第四距離D4，該第四距離D4係由該連接處沿著該中心線L方向至該前桿3，該第四距離D4與該第一直段11的長度比介於一第十二範圍區間，該第十二範圍區間係可以為1：1.5~2，且該第一直段11與該補強桿4的夾角介於一第十三範圍區間，該第十三範圍區間係可以為60~85°。

本發明車輛之車架設計方法，在執行該模態分析步驟S2時，該電腦主機將該車架幾何模型輸入至一電腦分析軟體，並執行一有限元素分析，以取得該車架幾何模型的數個自然頻率，以及各該自然頻率的一模態振型。該車架之簡諧外力的主要來源包含該車輛之馬達引擎以及路面振動信號，當該馬達引擎之轉速為600rpm，且該路面振動信號之頻率為15Hz時，該電腦主機取得該馬達引擎之轉速，並將該轉速換算成頻率，以計算出該馬達引擎之頻率介於10Hz。該電腦主機確認該數個自然頻率是否落在25Hz±8HZ之間，若確認結果為是，則可以藉由調整上述第一範圍區間至第十四範圍區間等幾何參數，以及調整組成該車架之數個管件材質的密度、楊氏係數及蒲松比等材料參數，以產生新的車架參數。該電腦主機將新的車架參數輸入至該電腦主機，以該電腦輔助設計軟體產生另一車架幾何模型，並透過重新執行該有限元素分析，直到使該另一車架幾何模型的數個自然頻率不落在25Hz±8HZ之間，即可完成該車架的車架幾何模型。較佳地，在執行該有限元素分析時，係使該數個自然頻率中的一最低自然頻率，大於該馬達引擎以及該路面振動信號的頻率加總(如：25Hz)與該車輛之總質量開根號的乘積，係由於在該車架之剛性沒有改變的情況下，頻率的平方係與該車輛之總質量成反比。

本發明車輛之車架設計方法，在執行該驗證步驟S3時，係以該車架參數設計並產生該車架的實品，並對該車架執行一實驗模態分析，以取得該車架的一振動模態。具體而言，使用者於該車架上設置數個量測點，並將一三軸加速規黏貼於該車架；依據該有限元素分析所取得的其中數個節點作為懸吊點，使用者將該車架分別以垂直或水平方式懸吊，並以一衝擊槌敲擊該數個量測點，以各別產生該衝擊槌的一激勵信號及該三軸加速規的一響應信號；以該電腦主機將各該激勵信號及各該響應信號輸入至一頻譜分析儀，以取得該實驗模態分析的一頻率響應函數。

以該電腦主機對該有限元素分析及該實驗模態分析的結果執行一模態保證指標，以產生一模態保證指標值。該車架幾何模型的有限元素分析與該車架的實驗模態分析的頻率誤差，以及該模態保證指標值，係可以如下列表一及表二所示：

表二：模態保證指標表

由上述表一及表二可以得知，該有限元素分析與該實驗模態分析的誤差範圍係落在-0.17~4.15之間，且該有限元素分析與該實驗模態分析的模態保證指標值均大於0.6，即表示該有限元素分析與該實驗模態分析彼此間的模態振型對應良好，故可以驗證出本發明透過有限元素分析所產生的車架幾何模型，與依據該車架幾何模型的車架參數所製造出來的車架之間係具有等效性。

綜上所述，本發明的車輛之車架及其設計方法，係能夠依據該車輛的簡諧外力來源所產生的頻率，設計出自然頻率不同於該頻率的車架，以避免該簡諧外力之頻率與該車架的自然頻率產生共振。如此，本發明的車輛之車架及其設計方法，係具有確保車輛在行進時的穩定性及避免車架結構損壞的功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S1:模型建立步驟

S2:模態分析步驟

S3:驗證步驟

Claims

一種車輛之車架設計方法，包含：輸入一車輛之一車架參數至一電腦主機，該車架參數具有一幾何參數、一材料參數及一邊界參數，該電腦主機依據該幾何參數建立一車架幾何模型；以該電腦主機對該車架幾何模型執行一有限元素分析，以取得該車架幾何模型的數個自然頻率，以及各該自然頻率的模態振型；及輸入一簡諧外力至該電腦主機，該電腦主機確認該簡諧外力之頻率是否與該數個自然頻率相近，若確認結果為是，操控該電腦主機重新調整該車架參數以修改該車架幾何模型，並重新執行該有限元素分析，直到使該數個自然頻率與該簡諧外力之頻率不相近。
如請求項1之車輛之車架設計方法，其中，若確認結果為否，以該車架參數設計並產生該車架的實品，並對該車架執行一實驗模態分析，以該電腦主機對該有限元素分析及該實驗模態分析的結果執行一模態保證指標，以產生一模態保證指標值，以該電腦主機判斷該模態保證指標值是否不小於一門檻值，若判斷結果為是，即表示該車架幾何模型與該車架之間具有等效性。
一種車輛之車架，係使用如請求項1或2之車輛之車架設計方法，該車架包含：二縱桿，以一中心線呈左右對稱，各該縱桿具有平行於該中心線的一第一直段、一第二直段及一第三直段，該二第二直段之間的間距大於該二第一直段之間的間距，該二第一直段之間的間距大於該二第三直段之間的間距，各該縱桿具有一第一斜段及一第二斜段，該第一斜段之二端分別連接該第一直段及該第二直段，該第二斜段之二端分別連接該第二直段及該第三直段；三橫桿，正交於該中心線，該三橫桿依序為一第一橫桿、一第二橫桿及一第三橫桿，該第一橫桿之二端連接該二第一直段，該第二橫桿與該第三橫桿呈間隔排列，且該第二橫桿與該第三橫桿之二端各自連接該二第二直段；一前桿，結合於該二第一直段遠離該第一斜段之一端，該前桿之二端分別具有一第一彎弧段及一第二彎弧段，該第一彎弧段係沿著該中心線方向並朝該第一斜段方向延伸，該第二彎弧段係朝遠離該中心線方向延伸，該第二彎弧段的弧度係等於該第一彎弧段的弧度，該二第一彎弧段之間的部分前桿係平行於各該第二彎弧段的延伸方向；及二補強桿，分別連接該二縱桿的第一直段及同側的該第二彎弧段。
如請求項3之車輛之車架，其中，該第二直段的長度與該第一直段的長度比為1：2~2.5，該第三直段的長度與該第一直段的長度比為1：4.5~5，該第一斜段的長度與該第一直段的長度比為1：6.5~7，該第二斜段的長度與該第一直段的長度比為1：1.2~1.5，該第一橫桿的長度與該第一直段的長度比為1：1.5~2，該第一橫桿與該前桿之間具有一第一距離，該第一距離係由該第一橫桿沿著該中心線方向至該前桿之間的距離，該第一距離與該第一直段的長度比為1：1.2~1.7，該第二橫桿與該第三橫桿的長度與該第一直段11的長度比為1：1.2~1.8，該第二橫桿與該前桿之間具有一第二距離，該第二距離係由該第二橫桿沿著該中心線方向至該前桿之間的距離，該第二距離與該第一直段的長度比為1：0.5~0.8，該第三橫桿與該前桿之間具有一第三距離，該第三距離係由該橫桿沿著該中心線方向至該前桿之間的距離，該第三距離與該第一直段的長度比為1：0.3~0.5，該第一彎弧段的弧度介於100~120度，該補強桿與該第一直段的長度比為1：2~2.5，該補強桿於該第一直段的連接處與該前桿之間具有一第四距離，該第四距離係由該連接處沿著該中心線方向至該前桿，該第四距離與該第一直段的長度比為1：1.5~2，該第一直段與該補強桿的夾角介於60~85度，該材料參數為組成該車架之數個管件的材質為SPFH590型號的低碳鋼，其密度、楊氏係數及蒲松比分別為7850kg/m³、200GPa及0.29，該邊界參數為一自由邊界。