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摘 要 III Abstract IV 第一章 緒 論 1 1.1引言 1 1.2橋殼的分類 1 1.2.1整體式橋殼 1 1.2.2分段式橋殼 2 1.2.3組合式橋殼 2 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.4選題的目的和意義 4 1.5課題的主要研究內(nèi)容 5 第二章 驅(qū)動橋殼強度校核計算 6 2.1 簡介 6 2.2橋殼的設計要求 6 2.3 橋殼的靜彎曲應力計算 7 2.4橋殼的四種經(jīng)典工況計算 8 2.4.1 在不平路面沖擊載荷作用工況 8 2.4.2 以最大牽引力行駛工況 8 2.4.3 汽車緊急制動工況 11 2.4.4 汽車受最大側(cè)向力工況 13 2.3本章小結(jié) 17 第三章 驅(qū)動橋殼幾何模型的建立 18 3.1 catia軟件介紹 18 3.2 幾何建模的技巧 18 3.3橋殼模型的簡化 18 3.4 CATIA模型的建立 19 第四章 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 20 4.1有限元分析理論 20 4.2模型建立與網(wǎng)格劃分 20 4.3定義橋殼單元材料屬性 21 4.4模態(tài)分析 21 4.5本章小結(jié) 23 第五章橋殼各工況的有限元分析 24 5.1最大垂直力工況 24 5.2最大牽引力工況 25 5.3最大制動力工況 26 5.4最大側(cè)向力工況 27 5.5結(jié)果分析 28 第六章總結(jié) 29 參考文獻 30 致謝 31 汽車驅(qū)動橋橋殼的建模與有限元分析 摘 要 本文通過有限元的靜、動態(tài)分析理論作為研究基礎，利用CATIA軟件畫出所需的幾何模型，并采用ANSYS有限元分析軟件，對某種中型貨車進行力學性能分析。然后我們得出了橋殼在四種典型工況下的應力分布和變形結(jié)果，并得出了橋殼在自由狀態(tài)下的前面6階的固有頻率與振型。通過計算和仿真, 證明該橋殼滿足強度要求,可以滿足汽車各種行駛工況,并且不會引起共振。 關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋殼；有限元法；靜力分析；模態(tài)分析 Modeling and Finite Element Analysis of Automobile Drive Axle Housing Abstract This article is based on the finite element method static and dynamic analysis theory, using CATIA to complete 3D geometric modeling. And it uses ANSYS finite element software to analyze the mechanical performance of the drive axle housing of a medium truck. The stress distribution and deformation results of the axle shell under four typical loading cases were obtained, as well as the first six natural frequencies and modes in the free constraint. Through calculations and simulations, it was proved that the axle housing satisfies the strength requirements and can meet various driving conditions of the automobile without resonance. Keywords: drive axle housing; finite element method; CATIA; modal analysis; Static analysis IV 第一章 緒 論 1.1引言 隨著對汽車性能要求的不斷提高，驅(qū)動橋殼作為載重汽車傳遞及承受載荷的重要安全元件,市場對驅(qū)動橋在內(nèi)的各總成的要求也相應的提高了。因此，我們需要制造設計合理的驅(qū)動橋殼,讓它在運動載荷下，也可以擁有滿足要求的剛度、強度和良好的動態(tài)特性,這有利于降低動載荷,并且減少橋殼的質(zhì)量,完成車身的輕量化，從而提高汽車行駛平順性和舒適性。 1.2橋殼的分類 橋殼的主要作用是支撐主減速器、差速器和半軸等部件，以及固定左右驅(qū)動輪的相對位置，經(jīng)過懸架將車輪承受的力矩傳遞給車架。橋殼內(nèi)有潤滑油，可以潤滑橋殼內(nèi)部的軸承和齒輪，并且橋殼殼體是封閉的，能防止灰塵之類的臟東西進入。 驅(qū)動橋橋殼按結(jié)構(gòu)型式可分為兩類,即整體式、分段式和組合式。 1.2.1整體式橋殼 整體式橋殼如圖（1-1）所示，這種橋殼的中間部分是一個環(huán)形空心梁，將橋殼和主減速器分為兩體。整體式橋殼的主要特點是強度、剛度較大，使用壽命長。在汽車檢查時，不需要把整個驅(qū)動橋從汽車上拆下來，這樣維修起來比較方便。 圖1-1某型汽車驅(qū)動橋殼 整體式橋殼的制造工藝多種多樣，我們按照制造工藝來劃分，可以分為鑄造式、鋼板沖壓焊接式和擴張式三種。鑄造式橋殼的優(yōu)點是強度和剛度大，缺點是質(zhì)量大，制造工藝復雜，所以大多用于中、重型貨車上。鋼板沖壓焊接式和擴張式的質(zhì)量相比較鑄造式較小，工藝簡單，成本較低，比較適用于批量生產(chǎn)，所以廣泛用于轎車以及中、小型貨車上。 1.2.2分段式橋殼 分段式橋殼的結(jié)構(gòu)特點是將一垂直接合面劃分為左右兩個部分，每一個部分都是使用一個鑄造殼體和一個從外端壓入得半軸套管而組成的，其中軸管要用鉚釘來和殼體連接。如圖1-2所示，兩段橋殼用螺栓來連接。 圖1-2 分段式驅(qū)動橋殼 分段式橋殼的結(jié)構(gòu)簡單，制造的工藝性比較好，很容易進行鑄造和加工，但是拆裝時要將整個驅(qū)動橋取下，維修很不方便，所以如今很少使用。 1.2.3組合式橋殼 組合式橋殼的結(jié)構(gòu)特點是將主減速器殼體和其中的部分橋殼鑄成一個整體，之后我們使用無縫鋼管壓入橋殼殼體的兩端，并用塞焊或銷釘固定鋼管和橋殼殼體，如圖1-3所示。 1-3 組合式橋殼 組合式橋殼的優(yōu)點為主減速器的裝配比較方便，從動齒輪軸承的剛度好，但是組合式橋殼的加工精度要求很高，不適合大批量生產(chǎn)，因此常用于轎車、輕型貨車上。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 過去我國驅(qū)動橋橋殼的設計采用的是實驗和設計交叉進行的研究方法。但是我們設計出的對象要是實物，因此在橋殼結(jié)構(gòu)確定之前，我們需要反復進行制造樣品-實驗-修改-再設計這樣的循環(huán)，但是這種研究方式太過于費時費力，嚴重浪費了珍貴的人力、物力和財力。 舉個例子，在日本，五十鈴公司采用了省略掉橋殼后蓋，并且把主減速器處的凸包簡化為環(huán)形的方法，用彈性力學的原理得出應力分析和變形計算[1]。雖然彈性力學的計算方法確實很精準，但是在建模時，對橋殼的幾何模型進行了太多的簡化，這導致了計算結(jié)果并不是那么精確。 網(wǎng)絡計算機的出現(xiàn)以及ANSYS有限元技術(shù)的快速發(fā)展都為汽車結(jié)構(gòu)與性能的分析帶來了全新的變革。在國外,70年代左右,這種方法就已經(jīng)慢慢為汽車各個零件的強度分析所進行采用,當然對汽車橋殼的強度分析也包括其中。比如,日本的部分公司對驅(qū)動橋殼的要求是在汽車2.5倍滿載軸荷的作用力下，各斷面的應力不應該超過所選材料的屈服極限。在國內(nèi)，我們已經(jīng)開始對橋殼剛度和強度計算進行有限元分析，利用有限元軟件完各種工況下的模擬?？梢允褂糜嬎銠C技術(shù)來使橋殼的設計更加合理，為了提高橋殼的強度，我們有以下幾種思路： 1.優(yōu)先使用高強度合成的材料。 2.要求盡量加大橋殼的尺寸,以提高橋殼的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)能力。 3.通過合理的熱處理,可以提高材料的抵抗破壞能力。 許多專家對這些問題進行過深入研究,并且提出了十分重要的方案,但由于大都傾向于從結(jié)構(gòu)上解決問題。近幾年,重多研究人員與企業(yè)開始聯(lián)合,利用有限元法對橋殼結(jié)構(gòu)進行應力計算和動態(tài)分析。 文獻[2]建立了礦用汽車的驅(qū)動橋橋殼的有限元模型，在汽車極限工況下，進行了橋殼的力學性能分析。實驗結(jié)果證明，橋殼主體和半軸套管處的應力遠遠小于材料許用應力，但是懸架支座處的應力出現(xiàn)局部過大的情況。 文獻[3]針對某種微型汽車的橋殼進行壓力檢測時，發(fā)生了斷裂的現(xiàn)象，通過有限元的使用，利用面向特征進行建模，并建立了橋殼的有限元模型。通過計算得出，如果橋殼出現(xiàn)了局部應力集中的情況，那么只要改變橋殼的受力和局部的結(jié)構(gòu)，就可以使局部應力減小。 文獻[4]首先介紹了有限元的實際應用,之后利用有限元分析軟件對汽車橋殼進行分析計算，并簡單的說明了傳統(tǒng)的橋殼強度計算方法，讓我們了解了有限元分析的眾多優(yōu)點。 文獻[5]根據(jù)模態(tài)分析原理,并且闡述橋殼的模態(tài)變化特點和實驗方法，建立了橋殼的多種動態(tài)模型。在此模型上施加不同的約束和載荷，得出驅(qū)動橋橋殼的應變響應，從而確定橋殼的疲勞危險點，然后進行仿真模擬。 雖然國內(nèi)對于橋殼輕量化已經(jīng)做了很多的研究，但是與國外的最新研究[6]相比，還是存在一定的差距，表現(xiàn)如下： 1. 我們國家缺少先進的設計理念，導致沒有開發(fā)新制造工藝的動力，沒能體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)勢； 2. 利用先進的設計理念來彌補實際生產(chǎn)的意識不足； 3. 沒有認識到結(jié)構(gòu)輕量化能為社會帶來多大的社會、經(jīng)濟效益； 4. 由于大多是憑借以往的經(jīng)驗來修改主要零件的參數(shù)尺寸，因此往往我們只會去校核橋殼在一般靜態(tài)工況下的力學性能； 5. 我國的研究硬件設施過于落后，科研實力比不上其他國家。 1.4選題的目的和意義 驅(qū)動橋是位于汽車傳動系末端的汽車主要承載件之一，其中橋殼的主要作用是支撐并保護主減速器、半軸和差速器，并且將發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞到左、右驅(qū)動輪上。 橋殼是汽車傳動系中的主要傳動件和承載件，由于使用頻率高，磨損嚴重，使得橋殼很容易發(fā)生損壞，其生產(chǎn)的質(zhì)量和使用性能將會直接影響汽車的實際使用性能和實際使用壽命。首先橋殼要擁有良好的力學性能，如足夠的強度、剛度和動態(tài)特性，所以我們要合理地設計橋殼，使得汽車的平順性和舒適性提高。因為我們要保證汽車在靜止、加速、轉(zhuǎn)彎、制動之類的路況下正常工作，所以橋殼的工作環(huán)境十分惡劣，容易發(fā)生磨損，而其磨損的主要原因是由于外界激勵的頻率和橋殼的固有頻率基本相同時，會產(chǎn)生汽車結(jié)構(gòu)的共振，引起較大的動應力。因此，我們需要對橋殼進行力學性能分析，這是研究汽車各個零部件破損原因的重點。汽車的行駛條件多種多樣，橋殼也要承受多種十分復雜工況下產(chǎn)生的動態(tài)載荷，而動態(tài)載荷的動態(tài)應力相比較于靜態(tài)應力會大出很多，這是橋殼破損的主要因素。通過研究橋殼的靜態(tài)和動態(tài)工況，可以有助于我們完成橋殼的輕量化研究，從而降低動載荷，以提高我們駕駛汽車時的平順性和舒適性，這也是本課題所研究的主要意義。 本課題研究的意義不單單是能夠解決企業(yè)在生產(chǎn)零部件時所發(fā)生的問題,并對其產(chǎn)品的設計、制造、檢驗和優(yōu)化改造提供優(yōu)質(zhì)的參考和指導,然而更大的意義在于能夠降低企業(yè)的生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品各方面的水平,以此提高企業(yè)的核心競爭力,具有較大的實際意義和經(jīng)濟價值。 1.5課題的主要研究內(nèi)容 通過上面的論述可知，驅(qū)動橋橋殼的設計對于汽車性能的影響很大，所以合理地設計橋殼也是重中之重。其中應用有限元軟件來分析橋殼的力學性能更是重點。本文研究的對象是鋼板沖壓焊接整體式橋殼，這種橋殼的特點有制造工藝簡單、材料利用率高、成本低、安全可靠。本課題運用CATIA軟件建立了幾何模型，然后利用ANSYS有限元軟件對橋殼四種典型工況和前6階模態(tài)進行分析。 本課題開展以下幾個方面的研究工作： （1）計算得出四種工況下橋殼危險截面的最大應力。 （2）學習和掌握CATIA軟件，利用CATIA建立驅(qū)動橋殼的幾何模型。 （3）利用ANSYS軟件進行橋殼的模態(tài)分析。 （4) 利用ANSYS軟件對橋殼在四種典型工況下做有限元分析，得出相對應的位移圖和應力圖。 (5) 根據(jù)結(jié)果，通過對比驗證位移和應力的規(guī)律，得出橋殼的設計是否能保證汽車行駛安全。 第二章 驅(qū)動橋殼強度校核計算 2.1 簡介 橋殼作為汽車的傳動件和承載件，所要承受的工作環(huán)境十分復雜，行駛路況也是千變?nèi)f化，因此當我們需要精確的計算出汽車在不同路況時，會發(fā)現(xiàn)很難分析作用于橋殼的應力。所以，本課題將橋殼復雜的受力路況簡要概括為四種典型的計算工況，其中包括最大鉛垂力工況、最大牽引力工況、最大制動力工況和最大側(cè)向力工況。我們通過計算在這四種典型工況下橋殼的強度，只要強度小于材料的許用強度，就可以認為該橋殼在汽車的各種行駛條件下是安全可靠的。 2.2橋殼設計要求 橋殼的各項參數(shù)通過查閱資料得出，如表2-1 表2-1 驅(qū)動橋法的主要參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 輪距B mm 2200 質(zhì)心高mm 880 主減速器傳動比 5.71 總質(zhì)量M/kg 10000 發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩 593 滾動半徑 m 0.527 軸距L mm 3800 驅(qū)動橋橋殼應滿足如下的設計要求[7]: 1. 橋殼應具有良好的力學性能，如足夠的強度和剛度，確保主減速器齒輪的嚙合，并彎曲應力不會再半軸上產(chǎn)生。 2.在保證剛度、強度和壽命的基礎上，我們減橋殼的質(zhì)量，這樣可以減小不平路面的沖擊載荷，從而改善汽車行駛時的平順性和舒適性。 3.橋殼的輪廓尺寸不能太大，這樣有利于汽車擁有合理的離地距離。 4.拆裝部件、調(diào)整尺寸和維修汽車方便。 5.要有防止泥水或灰塵進入傳動部件的能力。 6.結(jié)構(gòu)工藝性好，制造工藝簡單，材料利用率高，成本低。 如今的汽車行駛路面越來越平坦，汽車也開始向高速化和輕量化發(fā)展，所以汽車的結(jié)構(gòu)設計愈加合理，這樣才能滿足汽車高速行駛的要求。 2.3 橋殼的靜彎曲應力計算 當滿載汽車停在水平面時，橋殼就像空心梁一樣，在鋼板彈簧座處，橋殼將會承受垂直于地面的載荷，而地面會給左右輪胎以反力，這樣橋殼就會承受來自輪胎的反力和車輪重力的差值，即，計算簡圖如下圖，2-1 圖2-1橋殼靜彎曲應力計算簡圖 按照靜載荷計算橋殼彎矩時,可以得出鋼板彈簧座之間彎矩M等于 （2-1） 式中：——汽車滿載靜止時對地面的載荷，98000N； ——汽車輪胎的重力，約為0N； B ——汽車車輪輪距，2.2m； s ——兩鋼板彈簧座中心間的距離，1.18m。 彈簧座附近通常為橋殼的危險斷面。由于遠小于,,所以當無參數(shù)時可以忽略不計。則此處靜彎曲應力： （2-2） 式中: M——見（3-1） ——危險斷面處（鋼板彈簧處）橋殼的垂直彎曲界面系數(shù)。見表2-1:其中D=140mm，d=110mm。 表2-1 不同方向截面系數(shù) 斷面形狀 垂直及水平彎曲截面系數(shù) 、 扭轉(zhuǎn)截面系數(shù) 圓 通過橋殼的結(jié)構(gòu)形狀和制造工藝可以確定，其在鋼板彈簧處的危險截面。此處選用鋼板沖壓焊接整體式橋殼,在鋼板彈簧座處多為圓管斷面。 2.4橋殼的四種經(jīng)典工況計算 汽車在行駛過程中所遇到的情況是千變?nèi)f化的，所以在真正的行駛過程中，工況是很復雜的，所以我將復雜的情況簡化為四種典型計算工況[8]： 1.當滿載汽車通過不平路面時,即車輪承受最大鉛垂力工況； 2.當滿載汽車以最大牽引力行駛時,即車輪承受最大切向力工況； 3.當滿載汽車發(fā)生緊急制動時，即車輪承受最大切向力工況； 4.當滿載汽車發(fā)生側(cè)滑時,即車輪承受最大側(cè)向力工況； 只要能保證在這四種典型工況下,計算得出的強度能夠滿足許用應力，那么就可以認為汽車是安全可靠的[9]。 2.4.1 在不平路面沖擊載荷作用工況 當高速行駛汽車在不平路面上時，橋殼不只要去承受靜止狀態(tài)的載荷，還要承受額外的沖擊載荷。所以我們在不考慮切向力和側(cè)向力的情況下，橋殼承受這兩種載荷總的作用，其產(chǎn)生的彎曲應力為： （2-3） 式中： —動載荷系數(shù)，對載貨貨車取2.5； —橋殼在靜載荷下產(chǎn)生的彎曲應力，150MPa 2.4.2 以最大牽引力行駛工況 當滿載汽車以最大牽引力行駛時，橋殼會承受兩部分的力，即最大牽引力和垂向力，發(fā)動機也以最大轉(zhuǎn)矩工作。這種情況不分析側(cè)向力，汽車沿直線運動。如圖2-2。 圖2-2 汽車以最大牽引力行駛時的受力簡圖 假設地面對后驅(qū)動橋兩個車輪的垂向反作用力相等，則 （2-4） 式中：——滿載汽車靜止于水平路面的總載荷，98000N； ——質(zhì)心高，0.88m。 作用在左、右驅(qū)動輪上的最大切向反力共為： （2-5） 式中；——發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，593 N.m； ——變速器I檔傳動比，9； ——驅(qū)動橋的主減速比,5.71； —— 傳動系的傳動效率,0.9； ——驅(qū)動車輪的滾動半徑，0.527m。 如果認為傳動系的傳動效率為100%，，將式（2-5）代入式（2-6）中，得： （2-6） 式中： ——路面對一個后驅(qū)動車輪施加的垂直反作用力，N； ——滿載汽車靜止于水平地面時地面受到的載荷，98000N； ——汽車質(zhì)心高度，0.88m; L——汽車軸距，3.8m ——加速行駛時，汽車的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。 由式（2-5）可知對于驅(qū)動橋 （2-7） 若式（2-7）中某些參數(shù)不全，導致無法計算值時， 值可以在下列范圍內(nèi)選出：對于載貨驅(qū)車后驅(qū)動橋=1.1~1.3[10]。 后驅(qū)動橋殼的兩個鋼板彈簧座之間的垂向彎矩 （2-8） 式中:，，B，s——見式（2—1）下的說明。 因為車輪要承受來自地面對自己的最大切向反作用力，使得橋殼也要去承受來自水平方向的彎矩，我們使用的是圓錐差速器裝配的驅(qū)動橋，因為之前得出左右車輪的轉(zhuǎn)矩相同，所以得出： （2-9） 式中；——發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，593 N.m； ——變速器I檔傳動比，9； ——驅(qū)動橋的主減速比,5.71； —— 傳動系的傳動效率,0.9； 如果我們選用的差速器使得左右兩個車輪的轉(zhuǎn)矩不等，那么我們可以選擇驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大一點的那個來代替上面式子的。 當然橋殼還要承受由于驅(qū)動橋傳遞轉(zhuǎn)矩之后所產(chǎn)生的反力矩，那么這時可以得出在兩個鋼板彈簧座之間橋殼所需承受的轉(zhuǎn)矩等于： （2-10） 式中：———發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，N·M； ———傳動系的最低擋傳動比； ——傳動系的傳動效率； 當橋殼的危險斷面在鋼板彈簧座附近是圓管截面時，可以得出該斷面處的合成彎矩為 （2-11） 該危險斷面處的合成應力為 （2-12） 式中：——水平彎曲截面系數(shù)。 ，——分別為兩個彈簧座之間的垂向彎矩和水平彎矩； 下圖為汽車以最大牽引力行駛時，后驅(qū)動橋橋殼的受力分析簡圖。如圖2-3 圖2-3驅(qū)動橋橋殼的受力分析簡圖 2.4.3 汽車緊急制動工況 此種工況下，我們不去考慮側(cè)向力，可以得出汽車在緊急制動時的受力簡圖，如圖2-4所示： 圖2-4汽車在緊急制動時的受力簡圖 假設路面對驅(qū)動橋兩車輪的垂直作用力相等，則： （2-13） 式中： Ga——汽車滿載靜止于水平地面時給地面的總荷載，98000N； ——汽車質(zhì)心高度，0.88m； G ——重力加速度，m/； a ——制動加速度，m/。 因，故制動加速度a為: 代入式（2-9）得： （2-14） 式中： —地面對一個后驅(qū)動輪的垂直反作用力，N； —輪胎與路面之間的附著系數(shù)，在計算時取0.8； —汽車緊急制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，計算時取0.8。 如果在計算時 ，、等參數(shù)沒有規(guī)定，的值可在以下范圍內(nèi)?。狠d貨汽車后驅(qū)動橋取m2=0.75~0.95[11]。所以此時取0.8. 圖2-5是汽車發(fā)生緊急制動時橋殼的受力分析圖，這時作用在兩個車輪上的力不僅有垂向反力/2,還有切向反力，即地面對驅(qū)動車輪的制動力/2 。通過這些條件，可以計算出汽車在緊急制動時，兩個彈簧座之間的垂向彎矩及水平方向的彎矩分別為 （2-15） （2-16） 式中：———汽車發(fā)生制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，計算后驅(qū)動橋殼時取 圖2-5緊急制動時橋殼受力圖 橋殼在兩個鋼板彈簧座外側(cè)處，會承受來自制動力帶來的轉(zhuǎn)矩T，可以求出此時的轉(zhuǎn)矩為： （2-17） 式中：———驅(qū)動車輪的滾動半徑，0.527m; ———輪胎與路面之間的附著系數(shù)，在計算時取=0.8 當橋殼的危險截面在鋼板彈簧座附近為圓管截面的時候，在該斷面處的合成彎矩為 （2-18） 該危險斷面處的合成應力為 （2-19） 2.4.4 汽車受最大側(cè)向力工況 當滿載的汽車進行很快速度的轉(zhuǎn)彎時，會在汽車質(zhì)心處出現(xiàn)一個很大的離心力，汽車也會由于某些原因而承受側(cè)向力，當汽車承受的側(cè)向力達到最大值時，汽車將會處于發(fā)生側(cè)滑的臨界狀態(tài)，如果側(cè)向力大于側(cè)向附著力，那么汽車就會發(fā)生側(cè)滑。所以發(fā)生側(cè)滑的條件為 （2-20） 式中：——驅(qū)動橋所受的側(cè)向力，N； 、——地面給兩個輪胎的側(cè)向反作用力，N； ——滿載汽車靜止路面時對地面的載荷，98000N ——輪胎與地面之間的側(cè)向附著系數(shù)，在計算時取=1 因為在汽車發(fā)生側(cè)滑時，我們可以在計算過程中，把地面對車輪的切向反作用力認為是零。 下圖是汽車發(fā)生向右側(cè)滑的受力分析簡圖，可以根據(jù)該圖，計算出驅(qū)動橋發(fā)生側(cè)滑時兩個輪胎的支承反力為 （2-21） （2-22） 式中：——兩個車輪的支承反力，N； ——汽車滿載時的質(zhì)心高度，0.88m; ——驅(qū)動車輪的輪距,2.2m。 當/B時，=0, =，在此情況下，可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)動橋的全部載荷都會偏向一端的車輪，然而這種極端的情況會對驅(qū)動橋的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，所以在設計時，我們要盡量去降低質(zhì)心高。 圖2-6 汽車向右側(cè)滑時的受力簡圖 如果我們的驅(qū)動橋采用全浮式半軸，可以看出在橋殼兩端的半軸套管處，分別裝著一對輪轂軸承。這些軸承我們一般會選用圓錐滾子式。我們將這些軸承放置在輪胎的垂直反作用力兩側(cè)，正常都是會離得和輪轂的內(nèi)軸承近一點。發(fā)生側(cè)滑時，內(nèi)外輪轂軸承對于輪轂的徑向支承力，可以通過單個車輪的受力平衡來得出。如圖2-7。 圖2-7側(cè)滑時輪轂受力圖 從圖的右側(cè)（與側(cè)滑方向相同）的車輪來說，內(nèi)、外軸承的徑向支承力為 （2-23） （2-24） 從圖的左側(cè)（與側(cè)滑方向相反）的車輪來說，內(nèi)、外軸承的徑向支承力為 （2-25） （2-26） 上式中：———車輪滾動半徑，0.527m; a,b, ,,———如圖2-7，其中路面對兩個輪胎的側(cè)向反作用力為、。 取a+b=200mm，a-b=100mm 可由下式獲得： （2-27） （2-28） 將上式計算求得的、、、值代入式，可以求出輪轂軸承對半軸套管的徑向支承反力。然后我們可以根據(jù)計算得到的力和橋殼在彈簧座上的垂向力，從而畫出橋殼在汽車發(fā)生側(cè)滑時的垂直受力彎矩圖，如圖2-8所示。 圖2-8 汽車向右側(cè)滑時橋殼所受的垂向力及垂向彎矩 綜上所述，當時，由上式可知，可以理解為與側(cè)滑方向相反一側(cè)的支承反力等于零，這時的彎矩圖可以從圖2-7(b)看出。 如前所述，汽車發(fā)生側(cè)滑時所引起的輪轂軸承的徑向力、、、與輪轂內(nèi)、外軸承支承中心間的距離（a + b）有關(guān)，而且如果中心距越大，那么因為側(cè)滑所產(chǎn)生的軸承徑向力越小。除此之外，如果值足夠的大，也會導致輪胎的支承剛度變大。不然的話，一旦兩軸承相碰時，那么車輪將無法正常運轉(zhuǎn)，支承剛度會變低，這樣會出現(xiàn)接近于3/4浮式半軸時一樣的情況。如果的值過大，同樣也會導致輪轂變寬以及質(zhì)量變大，從而導致布置時會十分困難。我們在設計汽車的時候，通常取，地面對輪胎的垂向支承作用力線大多在內(nèi)、外軸承之間，而且一般都會靠近內(nèi)軸承，因此我們經(jīng)常把內(nèi)軸承選擇的比外軸承要更大一點，當然也有將內(nèi)、外軸承選擇為相同的情況。輪轂軸承受到最大的力一般會發(fā)生在側(cè)滑時，因此輪軸也同樣是在滿載汽車發(fā)生側(cè)滑時，會承受最大彎矩和應力[12]。 由圖2-8可知，輪軸即半軸套管的危險斷面位于輪轂內(nèi)軸承的內(nèi)端A-A處 (圖2-7)，該處的垂向彎矩為 （2-29） 式中：———輪轂內(nèi)軸承支承中心至該軸承內(nèi)端支承面間的距離。 如果忽略不計，并將上式經(jīng)整理后得 （2-30） 式中:、、、B—見上文式下說明； 、a—見式下說明。 彎曲應力為 （2-31） 式中：D、d——計算斷面的內(nèi)、外徑。D=140mm，d=110mm ——由式2-30可知 剪切應力為 （2-32） 式中：D、d——計算斷面的內(nèi)、外徑。D=140mm，d=110mm ——由2-24可知 合成應力為 （2-33） 查詢手冊可以知道一般橋殼的許用彎曲應力為300~500Mpa，許用扭轉(zhuǎn)應力為150~400Mpa，本課題選用的是鋼板沖壓焊接整體式橋殼，所以取許用彎曲應力為500Mpa，許用扭轉(zhuǎn)應力為400Mpa。 關(guān)于橋殼材料，本課題采用鋼板沖壓焊接整體式橋殼，所以橋殼部分材料取16Mn，半軸套管取40Cr[13]。 2.3本章小結(jié) 由于汽車的行駛情況十分復雜，所以不同路況下的受力情況也是千變?nèi)f化，為了方便分析，本章選取了四種典型工況，并分析了汽車在這四種工況下的理論應力，只要計算出的應力大于之后ANSYS分析的實驗應力，那么該橋殼就是滿足條件的，汽車性能安全可靠。 第3章 驅(qū)動橋殼幾何模型的建立 3.1 catia軟件介紹 CATIA是由法國達索飛機公司獨立開發(fā)的CAD/CAM軟件，CATIA的曲面設計功能相較于其他繪圖軟件更為完善。CATIA軟件最先應用于航天業(yè)，之后開始廣泛應用于醫(yī)療、汽車制造、電器生產(chǎn)、消費品、化工等行業(yè)。但是該軟件是近幾年出現(xiàn)的新型軟件，系統(tǒng)龐大，不像UG、Pro/e一樣容易掌握，所以要熟練掌握該軟件，不僅需要在學習和應用中慢慢體會，也要和別人多多交流[14]。 3.2 幾何建模的技巧 我們在選取總坐標系時，應盡量將其與橋殼的結(jié)構(gòu)設計坐標系取得相同，有利于我們之后的建模。我們一般先做出主要特征,然后做出局部特征。首先我們要先分析實體模型,了解橋殼的基本構(gòu)造，然后開始繪制平面草圖。實體特征大都是由草圖通過各種命令,如拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除等形成的。 幾何建模時,不要使用太多的特征平面來建模。先生成簡單、平整的特征面，比如圓面、矩形面，再生成較為復雜的曲面，如圓面和矩形面之間的過渡曲面。 觀察模型特征的對稱性,使用平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像幾何形狀等方法進行加工,這樣可以大大提高我們建模的效率。 3.3橋殼模型的簡化 完成幾何建模之后，我們才可以去進行有限元分析，因此在建立橋殼的三維模型時，我們要好好思考有限元建模的特點。我們做有限元模型時，要注意的點有，有限元模型不單單要能夠準確的的反應橋殼的力學性能，還要采用簡單的單元形態(tài)，在可以盡量減小計算難度的前提下,同時也要保證模型具有較高的精度。為了滿足這些要求,我們在建立幾何模型前,就要考慮如何簡化實際模型。 我們根據(jù)橋殼的結(jié)構(gòu)特點，本課題在建立橋殼的三維幾何模型時，對結(jié)構(gòu)做出了以下簡化： （1）省略主減速器殼、夾具、千斤頂、前后端蓋等一些不屬于橋殼承力的部件。 （2）省略部分不影響分析的小孔。 （3）將橋殼主體和半軸套管想象為一個整體。 （4）將橋殼主體中部的一些不均勻厚度結(jié)構(gòu)視為等厚的,以便于簡化建模和網(wǎng)格劃分。 （5）把橋殼中不屬于危險部分的圓角、倒角簡化成直角。 （6）忽略焊縫對結(jié)構(gòu)的影響。 3.4 CATIA模型的建立 簡化橋殼主要由橋殼主體和半軸套管組成。我們在CATIA中進行三維建模,然后將各零部件進行裝配即可。 （3-1）橋殼實物模型 在CATIA中建立如圖 3-2的模型 （3-2）橋殼裝配圖 第四章 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 4.1有限元分析理論 ANSYS公司是由JohnSwanson博士在1970年創(chuàng)建的,其總部在美國的賓夕法尼亞州,ANSYS軟件是該公司重要產(chǎn)品,它是集結(jié)構(gòu)、磁場、聲場分析于一體的通用分析軟件,可廣泛地應用于石油化工、航空航天、機械制造、能源、交通運輸、電子、國防軍工、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、等一般工業(yè)及科學研究。 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元法也如同坐上了一輛順風車一樣，與計算機技術(shù)一同蓬勃發(fā)展。有限元放可以分析十分復雜的情況，其計算方法十分規(guī)范,通過計算機能夠很方便地模擬汽車各零部件的受力情況,可以進行力學性能的有限元分析,也可以通過模態(tài)分析得出我們所需要的模態(tài)與振型,很真實地描繪出模型的動態(tài)過程。一般來說，有限元計算的結(jié)果都會比其他計算方法精準，這樣也能與實際尺寸相差無幾，可以以此為依據(jù)進行尺寸的更改。同時,可以利用有限元分析的結(jié)果進行多種方案的對比,如此可以更好的取優(yōu)化我們設計的方案。有限元法能幫助我們?nèi)ソ鉀Q復雜的問題，如對于復雜的零件結(jié)構(gòu)，不能驚喜精確的計算。有限元法改變了我們以前憑借經(jīng)驗來進行設計的方法，所以能局部得到廣泛應用。如今，我們將有限元法投入到汽車的設計中來，不僅可以提高汽車的質(zhì)量，也能縮短新車型的開發(fā)周期，能大大減少企業(yè)的成本[15]。 4.2模型建立與網(wǎng)格劃分 對驅(qū)動橋殼就行有限元建模，并對模型進行網(wǎng)格劃分，由橋殼主題控制網(wǎng)格尺寸20，其余部分控制尺寸10，由workbench自動生成網(wǎng)格，共劃分43119個網(wǎng)格單元，77918個單元節(jié)點，如圖4-1、4-2 圖（4-1）導入模型 圖（4-2）劃分網(wǎng)格 4.3定義橋殼單元材料屬性 在完成網(wǎng)格劃分后,進行橋殼單元材料的物理屬性的添加,由于橋殼本體和半軸套管是由不同的材料組成的,所以我會用兩種不同的材料定義,詳見表4-1 表（4-1）橋殼材料單元的各屬性 名稱 材料 彈性模量（Pa） 泊松比 密度（kg/） 許用應力（Mpa） 橋殼本體 16Mn 0.3 340 半軸套管 40Cr 0.3 650 選取對應的材料，為橋殼（16Mn）和半軸套管(40Cr)附上需要的屬性。 4.4模態(tài)分析 本章通過對橋殼的模態(tài)分析得到其在不加任何約束載荷的情況下，模型的固有頻率和模態(tài)振型。 因為橋殼的自由度我們沒有進行約束，模型處于自由懸空狀態(tài),并且橋殼模型為剛體，所以前6階模態(tài)的頻率很小或者幾乎為零。因此我們在這忽略前6階剛體模態(tài),第7階模態(tài)頻率對應實際第1階的模態(tài)頻率,根據(jù)這個規(guī)律,可以計算得到的前6階模態(tài)下的固有頻率值見表4-2 表（4-2） 前六階模態(tài)下的固有頻率計算結(jié)果 振型次序 1 2 3 4 5 6 頻率（Hz） 128.54 283.51 352.87 500.73 510.91 963.83 對應于前6階模態(tài)固有頻率的振型如圖4-3至圖4-8所示,由于結(jié)構(gòu)的振動可以表達為各階固有振型的線性組合,其中低階的振型對結(jié)構(gòu)的動力影響比高階振型大,因此低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性[16]。 圖4-3 第1階模態(tài)振型 圖4-4 第2階模態(tài)振型 圖4-5 第3階模態(tài)振型 圖4-6 第4階模態(tài)振型 圖4-7 第5階模態(tài)振型 圖4-8 第6階模態(tài)振型 4.5本章小結(jié) 這部分的有限元分析主要研究了橋殼的有限元模型在不加任何約束和載荷的情況下，其前6階的固有頻率，還得到了與前6階模態(tài)對應的振型圖，初步對橋殼的振動特性有了一定的了解，從中得出了規(guī)律。我們在駕駛汽車時，橋殼會發(fā)生振動，而這振動主要是由于輪胎和地面之間存在相互作用力還加上汽車自身也會發(fā)生振動，所以橋殼振動的主要原因就是路面不平度。如果我們在比較平坦的路面上行駛，只會有對稱垂直載荷作用在汽車上，這種載荷會導致橋殼發(fā)生同向彎曲模態(tài)。但是在不平的路面上開車時，我們的汽車會受到非對稱的載荷，這會導致橋殼發(fā)生異向彎曲模態(tài)。查閱資料可以得知汽車的振動系統(tǒng)承受路面作用的激勵大多屬于0~50Hz的垂直振動，而本課題所得出的橋殼前6階模態(tài)的固有頻率都不在0~50Hz之間，所以不會發(fā)生因為路面激勵而引起的橋殼共振，我們設計的橋殼就比較合理，是安全可靠的[17]。 第五章橋殼各工況的有限元分析 5.1最大垂直力工況 邊界條件：左右兩邊半軸套管支撐與橋殼接觸處約束Y、Z軸的轉(zhuǎn)動自由度和沿X、Y、Z軸的平動自由度，兩側(cè)板簧面上施加垂直向下的荷載 在此邊界條件下得到有限元分析結(jié)果如下圖： 圖5-1最大垂直力工況荷載變形云圖 滿載軸荷下驅(qū)動橋殼的最大變形發(fā)在橋殼的中間部分為1.2873 mm，滿載軸荷下每米輪距的最大變形為0.87mm。由于滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5 mm，在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動橋殼的鋼度是合格的。（注：該驅(qū)動橋橋殼實際長度為1470mm） 圖5-2最大垂直力工況荷載應力云圖 滿載軸荷下驅(qū)動橋殼的最大應力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為250.33MPa，計算得出的理論應力為375MPa，故在最大鉛垂力工況下，橋殼的強度是符合要求。 5.2最大牽引力工況 邊界條件：一邊在半軸套管與橋殼接觸處約束Y軸，另一邊在半軸套管支承與橋殼接觸處約束X、Z軸，兩側(cè)的板簧位置表面施加向下垂向載荷和向后的縱向載荷，同時施加扭矩。 在此邊界與載荷條件下，得到有限元分析結(jié)果如下圖: 圖5-3最大牽引變形云圖 最大牽引力工況下驅(qū)動橋殼的最大變形發(fā)在橋殼中段為0.92888mm，故滿載軸荷下每米輪距的最大變形為0.67mm，由于滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5mm，該驅(qū)動橋橋殼的鋼度是合格的。 圖5-4最大牽引應力云圖 最大牽引力工況下最大應力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為140.27MPa，橋殼材料為16Mn，計算得出的理論應力為200.8MPa，故在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動橋橋殼的強度是符合要求的。 5.3最大制動力工況 邊界條件：一邊在半軸套管支承與橋殼接觸處約束Y軸，另一邊在半軸套管支承與橋殼接觸處約束X、Z軸，兩側(cè)的板簧位置上表面施加向下垂向載荷和向前的縱向載荷，同時施加扭矩。 在此邊界與載荷條件下，得到有限元分析結(jié)果如下圖: 圖5-5最大制動位移圖 最大牽引力工況下驅(qū)動橋殼的最大變形發(fā)在橋殼中段為1.81 mm，故滿載軸荷下每米輪距的最大變形為1.23mm，由于滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5mm，該驅(qū)動橋橋殼的鋼度是合格的。 圖5-6最大制動應力 最大牽引力工況下最大應力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為163.35MPa，橋殼材料為16Mn，計算得出的理論應力為182MP，故在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動橋橋殼的強度是符合要求的。 5.4最大側(cè)向力工況 左側(cè)橋殼與彈簧座接觸面表約束Y、Z軸。右側(cè)橋殼與彈簧座接觸面表約束Z軸。兩側(cè)彈簧座受到向下的載荷和向右側(cè)的載荷。 在此邊界與載荷條件下，得到有限元分析結(jié)果如下圖: 圖5-7最大側(cè)向力位移云圖 最大側(cè)向力工況下驅(qū)動橋殼的最大變形發(fā)在橋殼中段為0.78181mm，故滿載軸荷下每米輪距的最大變形為0.12mm，由于滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5mm，該驅(qū)動橋橋殼的鋼度是合格的。 圖5-8最大側(cè)向力應力云圖 最大側(cè)向力工況下最大應力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為204.31MPa，橋殼材料為16Mn，計算得出的理論應力為215MP，故在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動橋橋殼的強度是符合要求的。 5.5結(jié)果分析 本章主要分析了橋殼有限元模型在四種典型工況下的位移和應力，由仿真結(jié)果可知，橋殼兩端半軸套管處所受的應力最大，根據(jù)之前的計算得出該模型的仿真應力小于理論計算的應力，并且查詢機械設計手冊，得到橋殼允許每米輪距最大變形量為1.5mm，據(jù)上述應力圖與位移圖可知未超過標準，因此符合要求，該橋殼是安全可靠的[18]。 第六章總結(jié) 本文主要對某中型貨車非斷開式鋼板沖壓焊接驅(qū)動橋橋殼的靜、動態(tài)力學性能進行分析和研究。在利用CATIA軟件建立三維實體模型的基礎上,使用有限元軟件對其進行了強度和剛度計算以及自由條件下的模態(tài)分析,獲得橋殼的靜、動態(tài)特性參數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果對橋殼進行結(jié)構(gòu)分析,為橋殼設計提供一些的建議和改進措施。全文主要工作如下： 1. 利用CATIA畫出該中型貨車的驅(qū)動橋橋殼的三維模型，了解了CATIA的建模思路。 2. 根據(jù)靜力學對汽車的最大鉛垂力工況、最大牽引力工況、最大制動力工況和最大側(cè)向力工況這四種典型工況的強度計算。 3.對橋殼進行自由工況的模態(tài)分析,得到結(jié)構(gòu)前6階固有頻率和相應的振型模態(tài),發(fā)現(xiàn)橋殼的振動規(guī)律。 4.利用ANSYS對三維模型進行有限元分析，對汽車參數(shù)進行驗證，保證了汽車的安全性。 參考文獻 [1] 趙棟杰,朱訓棟.基于CAE的橋殼結(jié)構(gòu)分析與改進[J].煤礦機械，2010,31(05):161-163. 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