汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼的建模與有限元分析

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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(lèi) 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(guó)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?jī)?nèi)容 5 第二章 驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度校核計(jì)算 6 2.1 簡(jiǎn)介 6 2.2橋殼的設(shè)計(jì)要求 6 2.3 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算 7 2.4橋殼的四種經(jīng)典工況計(jì)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(chē)緊急制動(dòng)工況 11 2.4.4 汽車(chē)受最大側(cè)向力工況 13 2.3本章小結(jié) 17 第三章 驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化 18 3.4 CATIA模型的建立 19 第四章 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(xiàn) 30 致謝 31 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼的建模與有限元分析 摘 要 本文通過(guò)有限元的靜、動(dòng)態(tài)分析理論作為研究基礎(chǔ)，利用CATIA軟件畫(huà)出所需的幾何模型，并采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)某種中型貨車(chē)進(jìn)行力學(xué)性能分析。然后我們得出了橋殼在四種典型工況下的應(yīng)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(guò)計(jì)算和仿真, 證明該橋殼滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,可以滿(mǎn)足汽車(chē)各種行駛工況,并且不會(huì)引起共振。 關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)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(duì)汽車(chē)性能要求的不斷提高，驅(qū)動(dòng)橋殼作為載重汽車(chē)傳遞及承受載荷的重要安全元件,市場(chǎng)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋在內(nèi)的各總成的要求也相應(yīng)的提高了。因此，我們需要制造設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)橋殼,讓它在運(yùn)動(dòng)載荷下，也可以擁有滿(mǎn)足要求的剛度、強(qiáng)度和良好的動(dòng)態(tài)特性,這有利于降低動(dòng)載荷,并且減少橋殼的質(zhì)量,完成車(chē)身的輕量化，從而提高汽車(chē)行駛平順性和舒適性。 1.2橋殼的分類(lèi) 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(dòng)輪的相對(duì)位置，經(jīng)過(guò)懸架將車(chē)輪承受的力矩傳遞給車(chē)架。橋殼內(nèi)有潤(rùn)滑油，可以潤(rùn)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(lèi)的臟東西進(jìn)入。 驅(qū)動(dòng)橋橋殼按結(jié)構(gòu)型式可分為兩類(lèi),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(gè)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(diǎn)是強(qiáng)度、剛度較大，使用壽命長(zhǎng)。在汽車(chē)檢查時(shí)，不需要把整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋從汽車(chē)上拆下來(lái)，這樣維修起來(lái)比較方便。 圖1-1某型汽車(chē)驅(qū)動(dòng)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(lái)劃分，可以分為鑄造式、鋼板沖壓焊接式和擴(kuò)張式三種。鑄造式橋殼的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度大，缺點(diǎn)是質(zhì)量大，制造工藝復(fù)雜，所以大多用于中、重型貨車(chē)上。鋼板沖壓焊接式和擴(kuò)張式的質(zhì)量相比較鑄造式較小，工藝簡(jiǎn)單，成本較低，比較適用于批量生產(chǎn)，所以廣泛用于轎車(chē)以及中、小型貨車(chē)上。 1.2.2分段式橋殼 分段式橋殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一垂直接合面劃分為左右兩個(gè)部分，每一個(gè)部分都是使用一個(gè)鑄造殼體和一個(gè)從外端壓入得半軸套管而組成的，其中軸管要用鉚釘來(lái)和殼體連接。如圖1-2所示，兩段橋殼用螺栓來(lái)連接。 圖1-2 分段式驅(qū)動(dòng)橋殼 分段式橋殼的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造的工藝性比較好，很容易進(jìn)行鑄造和加工，但是拆裝時(shí)要將整個(gè)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是將主減速器殼體和其中的部分橋殼鑄成一個(gè)整體，之后我們使用無(wú)縫鋼管壓入橋殼殼體的兩端，并用塞焊或銷(xiāo)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(diǎn)為主減速器的裝配比較方便，從動(dòng)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(chē)、輕型貨車(chē)上。 1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 過(guò)去我國(guó)驅(qū)動(dòng)橋橋殼的設(shè)計(jì)采用的是實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)交叉進(jìn)行的研究方法。但是我們?cè)O(shè)計(jì)出的對(duì)象要是實(shí)物，因此在橋殼結(jié)構(gòu)確定之前，我們需要反復(fù)進(jìn)行制造樣品-實(shí)驗(yàn)-修改-再設(shè)計(jì)這樣的循環(huán)，但是這種研究方式太過(guò)于費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重浪費(fèi)了珍貴的人力、物力和財(cái)力。 舉個(gè)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(jiǎn)化為環(huán)形的方法，用彈性力學(xué)的原理得出應(yīng)力分析和變形計(jì)算[1]。雖然彈性力學(xué)的計(jì)算方法確實(shí)很精準(zhǔn)，但是在建模時(shí)，對(duì)橋殼的幾何模型進(jìn)行了太多的簡(jiǎn)化，這導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果并不是那么精確。 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及ANSYS有限元技術(shù)的快速發(fā)展都為汽車(chē)結(jié)構(gòu)與性能的分析帶來(lái)了全新的變革。在國(guó)外,70年代左右,這種方法就已經(jīng)慢慢為汽車(chē)各個(gè)零件的強(qiáng)度分析所進(jìn)行采用,當(dāng)然對(duì)汽車(chē)橋殼的強(qiáng)度分析也包括其中。比如,日本的部分公司對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的要求是在汽車(chē)2.5倍滿(mǎn)載軸荷的作用力下，各斷面的應(yīng)力不應(yīng)該超過(guò)所選材料的屈服極限。在國(guó)內(nèi)，我們已經(jīng)開(kāi)始對(duì)橋殼剛度和強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行有限元分析，利用有限元軟件完各種工況下的模擬。可以使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)使橋殼的設(shè)計(jì)更加合理，為了提高橋殼的強(qiáng)度，我們有以下幾種思路： 1.優(yōu)先使用高強(qiáng)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(guò)合理的熱處理,可以提高材料的抵抗破壞能力。 許多專(zhuān)家對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行過(guò)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(wèn)題。近幾年,重多研究人員與企業(yè)開(kāi)始聯(lián)合,利用有限元法對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和動(dòng)態(tài)分析。 文獻(xiàn)[2]建立了礦用汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋橋殼的有限元模型，在汽車(chē)極限工況下，進(jìn)行了橋殼的力學(xué)性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，橋殼主體和半軸套管處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，但是懸架支座處的應(yīng)力出現(xiàn)局部過(guò)大的情況。 文獻(xiàn)[3]針對(duì)某種微型汽車(chē)的橋殼進(jìn)行壓力檢測(cè)時(shí)，發(fā)生了斷裂的現(xiàn)象，通過(guò)有限元的使用，利用面向特征進(jìn)行建模，并建立了橋殼的有限元模型。通過(guò)計(jì)算得出，如果橋殼出現(xiàn)了局部應(yīng)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(yīng)力減小。 文獻(xiàn)[4]首先介紹了有限元的實(shí)際應(yīng)用,之后利用有限元分析軟件對(duì)汽車(chē)橋殼進(jìn)行分析計(jì)算，并簡(jiǎn)單的說(shuō)明了傳統(tǒng)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算方法，讓我們了解了有限元分析的眾多優(yōu)點(diǎn)。 文獻(xiàn)[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(diǎn)和實(shí)驗(yàn)方法，建立了橋殼的多種動(dòng)態(tài)模型。在此模型上施加不同的約束和載荷，得出驅(qū)動(dòng)橋橋殼的應(yīng)變響應(yīng)，從而確定橋殼的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)，然后進(jìn)行仿真模擬。 雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于橋殼輕量化已經(jīng)做了很多的研究，但是與國(guó)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(guó)家缺少先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，導(dǎo)致沒(méi)有開(kāi)發(fā)新制造工藝的動(dòng)力，沒(méi)能體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)勢(shì)； 2. 利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念來(lái)彌補(bǔ)實(shí)際生產(chǎn)的意識(shí)不足； 3. 沒(méi)有認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)輕量化能為社會(huì)帶來(lái)多大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益； 4. 由于大多是憑借以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)修改主要零件的參數(shù)尺寸，因此往往我們只會(huì)去校核橋殼在一般靜態(tài)工況下的力學(xué)性能； 5. 我國(guó)的研究硬件設(shè)施過(guò)于落后，科研實(shí)力比不上其他國(guó)家。 1.4選題的目的和意義 驅(qū)動(dòng)橋是位于汽車(chē)傳動(dòng)系末端的汽車(chē)主要承載件之一，其中橋殼的主要作用是支撐并保護(hù)主減速器、半軸和差速器，并且將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞到左、右驅(qū)動(dòng)輪上。 橋殼是汽車(chē)傳動(dòng)系中的主要傳動(dòng)件和承載件，由于使用頻率高，磨損嚴(yán)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(huì)直接影響汽車(chē)的實(shí)際使用性能和實(shí)際使用壽命。首先橋殼要擁有良好的力學(xué)性能，如足夠的強(qiáng)度、剛度和動(dòng)態(tài)特性，所以我們要合理地設(shè)計(jì)橋殼，使得汽車(chē)的平順性和舒適性提高。因?yàn)槲覀円ＷC汽車(chē)在靜止、加速、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)之類(lèi)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(lì)的頻率和橋殼的固有頻率基本相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生汽車(chē)結(jié)構(gòu)的共振，引起較大的動(dòng)應(yīng)力。因此，我們需要對(duì)橋殼進(jìn)行力學(xué)性能分析，這是研究汽車(chē)各個(gè)零部件破損原因的重點(diǎn)。汽車(chē)的行駛條件多種多樣，橋殼也要承受多種十分復(fù)雜工況下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，而動(dòng)態(tài)載荷的動(dòng)態(tài)應(yīng)力相比較于靜態(tài)應(yīng)力會(huì)大出很多，這是橋殼破損的主要因素。通過(guò)研究橋殼的靜態(tài)和動(dòng)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(dòng)載荷，以提高我們駕駛汽車(chē)時(shí)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(shí)所發(fā)生的問(wèn)題,并對(duì)其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和優(yōu)化改造提供優(yōu)質(zhì)的參考和指導(dǎo),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(jìng)爭(zhēng)力,具有較大的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 1.5課題的主要研究?jī)?nèi)容 通過(guò)上面的論述可知，驅(qū)動(dòng)橋橋殼的設(shè)計(jì)對(duì)于汽車(chē)性能的影響很大，所以合理地設(shè)計(jì)橋殼也是重中之重。其中應(yīng)用有限元軟件來(lái)分析橋殼的力學(xué)性能更是重點(diǎn)。本文研究的對(duì)象是鋼板沖壓焊接整體式橋殼，這種橋殼的特點(diǎn)有制造工藝簡(jiǎn)單、材料利用率高、成本低、安全可靠。本課題運(yùn)用CATIA軟件建立了幾何模型，然后利用ANSYS有限元軟件對(duì)橋殼四種典型工況和前6階模態(tài)進(jìn)行分析。 本課題開(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究工作： （1）計(jì)算得出四種工況下橋殼危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力。 （2）學(xué)習(xí)和掌握CATIA軟件，利用CATIA建立驅(qū)動(dòng)橋殼的幾何模型。 （3）利用ANSYS軟件進(jìn)行橋殼的模態(tài)分析。 （4) 利用ANSYS軟件對(duì)橋殼在四種典型工況下做有限元分析，得出相對(duì)應(yīng)的位移圖和應(yīng)力圖。 (5) 根據(jù)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證位移和應(yīng)力的規(guī)律，得出橋殼的設(shè)計(jì)是否能保證汽車(chē)行駛安全。 第二章 驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度校核計(jì)算 2.1 簡(jiǎn)介 橋殼作為汽車(chē)的傳動(dòng)件和承載件，所要承受的工作環(huán)境十分復(fù)雜，行駛路況也是千變?nèi)f化，因此當(dāng)我們需要精確的計(jì)算出汽車(chē)在不同路況時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)很難分析作用于橋殼的應(yīng)力。所以，本課題將橋殼復(fù)雜的受力路況簡(jiǎn)要概括為四種典型的計(jì)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(dòng)力工況和最大側(cè)向力工況。我們通過(guò)計(jì)算在這四種典型工況下橋殼的強(qiáng)度，只要強(qiáng)度小于材料的許用強(qiáng)度，就可以認(rèn)為該橋殼在汽車(chē)的各種行駛條件下是安全可靠的。 2.2橋殼設(shè)計(jì)要求 橋殼的各項(xiàng)參數(shù)通過(guò)查閱資料得出，如表2-1 表2-1 驅(qū)動(dòng)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(dòng)比 5.71 總質(zhì)量M/kg 10000 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 593 滾動(dòng)半徑 m 0.527 軸距L mm 3800 驅(qū)動(dòng)橋橋殼應(yīng)滿(mǎn)足如下的設(shè)計(jì)要求[7]: 1. 橋殼應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，如足夠的強(qiáng)度和剛度，確保主減速器齒輪的嚙合，并彎曲應(yīng)力不會(huì)再半軸上產(chǎn)生。 2.在保證剛度、強(qiáng)度和壽命的基礎(chǔ)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(chē)行駛時(shí)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(chē)擁有合理的離地距離。 4.拆裝部件、調(diào)整尺寸和維修汽車(chē)方便。 5.要有防止泥水或灰塵進(jìn)入傳動(dòng)部件的能力。 6.結(jié)構(gòu)工藝性好，制造工藝簡(jiǎn)單，材料利用率高，成本低。 如今的汽車(chē)行駛路面越來(lái)越平坦，汽車(chē)也開(kāi)始向高速化和輕量化發(fā)展，所以汽車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)愈加合理，這樣才能滿(mǎn)足汽車(chē)高速行駛的要求。 2.3 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算 當(dāng)滿(mǎn)載汽車(chē)停在水平面時(shí)，橋殼就像空心梁一樣，在鋼板彈簧座處，橋殼將會(huì)承受垂直于地面的載荷，而地面會(huì)給左右輪胎以反力，這樣橋殼就會(huì)承受來(lái)自輪胎的反力和車(chē)輪重力的差值，即，計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖，2-1 圖2-1橋殼靜彎曲應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖 按照靜載荷計(jì)算橋殼彎矩時(shí),可以得出鋼板彈簧座之間彎矩M等于 （2-1） 式中：——汽車(chē)滿(mǎn)載靜止時(shí)對(duì)地面的載荷，98000N； ——汽車(chē)輪胎的重力，約為0N； B ——汽車(chē)車(chē)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(xiǎn)斷面。由于遠(yuǎn)小于,,所以當(dāng)無(wú)參數(shù)時(shí)可以忽略不計(jì)。則此處?kù)o彎曲應(yīng)力： （2-2） 式中: M——見(jiàn)（3-1） ——危險(xiǎn)斷面處（鋼板彈簧處）橋殼的垂直彎曲界面系數(shù)。見(jiàn)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(guò)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(xiǎn)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(jì)算 汽車(chē)在行駛過(guò)程中所遇到的情況是千變?nèi)f化的，所以在真正的行駛過(guò)程中，工況是很復(fù)雜的，所以我將復(fù)雜的情況簡(jiǎn)化為四種典型計(jì)算工況[8]： 1.當(dāng)滿(mǎn)載汽車(chē)通過(guò)不平路面時(shí),即車(chē)輪承受最大鉛垂力工況； 2.當(dāng)滿(mǎn)載汽車(chē)以最大牽引力行駛時(shí),即車(chē)輪承受最大切向力工況； 3.當(dāng)滿(mǎn)載汽車(chē)發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)，即車(chē)輪承受最大切向力工況； 4.當(dāng)滿(mǎn)載汽車(chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí),即車(chē)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(jì)算得出的強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足許用應(yīng)力，那么就可以認(rèn)為汽車(chē)是安全可靠的[9]。 2.4.1 在不平路面沖擊載荷作用工況 當(dāng)高速行駛汽車(chē)在不平路面上時(shí)，橋殼不只要去承受靜止?fàn)顟B(tài)的載荷，還要承受額外的沖擊載荷。所以我們?cè)诓豢紤]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(yīng)力為： （2-3） 式中： —?jiǎng)虞d荷系數(shù)，對(duì)載貨貨車(chē)取2.5； —橋殼在靜載荷下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，150MPa 2.4.2 以最大牽引力行駛工況 當(dāng)滿(mǎn)載汽車(chē)以最大牽引力行駛時(shí)，橋殼會(huì)承受兩部分的力，即最大牽引力和垂向力，發(fā)動(dòng)機(jī)也以最大轉(zhuǎn)矩工作。這種情況不分析側(cè)向力，汽車(chē)沿直線運(yùn)動(dòng)。如圖2-2。 圖2-2 汽車(chē)以最大牽引力行駛時(shí)的受力簡(jiǎn)圖 假設(shè)地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋兩個(gè)車(chē)輪的垂向反作用力相等，則 （2-4） 式中：——滿(mǎn)載汽車(chē)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(dòng)輪上的最大切向反力共為： （2-5） 式中；——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，593 N.m； ——變速器I檔傳動(dòng)比，9； ——驅(qū)動(dòng)橋的主減速比,5.71； —— 傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率,0.9； ——驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的滾動(dòng)半徑，0.527m。 如果認(rèn)為傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率為100%，，將式（2-5）代入式（2-6）中，得： （2-6） 式中： ——路面對(duì)一個(gè)后驅(qū)動(dòng)車(chē)輪施加的垂直反作用力，N； ——滿(mǎn)載汽車(chē)靜止于水平地面時(shí)地面受到的載荷，98000N； ——汽車(chē)質(zhì)心高度，0.88m; L——汽車(chē)軸距，3.8m ——加速行駛時(shí)，汽車(chē)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。 由式（2-5）可知對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋 （2-7） 若式（2-7）中某些參數(shù)不全，導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算值時(shí)， 值可以在下列范圍內(nèi)選出：對(duì)于載貨驅(qū)車(chē)后驅(qū)動(dòng)橋=1.1~1.3[10]。 后驅(qū)動(dòng)橋殼的兩個(gè)鋼板彈簧座之間的垂向彎矩 （2-8） 式中:，，B，s——見(jiàn)式（2—1）下的說(shuō)明。 因?yàn)檐?chē)輪要承受來(lái)自地面對(duì)自己的最大切向反作用力，使得橋殼也要去承受來(lái)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(dòng)橋，因?yàn)橹暗贸鲎笥臆?chē)輪的轉(zhuǎn)矩相同，所以得出： （2-9） 式中；——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，593 N.m； ——變速器I檔傳動(dòng)比，9； ——驅(qū)動(dòng)橋的主減速比,5.71； —— 傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率,0.9； 如果我們選用的差速器使得左右兩個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)矩不等，那么我們可以選擇驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大一點(diǎn)的那個(gè)來(lái)代替上面式子的。 當(dāng)然橋殼還要承受由于驅(qū)動(dòng)橋傳遞轉(zhuǎn)矩之后所產(chǎn)生的反力矩，那么這時(shí)可以得出在兩個(gè)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(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·M； ———傳動(dòng)系的最低擋傳動(dòng)比； ——傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率； 當(dāng)橋殼的危險(xiǎn)斷面在鋼板彈簧座附近是圓管截面時(shí)，可以得出該斷面處的合成彎矩為 （2-11） 該危險(xiǎn)斷面處的合成應(yīng)力為 （2-12） 式中：——水平彎曲截面系數(shù)。 ，——分別為兩個(gè)彈簧座之間的垂向彎矩和水平彎矩； 下圖為汽車(chē)以最大牽引力行駛時(shí)，后驅(qū)動(dòng)橋橋殼的受力分析簡(jiǎn)圖。如圖2-3 圖2-3驅(qū)動(dòng)橋橋殼的受力分析簡(jiǎn)圖 2.4.3 汽車(chē)緊急制動(dòng)工況 此種工況下，我們不去考慮側(cè)向力，可以得出汽車(chē)在緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡(jiǎn)圖，如圖2-4所示： 圖2-4汽車(chē)在緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡(jiǎn)圖 假設(shè)路面對(duì)驅(qū)動(dòng)橋兩車(chē)輪的垂直作用力相等，則： （2-13） 式中： Ga——汽車(chē)滿(mǎn)載靜止于水平地面時(shí)給地面的總荷載，98000N； ——汽車(chē)質(zhì)心高度，0.88m； G ——重力加速度，m/； a ——制動(dòng)加速度，m/。 因，故制動(dòng)加速度a為: 代入式（2-9）得： （2-14） 式中： —地面對(duì)一個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪的垂直反作用力，N； —輪胎與路面之間的附著系數(shù)，在計(jì)算時(shí)取0.8； —汽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，計(jì)算時(shí)取0.8。 如果在計(jì)算時(shí) ，、等參數(shù)沒(méi)有規(guī)定，的值可在以下范圍內(nèi)取：載貨汽車(chē)后驅(qū)動(dòng)橋取m2=0.75~0.95[11]。所以此時(shí)取0.8. 圖2-5是汽車(chē)發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)橋殼的受力分析圖，這時(shí)作用在兩個(gè)車(chē)輪上的力不僅有垂向反力/2,還有切向反力，即地面對(duì)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的制動(dòng)力/2 。通過(guò)這些條件，可以計(jì)算出汽車(chē)在緊急制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)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(chē)發(fā)生制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，計(jì)算后驅(qū)動(dòng)橋殼時(shí)取 圖2-5緊急制動(dòng)時(shí)橋殼受力圖 橋殼在兩個(gè)鋼板彈簧座外側(cè)處，會(huì)承受來(lái)自制動(dòng)力帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩T，可以求出此時(shí)的轉(zhuǎn)矩為： （2-17） 式中：———驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的滾動(dòng)半徑，0.527m; ———輪胎與路面之間的附著系數(shù)，在計(jì)算時(shí)取=0.8 當(dāng)橋殼的危險(xiǎn)截面在鋼板彈簧座附近為圓管截面的時(shí)候，在該斷面處的合成彎矩為 （2-18） 該危險(xiǎn)斷面處的合成應(yīng)力為 （2-19） 2.4.4 汽車(chē)受最大側(cè)向力工況 當(dāng)滿(mǎn)載的汽車(chē)進(jìn)行很快速度的轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)在汽車(chē)質(zhì)心處出現(xiàn)一個(gè)很大的離心力，汽車(chē)也會(huì)由于某些原因而承受側(cè)向力，當(dāng)汽車(chē)承受的側(cè)向力達(dá)到最大值時(shí)，汽車(chē)將會(huì)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(chē)就會(huì)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(dòng)橋所受的側(cè)向力，N； 、——地面給兩個(gè)輪胎的側(cè)向反作用力，N； ——滿(mǎn)載汽車(chē)靜止路面時(shí)對(duì)地面的載荷，98000N ——輪胎與地面之間的側(cè)向附著系數(shù)，在計(jì)算時(shí)取=1 因?yàn)樵谄?chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí)，我們可以在計(jì)算過(guò)程中，把地面對(duì)車(chē)輪的切向反作用力認(rèn)為是零。 下圖是汽車(chē)發(fā)生向右側(cè)滑的受力分析簡(jiǎn)圖，可以根據(jù)該圖，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)橋發(fā)生側(cè)滑時(shí)兩個(gè)輪胎的支承反力為 （2-21） （2-22） 式中：——兩個(gè)車(chē)輪的支承反力，N； ——汽車(chē)滿(mǎn)載時(shí)的質(zhì)心高度，0.88m; ——驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的輪距,2.2m。 當(dāng)/B時(shí)，=0, =，在此情況下，可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋的全部載荷都會(huì)偏向一端的車(chē)輪，然而這種極端的情況會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，我們要盡量去降低質(zhì)心高。 圖2-6 汽車(chē)向右側(cè)滑時(shí)的受力簡(jiǎn)圖 如果我們的驅(qū)動(dòng)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(duì)輪轂軸承。這些軸承我們一般會(huì)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(huì)離得和輪轂的內(nèi)軸承近一點(diǎn)。發(fā)生側(cè)滑時(shí)，內(nèi)外輪轂軸承對(duì)于輪轂的徑向支承力，可以通過(guò)單個(gè)車(chē)輪的受力平衡來(lái)得出。如圖2-7。 圖2-7側(cè)滑時(shí)輪轂受力圖 從圖的右側(cè)（與側(cè)滑方向相同）的車(chē)輪來(lái)說(shuō)，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(chē)輪來(lái)說(shuō)，內(nèi)、外軸承的徑向支承力為 （2-25） （2-26） 上式中：———車(chē)輪滾動(dòng)半徑，0.527m; a,b, ,,———如圖2-7，其中路面對(duì)兩個(gè)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(jì)算求得的、、、值代入式，可以求出輪轂軸承對(duì)半軸套管的徑向支承反力。然后我們可以根據(jù)計(jì)算得到的力和橋殼在彈簧座上的垂向力，從而畫(huà)出橋殼在汽車(chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí)的垂直受力彎矩圖，如圖2-8所示。 圖2-8 汽車(chē)向右側(cè)滑時(shí)橋殼所受的垂向力及垂向彎矩 綜上所述，當(dāng)時(shí)，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(shí)的彎矩圖可以從圖2-7(b)看出。 如前所述，汽車(chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí)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?yàn)閭?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(huì)導(dǎo)致輪胎的支承剛度變大。不然的話(huà)，一旦兩軸承相碰時(shí)，那么車(chē)輪將無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，支承剛度會(huì)變低，這樣會(huì)出現(xiàn)接近于3/4浮式半軸時(shí)一樣的情況。如果的值過(guò)大，同樣也會(huì)導(dǎo)致輪轂變寬以及質(zhì)量變大，從而導(dǎo)致布置時(shí)會(huì)十分困難。我們?cè)谠O(shè)計(jì)汽車(chē)的時(shí)候，通常取，地面對(duì)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(huì)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(diǎn)，當(dāng)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(huì)發(fā)生在側(cè)滑時(shí)，因此輪軸也同樣是在滿(mǎn)載汽車(chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí)，會(huì)承受最大彎矩和應(yīng)力[12]。 由圖2-8可知，輪軸即半軸套管的危險(xiǎn)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(jì)，并將上式經(jīng)整理后得 （2-30） 式中:、、、B—見(jiàn)上文式下說(shuō)明； 、a—見(jiàn)式下說(shuō)明。 彎曲應(yīng)力為 （2-31） 式中：D、d——計(jì)算斷面的內(nèi)、外徑。D=140mm，d=110mm ——由式2-30可知 剪切應(yīng)力為 （2-32） 式中：D、d——計(jì)算斷面的內(nèi)、外徑。D=140mm，d=110mm ——由2-24可知 合成應(yīng)力為 （2-33） 查詢(xún)手冊(cè)可以知道一般橋殼的許用彎曲應(yīng)力為300~500Mpa，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(yīng)力為500Mpa，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(chē)的行駛情況十分復(fù)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(chē)在這四種工況下的理論應(yīng)力，只要計(jì)算出的應(yīng)力大于之后ANSYS分析的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力，那么該橋殼就是滿(mǎn)足條件的，汽車(chē)性能安全可靠。 第3章 驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型的建立 3.1 catia軟件介紹 CATIA是由法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的CAD/CAM軟件，CATIA的曲面設(shè)計(jì)功能相較于其他繪圖軟件更為完善。CATIA軟件最先應(yīng)用于航天業(yè)，之后開(kāi)始廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車(chē)制造、電器生產(chǎn)、消費(fèi)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(xué)習(xí)和應(yīng)用中慢慢體會(huì)，也要和別人多多交流[14]。 3.2 幾何建模的技巧 我們?cè)谶x取總坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)盡量將其與橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)坐標(biāo)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(shí)體模型,了解橋殼的基本構(gòu)造，然后開(kāi)始繪制平面草圖。實(shí)體特征大都是由草圖通過(guò)各種命令,如拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除等形成的。 幾何建模時(shí),不要使用太多的特征平面來(lái)建模。先生成簡(jiǎn)單、平整的特征面，比如圓面、矩形面，再生成較為復(fù)雜的曲面，如圓面和矩形面之間的過(guò)渡曲面。 觀察模型特征的對(duì)稱(chēng)性,使用平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像幾何形狀等方法進(jìn)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(jiǎn)化 完成幾何建模之后，我們才可以去進(jìn)行有限元分析，因此在建立橋殼的三維模型時(shí)，我們要好好思考有限元建模的特點(diǎn)。我們做有限元模型時(shí)，要注意的點(diǎn)有，有限元模型不單單要能夠準(zhǔn)確的的反應(yīng)橋殼的力學(xué)性能，還要采用簡(jiǎn)單的單元形態(tài)，在可以盡量減小計(jì)算難度的前提下,同時(shí)也要保證模型具有較高的精度。為了滿(mǎn)足這些要求,我們?cè)诮缀文Ｐ颓?就要考慮如何簡(jiǎn)化實(shí)際模型。 我們根據(jù)橋殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本課題在建立橋殼的三維幾何模型時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)做出了以下簡(jiǎn)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(gè)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(jiǎn)化建模和網(wǎng)格劃分。 （5）把橋殼中不屬于危險(xiǎn)部分的圓角、倒角簡(jiǎn)化成直角。 （6）忽略焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。 3.4 CATIA模型的建立 簡(jiǎn)化橋殼主要由橋殼主體和半軸套管組成。我們?cè)贑ATIA中進(jìn)行三維建模,然后將各零部件進(jìn)行裝配即可。 （3-1）橋殼實(shí)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(dòng)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(guó)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(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的通用分析軟件,可廣泛地應(yīng)用于石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、交通運(yùn)輸、電子、國(guó)防軍工、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、等一般工業(yè)及科學(xué)研究。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元法也如同坐上了一輛順風(fēng)車(chē)一樣，與計(jì)算機(jī)技術(shù)一同蓬勃發(fā)展。有限元放可以分析十分復(fù)雜的情況，其計(jì)算方法十分規(guī)范,通過(guò)計(jì)算機(jī)能夠很方便地模擬汽車(chē)各零部件的受力情況,可以進(jìn)行力學(xué)性能的有限元分析,也可以通過(guò)模態(tài)分析得出我們所需要的模態(tài)與振型,很真實(shí)地描繪出模型的動(dòng)態(tài)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，有限元計(jì)算的結(jié)果都會(huì)比其他計(jì)算方法精準(zhǔn)，這樣也能與實(shí)際尺寸相差無(wú)幾，可以以此為依據(jù)進(jìn)行尺寸的更改。同時(shí),可以利用有限元分析的結(jié)果進(jìn)行多種方案的對(duì)比,如此可以更好的取優(yōu)化我們?cè)O(shè)計(jì)的方案。有限元法能幫助我們?nèi)ソ鉀Q復(fù)雜的問(wèn)題，如對(duì)于復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)，不能驚喜精確的計(jì)算。有限元法改變了我們以前憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，所以能局部得到廣泛應(yīng)用。如今，我們將有限元法投入到汽車(chē)的設(shè)計(jì)中來(lái)，不僅可以提高汽車(chē)的質(zhì)量，也能縮短新車(chē)型的開(kāi)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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼就行有限元建模，并對(duì)模型進(jìn)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(dòng)生成網(wǎng)格，共劃分43119個(gè)網(wǎng)格單元，77918個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，如圖4-1、4-2 圖（4-1）導(dǎo)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(jìn)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(huì)用兩種不同的材料定義,詳見(jiàn)表4-1 表（4-1）橋殼材料單元的各屬性 名稱(chēng) 材料 彈性模量（Pa） 泊松比 密度（kg/） 許用應(yīng)力（Mpa） 橋殼本體 16Mn 0.3 340 半軸套管 40Cr 0.3 650 選取對(duì)應(yīng)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(guò)對(duì)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?yàn)闃驓さ淖杂啥任覀儧](méi)有進(jìn)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?cè)谶@忽略前6階剛體模態(tài),第7階模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)實(shí)際第1階的模態(tài)頻率,根據(jù)這個(gè)規(guī)律,可以計(jì)算得到的前6階模態(tài)下的固有頻率值見(jiàn)表4-2 表（4-2） 前六階模態(tài)下的固有頻率計(jì)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(duì)應(yīng)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(dòng)可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合,其中低階的振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響比高階振型大,因此低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)應(yīng)的振型圖，初步對(duì)橋殼的振動(dòng)特性有了一定的了解，從中得出了規(guī)律。我們?cè)隈{駛汽車(chē)時(shí)，橋殼會(huì)發(fā)生振動(dòng)，而這振動(dòng)主要是由于輪胎和地面之間存在相互作用力還加上汽車(chē)自身也會(huì)發(fā)生振動(dòng)，所以橋殼振動(dòng)的主要原因就是路面不平度。如果我們?cè)诒容^平坦的路面上行駛，只會(huì)有對(duì)稱(chēng)垂直載荷作用在汽車(chē)上，這種載荷會(huì)導(dǎo)致橋殼發(fā)生同向彎曲模態(tài)。但是在不平的路面上開(kāi)車(chē)時(shí)，我們的汽車(chē)會(huì)受到非對(duì)稱(chēng)的載荷，這會(huì)導(dǎo)致橋殼發(fā)生異向彎曲模態(tài)。查閱資料可以得知汽車(chē)的振動(dòng)系統(tǒng)承受路面作用的激勵(lì)大多屬于0~50Hz的垂直振動(dòng)，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(huì)發(fā)生因?yàn)槁访婕?lì)而引起的橋殼共振，我們?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)自由度和沿X、Y、Z軸的平動(dòng)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(mǎn)載軸荷下驅(qū)動(dòng)橋殼的最大變形發(fā)在橋殼的中間部分為1.2873 mm，滿(mǎn)載軸荷下每米輪距的最大變形為0.87mm。由于滿(mǎn)載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過(guò)1.5 mm，在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動(dòng)橋殼的鋼度是合格的。（注：該驅(qū)動(dòng)橋橋殼實(shí)際長(zhǎng)度為1470mm） 圖5-2最大垂直力工況荷載應(yīng)力云圖 滿(mǎn)載軸荷下驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為250.33MPa，計(jì)算得出的理論應(yīng)力為375MPa，故在最大鉛垂力工況下，橋殼的強(qiáng)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(shí)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(dòng)橋殼的最大變形發(fā)在橋殼中段為0.92888mm，故滿(mǎn)載軸荷下每米輪距的最大變形為0.67mm，由于滿(mǎn)載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過(guò)1.5mm，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼的鋼度是合格的。 圖5-4最大牽引應(yīng)力云圖 最大牽引力工況下最大應(yīng)力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為140.27MPa，橋殼材料為16Mn，計(jì)算得出的理論應(yīng)力為200.8MPa，故在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼的強(qiáng)度是符合要求的。 5.3最大制動(dòng)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(shí)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(dòng)位移圖 最大牽引力工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的最大變形發(fā)在橋殼中段為1.81 mm，故滿(mǎn)載軸荷下每米輪距的最大變形為1.23mm，由于滿(mǎn)載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過(guò)1.5mm，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼的鋼度是合格的。 圖5-6最大制動(dòng)應(yīng)力 最大牽引力工況下最大應(yīng)力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為163.35MPa，橋殼材料為16Mn，計(jì)算得出的理論應(yīng)力為182MP，故在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼的強(qiáng)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(dòng)橋殼的最大變形發(fā)在橋殼中段為0.78181mm，故滿(mǎn)載軸荷下每米輪距的最大變形為0.12mm，由于滿(mǎn)載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過(guò)1.5mm，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼的鋼度是合格的。 圖5-8最大側(cè)向力應(yīng)力云圖 最大側(cè)向力工況下最大應(yīng)力發(fā)在兩側(cè)半軸套筒處，為204.31MPa，橋殼材料為16Mn，計(jì)算得出的理論應(yīng)力為215MP，故在最大鉛垂力工況下，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼的強(qiáng)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(yīng)力，由仿真結(jié)果可知，橋殼兩端半軸套管處所受的應(yīng)力最大，根據(jù)之前的計(jì)算得出該模型的仿真應(yīng)力小于理論計(jì)算的應(yīng)力，并且查詢(xún)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得到橋殼允許每米輪距最大變形量為1.5mm，據(jù)上述應(yīng)力圖與位移圖可知未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)某中型貨車(chē)非斷開(kāi)式鋼板沖壓焊接驅(qū)動(dòng)橋橋殼的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析和研究。在利用CATIA軟件建立三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上,使用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度計(jì)算以及自由條件下的模態(tài)分析,獲得橋殼的靜、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,為橋殼設(shè)計(jì)提供一些的建議和改進(jìn)措施。全文主要工作如下： 1. 利用CATIA畫(huà)出該中型貨車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋橋殼的三維模型，了解了CATIA的建模思路。 2. 根據(jù)靜力學(xué)對(duì)汽車(chē)的最大鉛垂力工況、最大牽引力工況、最大制動(dòng)力工況和最大側(cè)向力工況這四種典型工況的強(qiáng)度計(jì)算。 3.對(duì)橋殼進(jìn)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(yīng)的振型模態(tài),發(fā)現(xiàn)橋殼的振動(dòng)規(guī)律。 4.利用ANSYS對(duì)三維模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)汽車(chē)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，保證了汽車(chē)的安全性。 參考文獻(xiàn) [1] 趙棟杰,朱訓(xùn)棟.基于CAE的橋殼結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)[J].煤礦機(jī)械，2010,31(05):161-163. 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