（机械制造及其自动化专业论文）重型载货车da485驱动桥壳的应力分析.pdf

摘要 摘要 随着中国国民经济高速发展，汽车工业已迈入新时代，重型载货车的需求量 大大增加，对重型汽车的性能要求越来越高，这使得传统的驱动桥桥壳设计计算 方法已经无法满足现代汽车设计的要求。计算机的更新换代及有限元法的飞速发 展，为驱动桥壳的结构设计与性能的计算分析带来了新的春天。 由于驱动桥桥壳是汽车的重要承载件和传动件，是维系车辆运行安全的关键 部件，桥壳的性能和疲劳寿命直接影响汽车的有效使用寿命。因此，驱动桥壳应 具有足够的强度、刚度和良好的疲劳耐久特性。合理地设计驱动桥壳也是提高汽 车安全性和舒适性的重要措施。 论文利用p r o e 建模软件建立d a 4 8 5 驱动桥壳三维模型。采用最新的a b a q u s 有限元平台，按国家驱动桥壳台架试验的标准，在计算机中对d a 4 8 5 驱动桥桥壳 进行有限元分析，其中包括了静力分析、台架模拟、应力分析。有限元静力分析 结果表明，d a 4 8 5 桥壳垂直静强度和疲劳强度符合规范要求。然后，做了桥壳的 应力断裂分析，同时得到桥壳在典型工况下的应力分布及应力危险点位置；最后， 在全面整合各种模拟仿真的结果基础上，找出桥壳应力高的根本原因是焊缝质量 不合格导致断裂。并通过尝试性的模拟计算，发现提高加工质量与注意轴头与壳 体的焊接能够有效的提高型桥壳的性能和使用寿命，为企业节省了时间及开发经 费。 关键词：驱动桥桥壳；有限元；应力分析；改进措施 i l l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yr u n sf a s tb yt h ec h i n e s ee c o n o m i ch i l g hs p e e d d e v e l o p m e n t t h eq u a n t i t yo ft h eh e a v yt r u c kd e m a n d sb e c o m e sm o r ea n dm o r e h i g h l y , t h ef u n c t i o no ft h eh e a v yt r u c ki sm o r ee x c e l l e n t ，s ot h ef e a s i b l et r a d i t i o n d e s i g n so ft h ea u t o m o b i l ed r i v ea x l eh o u s i n ga l r e a d yh a v e n ts a t i s f yt h er e q u e s tt h a t m o d e md e s i g n s t h ec a l c u l a t i o na n a l y s i st h a tt h ee l e c t r o n i cc o m p u t e ra p p e a r i n g d e v e l o p sa tf u l ls p e e df o rt h es t r u c t u r ed e s i g n sa sw e l la sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a f t e r h a sb r o u g h ta b o u tn e wr e v o l u t i o n s i n c et h ea x l eh o u s i n gi sm a i n l yc a r r y m ga n dp a s s i n gc o m p o n e n t so ft h ev e h i c l e ， t h ea x l eh o u s i n gf u n c t i o na n df a t i g u el i f eh a v ed i r e c ti m p a c tt oe f f e c t i v ea u t o m o b i l e u s e f u lt i m e ，t h ea x l eh o u s i n gs h o u l dh a v es u f f i c i e n ti n t e n s i t y , s t i f m e s sa n dw e l l d u r a b l ef a t i g u ep r o p e r t y t h e r e f o r e ，t h ea x l eh o u s i n gd e s i g n sa r ea l s ot oi m p r o v e a u t o m o b i l es a f e t ya n dt h ec o m f o r t a b l e n e s si m p o r t a n c er a t i o n a l l ym e t h o d s t h et h e s i sh a sb u i l t3 dm o d e l so fd a 4 8 5t y p e sa x l eh o u s i n gu s i n gp r o e s o f t w a r e d r i v ea x l eh o u s i n gh a sb e e ns i m u l a t e db yf e ai nt h ec o m p u t e r , i n c l u d e d s t a t i ca n a l y s i s ，f a t i g u ea n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i sa m o n gt h e mb yu s i n ga b a q u s w o r k b e n c hf e aa n ds i m u l a t ep l a t f o r m , a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r do fd r i v e a x l eh o u s i n gt e s t s t h er e s u l to fs t a t i ca n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ep e r p e n d i c u l a r i t y i n t e n s i t ya n df a t i g u es t r e n g t ho ft h ed a 4 8 5 d r i v ea x l eh o u s i n gi sq u a l i f i e d t h ec r a c k s t r e s sf o rd r i v ea x l eh o u s i n go fd a 4 8 5h a sb e e na n a l y z e dt h e n , a n dt h es t r e s s d i s t r i b u t i o na n dd a n g e r o u ss t r e s sp o s i t i o na l eo b t a i n e dm e a n w h i l e t h er e a s o no fa x l e h o u s i n gh i g hp r e s sh a sb e e na n a l y z e db yc o m b i n i n gw i t ht h ep r o j e c te x a m p l el a s t l y , t h eu l t i m a t er e a s o no fa x l eh o u s i n gs t r a i nh i g hl e a d i n gt oa x l eh o u s i n gb r o k e ni s w e l d i n gs e a mu n q u a l i f i e dh a sb e e nf o u n do u tb a s e d o ni n t e g r a t i n gv a r i o u ss i m u l a t i o n r e s u l tf i n a l l y t h ep a p e rh a sd i s c o v e r e di m p r o v i n gt h em a c h i n i n gq u a l i t ya n dp a y i n g a t t e n t i o nt ot h ew e l d i n go fa x l e - t u b ea n da x l eh o u s i n gm a yi m p r o v ep e r f o r m a n c ea n d t h el i f eo fa x l eh o u s i n ge f f e c t i v e l yb ya t t e m p t i n gs i m u l a t i n go rc a l c u l a t i o n , s oa st o i v 摘要 s a v et i m ea n dd e v e l o p i n go u t l a yf o re n t e r p r i s e k e yw o r d s ：d r i v ea x l eh o u s i n g ；f e a ；p r e s sa n a l y s i s ；i m p r o v em e a s u r e v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盎! 益蔓 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：庠幽师签名：挝 第1 章绪论 1 1 汽车驱动桥桥壳概述 1 1 1 汽车驱动桥桥壳的结构特征 汽车通常由发动机、底盘、车身和电器设备四部分组成。其中底盘由传动 系、行驶系、转向系和制动系四个系统组成，而汽车驱动桥属于传动系中不可 缺少的组成部分。 后柝并羞速器壳 图1 1 驱动桥结构 如图1 1 ，驱动桥壳是安装主减速器、差速器、半轴、轮毂和悬架的基础 件，主要作用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等。同时，它又是行驶系 的主要组成件之一。 1 1 2 汽车驱动桥桥壳的分类及特点 驱动桥壳可分为整体式和分段式两类。 整体式桥壳是桥壳与主减速器壳分丌制造，二者用螺栓连接在一起。它的 结构优点是在检查主减速器和差速器的技术状况或拆装时，不用把整个驱动桥 从车上拆下来，因而维修比较方便，普遍用于各类汽车。 山尔大学硕k 学位论文 整体式桥壳因制造方法不同又有多种形式。常见的有整体铸造、钢板冲压 焊接、r f l 段铸造两端压入钢管、钢管扩张成型等形式整体铸造桥壳为增加强度 和刚度，两端压入无缝钢管制成的半轴套管。这种整体铸造式桥壳，刚度大、 强度高易铸成等强度粱形状，但因质量太，铸造质量不易保证，适用于中型 汽车和重型汽车，近来已经很少生产”i 。 巾段铸造两端压入钢管的桥壳质量较小、工艺简单且便于变形，但刚度较 差，适用于批量生产。 钢板冲压焊接式桥壳具有质量小，制造工艺简单、材料利用率高、抗冲 击性能好、成本低等优点并适用于大量生产。日前，在重型载货车得到广泛使 用。如图l _ 2 和图13 ，奉课题分析的山东第一汽车改装公司d a 4 8 5 桥壳就属 丁钢板冲压焊接式桥壳。 目l2 1 ) m 8 5 后桥总成 第1 章绪论 量蔓曼曼曼曼曼皇量曼曼曼舅皇曼曼曼曼量璺曼曼曼曼曼曼曼曼量罾量量皇曼量曼曼曼量曼量曼鼍曼曼曼曼皇曼i i 一一一 i ；ii 皇曼量 钢管扩张成型桥壳广泛应用于轿车和轻型货车。其优点就是材料利用率好， 质量小，强度和刚度高，制造成本低，适用于大量生产。 整体式桥壳具有较大的强度和刚度，且便于主减速器的装配、调整和维修， 因此普遍应用于各类汽车上。 分段式桥壳是桥壳与主减速器壳铸成一体，且一般分为两段由螺栓连成一 体。这种桥壳易于铸造，但维护主减速器和差速器时必须把整个桥拆下来，否 则无法拆检主减速器和差速器。现已很少使用，北京2 0 2 0 采用这种桥壳 2 1 。 1 1 3 驱动桥桥壳的作用 驱动桥桥壳是汽车上重要的承载件和传力件，作为具有广泛应用市场的非 断开式驱动桥的桥壳不仅支承汽车重量，将载荷传递给车轮，而且还承受由驱 动车轮传递过来的牵引力、制动力、侧向力、垂向力的反力以及反力矩，并经 悬架传给车架或车身。并且在汽车行驶过程中，由于道路条件的千变万化，桥 壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷的影响，可能引起桥壳变形或折断。因此， 驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，合理地设计驱动桥壳是 提高汽车平顺性的重要措施。 1 2 国内汽车驱动桥桥壳的发展和研究现状 1 2 1 国内汽车驱动桥桥壳的发展 近2 0 年来，来自汽车制造全球化的压力、愈来愈激烈的市场竞争以及对降 低成本的追求等，都推动着整个世界汽车工业向着进一步集中的方向前进。在 这种大的背景下，全球重型载货汽车( 指车辆总质量( g ) 大于6 吨的载货汽 车) 生产工业正在经历巨变。过去的2 0 多年，人们目睹了世界载货汽车工业一 步一步地走向更高程度的集中，这是汽车制造商们长期以来追逐更大的规模经 济利益和更高资本效益的结果，同时新一轮行业结构的重组已开始，出现了新 的行业发展动态。工业整合加快在重型载货车生产和运营层面，传统的地区标 准差异正在消失，培养了一些跨地区的载货汽车生产商，开辟了进一步横向兼 并、重组、公司控制和战略联盟的新途径。 当前因全球重型卡车工业不同操作环境和卡车制造商的不同要求而产生的 地区标准差异尽管依然存在，但已在逐渐减少。跨地区的卡车制造商开始利用 山东大学硕士学位论文 公司之间的整合，来削减卡车制造( 包括设计和零部件购买) 的成本。这种联 合( 合作) 在整车制造商之间进行，还存在于整车制造商与零部件供应商之间。 结果是资产重组层出不穷，重型载货车的需求上升。 1 2 2 桥壳软件业 早在2 0 世纪7 0 年代我国就开始对c a d c a m 的研究，到了2 0 世纪8 0 年代 我国进行了大规模的c a d c a m 技术的研究与开发。2 0 世纪9 0 年代，随着 ”8 6 3 c i m s 计划的推进，北京航空航天大学、清华大学、华中理工大学等一批 高校和科研院所相继推出研究成果。比如由北京高华计算机有限公司推出的高 华c a d 产品、北京北航海尔软件有限公司开发和销售的c a x a 电子图板和c a x a - m e 制造工程师软件、由广州红地技术有限公司开发的基于s t e p 标准开发的金银花 ( l o n i c e r a ) 系统、华中理工大学机械学院开发开目c a d 系统等等。 1 9 7 8 年开始，我国组织了一些研究院所、高等院校和厂矿企业，对机械产 品的抗疲劳设计方法和国产材料的抗疲劳设计数据进行了较系统的试验研究， 进展最快的是航空和航天工业部门。目前，我国的科研和工程技术人员在疲劳 机制、疲劳失效分析、疲劳裂纹扩展速率、疲劳试验数据处理、典型零部件的 疲劳强度、腐蚀疲劳、接触疲劳、低周疲劳和表面强化等方面作了很多工作。 在“六五 和“七五”期间机械工业部郑州机械研究所和东北大学等七家 科研单位对抗疲劳的设计方法和抗疲劳设计的基础问题进行了大量的实验研究 工作，取得了国产材料较系统的疲劳性能数据和抗疲劳设计数据，为使用国产 材料进行无限寿命设计和有限寿命设计打下了初步基础。 目前，我国对于重要的承受循环应力作用的零构件已经采用了抗疲劳设 计。部分行业制订了一些适合本行业情况的疲劳设计规范或标准。从结构疲劳 研究的投人、规模和研究水平来看，航空领域走在前列。在汽车零部件领域， 由于起步较晚，与国外相比，由于缺乏相关的基础数据。尤其是在冲焊驱动桥 壳的抗疲劳研究方面，目前主要还是通过实验手段来验证产品的疲劳可靠性。 同时，国外的各种c a d c a m c a e 软件如a u t o d e s k ，p r o e ，u g ，c i m a t r o n s o l i d w o r k s s o l i d e d g e ，m a s t e r c a m ，c a t i a 等先后进入我国市场。整合在 c a d c a m 软件中的有限元软件也得到了国内用户的重视，比如c a t i a 中的有限 元分析程序、s o l i d w o r k s 中的c o s m o s 有限元分析软件、u g 中的c a e 分析系统 4 第1 章绪论 等等。a n s y s ，a b a q u s 、s u p e r s a p ，m s c m a r c 、m s c n a s t r a n ，等专门的大型 有限元分析软件也被国内用户所接受，并广泛应用运用于实际工程中。国内众 多专家学者对汽车驱动桥桥壳进行了有限元分析。 1 2 。3 驱动桥桥壳研究现状 1 9 9 5 年国内的郑建新、赵六奇【3 】介绍了法国s o m a 公司指定的关于驱动桥桥 壳强度校核方法；应用a l g o lf e s 软件对s o m ac 11 6 转向驱动桥桥壳进行了静 强度有限元分析，得出了在三种载荷情况下的最大应力出现处。 在驱动桥桥壳失效分析这块陈效华、刘心文 4 1 针对某微型汽车驱动桥样件 在进行强检时出现桥壳断裂的现象，以有限元的基本理论为依据，利用面向特 征建模方法，建立了该驱动桥三维几何模型和有限元分析模型。根据解算结果， 该车桥在桥壳局部出现明显应力集中区域：通过改变桥壳局部结构和受力，局部 应力明显降低；将改进后样件进行实际装车试验，未出现桥壳断裂现象。 一 在桥壳的弹塑性非线形有限元分析方面有李玉河【5 1 等对我国生产的一种汽 车后驱动桥桥壳进行了大位移、大应变弹塑性有限元模拟分析，求得了加载点 的载荷位移变化曲线、最大应力点的弹塑性应变、载荷变化曲线、危险截面 的弹塑性应力、载荷变化曲线、危险截面达到全面屈服时的屈服载荷等，为汽 车后桥的强度评价及疲劳寿命估算提供了有关数据。 南京林业大学的郑燕萍，羊玢 6 1 利用a n s y s 软件，按国家驱动桥壳台架试 验的标准，在计算机中采用有限元方法模拟其垂直弯曲刚度试验、垂直弯曲静 强度试验和垂直弯曲疲劳试验。分析结果表明用有限元模型模拟台架试验的方 法是可行的，能实现在设计阶段对试验结果有效的预测。 在对桥壳进行质量目标优化设计方面，羊纷、孙庆鸿 7 1 等应用a n s y s 软件 对影响驱动桥壳强度和刚度的因素进行了研究，并进行了产品结构优化设计。 优化后的桥壳本体厚度由8 m m 降至7 m m ，质量减轻了4 2 k g 一8 o k g 。 还有文献8 ，9 1 0 , 1 1 】的作者根据汽车振动及有限元理论和模态分析原理，阐述 了结构应变模态的特点及测试方法，利用先进的有限元分析软件a n s y s 建立桥 壳的有限元动态响应模型，计算出任意载荷条件下结构的应变响应，确定疲劳 危险点，进而可进行结构疲劳分析的计算机模拟，并进行了有限元的模态分析 和瞬时动态分析及强迫振动分析，找出了最大动应力的出现位置，得出了大量 山东大学硕士学位论文 的计算分析数据，验证了有限元方法的正确性其中文献【9 】以汽车后桥为例，研 究了杂交系统的动力学分析问题，推出了其振动微分方程，并用有限元法建立 了其动力学分析模型。利用该模型可对汽车后桥系统进行了模态分析和动力响 应分析。 我国在驱动桥壳设计环节中，通过对驱动桥壳进行有限元分析计算，既可 以分析驱动桥壳的变形、应力、应变、强度与刚度等情况，也可以分析比较各 种设计方案，在保证强度与刚度的前提下，为结构的减重、改进以及优化设计 提出可行的措施和建议。 1 3 课题的研究意义和目的 1 3 1 论文选题的意义： 国内的长途重卡运输市场正朝着高速重载的方向发展，不过，就目前的实 际情况来看，虽然发动机、变速箱的发展符合了这种需求，但是国内重型牵引 车驱动桥的发展却明显滞后：要想高速，就必须要使用能量损耗低、速比小、 运行稳定的单级减速桥；要想重载，就要提高车桥的承载能力和可靠性。而在 国内能完全符合这种双重要求的驱动桥寥寥无几，出现了鱼和熊掌不可兼得的 局面，能重载的牵引车使用轮边减速桥油耗高，成本大；能高速的牵引车使用 单级减速桥规格小，承载能力不够。一汽山东汽车改装厂研发的蓬翔牌d a 4 8 5 系列单级减速桥则有效地改善了这种局面，让长途运输的牵引车不仅能提高载 荷，而且能有效降低油耗，节约用户的成本。d a 4 8 5 系列冲焊驱动桥是适合配 置在重型载重车底盘上的一种超重型单级减速驱动桥，标定载荷达到1 6 吨，最 大输入扭矩1 2 5 0 0 n m ，输出扭矩5 5 0 0 0 n m ，可以匹配2 8 0 5 0 0 马力的发动机。 此桥吸收了欧洲著名重卡公司的车桥技术，具有结构紧凑、承载能力大、抗疲 劳强度高、布局合理、制动性能好等优点，可选装a b s 防抱死系统，配有制动 间隙自动调整机构和轮间差速锁，适于匹配大功率的公路牵引车。 越来越多的汽车安全事故为我们敲响了警钟，汽车的整车运行安全可靠性， 也越来越重要。对于重型载货汽车来说，驱动桥壳总成( 卡车以后驱动为主，也 称后桥壳) 作为其承载和传递动力的关键部件，其安全可靠的工作更是保障汽车 安全工作的一个重要方面。在用户使用前，我们运用有限元法对已设计制造的 4 8 5 驱动桥壳进行有限元分析，将大大提高驱动桥壳开发、设计、分析和制造 6 第1 章绪论 的效能和驱动桥壳的性能。对驱动桥壳进行试验模态分析与有限元模态分析， 得出各种受力变形情况及疲劳寿命，并对比结果，使所建立的模型简化合理， 能够较好地反映桥壳的动态刚度特性。驱动桥壳在各种载荷作用下，将发生弯 曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的驱动桥壳设计方法很难综合考虑汽车 的复杂受力及变形情况，有限元法正好能够解决这一问题。 1 3 2 论文选题的目的 本文以d a 4 8 5 驱动桥壳结构为研究对象，在以模态试验为参考的基础上用 p r o e 软件建立了桥壳的有限元模型，最后用a b a q u s 软件对桥壳进行了分析优 化。论文主要工作如下：首先应用驱动桥壳的实际模态参数通过对汽车驱动桥 壳的结构特点的分析，应用分析软件p r o e 建立了驱动桥壳的三维模型，并用 a b a q u s 软件进行了有限元模态分析，得到了驱动桥壳应力云图、并分析应力、 变形、断裂原因，提出改进措旌。为驱动桥壳的设计、应用提供依据。 1 4 课题研究的主要内容 本课题主要以d a 4 8 5 驱动桥壳为研究对象，用p r o e3 0 建立4 8 5 驱动桥 桥壳的参数化三维模型简化成为有限元计算模型。根据国家标准q c t5 3 3 1 9 9 9 汽车驱动桥台架试验方法的规定和材料试验数据，利用a b a q u s 进行桥 壳的垂直弯曲刚度分析、垂直弯曲静强度分析、应力分析等，并与实际试验结 果进行对比，针对生产中的实际情况，运用有限元理论对驱动桥壳的受力状态 进行分析，在安全设计原则的基础上，提出改进措施。 1 5 论文组织结构 论文共包括五章，分为提出问题、原理方法与技术支持、优化和分析实现 和结论与展望。论文组织结构如图1 2 所示。 7 山东大学硕十学位论文 1 6 小结 图1 4 论文的组织结构 本章主要介绍了驱动桥桥壳的分类和结构特征，并介绍了国内外关于驱动桥 桥壳的c a e 分析以及桥壳设计发展的过程、趋势和应用现状。联系工程实际提出 了本课题的研究意义是：在设计和生产检测过程中，如建立驱动桥壳的有限元模 型，在计算机上模拟相关试验，再通过小部分抽样实验，则会使设计和检测过程 缩短，减少抽样数目，降低生产成本，能够产生巨大的经济社会效益。 本课题主要以d a 4 8 5 驱动桥壳为研究对象，运用有限元理论对驱动桥壳的受 力状态进行分析，分析其在台架试验中断裂的根本原因，最终提出该系列驱动桥 桥壳的改进方案，以供设计部门作为参考理论依据。 研究的技术路线流程是：构建d a 4 8 5 驱动桥桥壳三维模型，再结合国家台架 试验规范，以a b a q u s 协同仿真平台为分析平台，进行桥壳的静强度、疲劳和模态 分析。最后在有限元分析结果上，对其台架实验中断裂的桥壳进行失效分析，找 出该系列桥壳的薄弱点，进行改进。 第2 章驱动桥桥壳结构受力状况及强度分析 皇曼曼量曼曼皇曼曼曼曼舅_ 一一i l 鼍曼罾鲁曼曼量曼皇曼曼曼曼曼曼鼍鼍曼皇曼曼曼皇皇曼量舅量舅 第2 章驱动桥桥壳结构受力状况及强度分析 2 1 驱动桥桥壳受力的典型计算工况 2 1 1 桥壳静力分析的典型工况： 驱动桥壳在车辆行驶中的受力状况比较复杂，承受的力主要有垂向力、切 向力( 牵引力或制动力) 和侧向力m 一。这里，我们简化为以下四种典型工况进行 计算。 ( 1 ) 桥壳承受最大垂向力工况 此工况为汽车满载并通过不平路面，受冲击载荷的工况，这时不考虑侧向 力和切向力。此时的桥壳犹如一个简支梁，桥壳通过半轴套管轴承支承于轮毂上， 半轴套管的支撑点位于车轮的中心线上，取2 5 倍满载轴荷，载荷施加在两个钢 板弹簧座上，最大垂向力为： z 三= g 7 xb ( a + b ) z 尺= g xa ( a + b ) ( 2 1 ) 式中，z 乙一分别为施加在左、右钢板弹簧座上的载荷，g 后驱动 桥壳满载轴荷；a 左边钢板弹簧座中点与桥壳中央点的距离；卜右边钢 板弹簧座中点与桥壳中央点的距离。 ( 2 ) 桥壳承受最大牵引力工况 此工况为汽车满载以最大牵引力作直线行驶时的工况，不考虑侧向力。此 时左右驱动轮除作用有垂向反力外，还作用有地面对驱动车轮的最大切向反作 用力。此工况为汽车满载以最大牵引力作直线行驶时的工况，不考虑侧向力。 此时左右驱动轮除作用有垂向反力外，还作用有地面对驱动车轮的最大切向反 作用力( 即牵引力) ，最大牵引力大小为： 疋m 舣乇7 7 ， 0 ( 2 2 ) 式中： ，n p m 戤发动机最大转矩，n m ； 9 山东大学硕士学位论文 z g i 变速器i 档传动比； z o 驱动桥的主减速比； 7 7 丁传动系的传动效率； 驱动车轮的滚动半径，m 。 ( 3 ) 桥壳承受最大制动力工况 此工况为汽车满载紧急制动时的工况，不考虑侧向力。汽车紧急制动时， 左右驱动车轮除作用有垂直反力外，还作用有地面对驱动车轮的制动力，最大 制动力大小为： f = 竿亿3 ， ， l 乙j j 式中： g 一汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷； 聊。i 气车制动时的质量转移系数，对载货汽车后驱动桥一般取o 7 5 0 9 5 ； 缈驱动车轮与路面的附着系数，计算时取0 7 5 - - 0 8 0 。 ( 4 ) 桥壳承受最大侧向力工况 当汽车满载、高速急转弯时，会产生一个作用于质心处的很大的离心力， 即侧向力。当它达到地面给轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力时，汽 车处于侧滑的临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，汽车就侧滑。我们考虑 此临界状态，此时驱动桥的全部载荷由侧滑方向- - t 奂 j 的驱动车轮承担，驱动桥 承受的侧向力为： p = g 9 1 ( 2 4 ) 式中： 卜驱动桥承受的侧向力，n ； 卜汽车满载静止时据桥壳模型和划分的网格的特点，对载荷的加载方式 是按照集中力于水平路面时驱动桥给地面的载荷，n ； 1 0 第2 章驱动桥桥壳结构受力状况及强度分析 妒l 轮胎与地面的侧向附着系数，取1 0 。 2 1 2 驱动桥桥壳强度的典型计算工况 在汽车行驶过程中，驱动桥桥壳承受繁重而复杂的载荷。汽车的行驶条件及 车辆的运动状态千变万化，要精确计算各种工况下的受力非常困难。我国通常推 荐：计算时将桥壳复杂的受力状况简化成三种典型的计算工况，即当车轮承受最 大的铅垂力( 汽车满载行驶于不平路面受冲击载荷时) 、车轮承受最大的切向力 ( 当汽车满载并以最大牵引力行驶或紧急制动时) 和车轮承受最大的侧向力( 汽车 满载侧滑时) 时。只要在这三种计算工况下桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳 在汽车各种行驶条件下是可靠的。整体式桥壳形状复杂，强度计算比较困难，现 有的强度计算方法主要有常规计算方法和基于软件分析如：a b a q u s 的方法。 桥壳强度的常规计算方法如下： 可将桥壳视为一空心横梁，两端经轮毂轴承支撑于车轮上，在钢板弹簧座 处桥壳承受汽车的簧上载荷，而沿左右轮胎中心线，地面给轮胎以反力( 双胎时 则沿双胎中心) ，桥壳承受此力与车轮重力之差，受力如下图2 1 所示。 、 图2 1 驱动桥壳的受力简图 桥壳强度计算可简化成三种典型的工况，只要在这三种载荷计算工况下桥 壳的强度得到保证，就认为该桥壳在汽车行驶条件下是可靠的n 射。 1 ) 牵引力或制动力最大时，桥壳钢板弹簧座处危险断面的弯曲应力0 和扭 转切应力t 分别为： 山东大学硕士学位论文 矩； 仃= 静+ 鲁：f = 等 汜5 ) 形矿肜 形r 怕7 式中： m v 地面对车轮垂直反力在桥壳板簧座处断面引起的垂直平面的弯 m v = 聊：g 2 ( b 为轮胎中心平面到板簧座之间的横向距离) ( 2 6 ) 疗 删h 牵引力或制动力( 一侧车轮上的) 在水平面内引起的弯矩， m = f x 2 6 ( 2 7 ) 弓聿引或制动时，上述危险断面所受转矩，弓= 最2 形 分别为危险断面垂直平面和水平面弯曲的抗弯截面系数及抗扭截面系数， 之间的关系如图表2 2 所示。 断面形状 垂曩及水平弯曲鬣面系数嘭、呒扭转截面系数嗣i l 刀r 彳7 入 _ 譬 幽嗣要( 1 - 爿鲁( 1 _ 刳 、胡z ， 艿 ，f l ，一 氍 去3 一抛，) ， t 一一 6 胃、 ，一 ，一 工z 2 西( b - 馥詹一适)j一磊 ， j ， ， 既 去晒3 一触，)一 b 一 6 暑、 7 奔 1 2 图2 2 甄既之间的关系 第2 章驱动桥桥壳结构受力状况及强度分析 2 ) 当侧向力最大时，外轮和内轮上的垂直反力t 2 。和t 2 f ，以及桥壳 内、外板簧座处断面的弯曲应力o ，、0 。之间的关系，分别为： 旷半 咿笔芦 3 ) 当汽车通过不平路面时，危险断面的弯曲应力为： k g ，b 万= 二一 2w y ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中k 为动载荷系数。对于轿车，k 取1 7 5 ；对于货车，k 取2 0 ；对于越 野车，k 取2 5 。 桥壳的许用弯曲应力为3 0 0 肝a 5 0 0 肝a ，许用扭转切应力为1 5 0 m p a - , 4 0 0 m p a 。可锻铸铁桥壳取较小值，钢板冲压焊接桥壳取较大值。 2 2 驱动桥桥壳的台架试验 根据q c t 5 3 3 1 9 9 9 6 为合格。 2 4d a 4 8 5 驱动桥桥壳的台架试验 2 4 1d a 4 8 5 驱动桥桥壳的台架试验过程 实验在专用的试验台上进行，图2 4 是实验加载示意简图。为了模拟桥壳 在汽车上受载时的实际安装条件，试件3 是由桥壳、板簧座、后盖等已组合好 的桥壳与主减速器壳连接在一起组成。两个支架1 分别套在桥壳轴头部位，间 隙配合，间距为桥壳轮距，下端圆弧面与试验台平面光滑接触，以保证试验过 程中桥壳能够最大程度地仿真实际行驶状态变形。载荷p 为单向垂直载荷，由 控制系统控制柱塞缸伸缩产生的载荷通过加载梁4 和垫块2 施加到桥壳上，该 桥壳设计承载能力为1 6 0 0 0 k g ，2 个板簧座面积和为4 3 4 4 0 m m 2 ，做桥壳垂直弯 曲刚性试验时，满载轴荷时应加至3 6 3 m p a , ，负荷缓慢加载至该驱动桥满载轴 荷2 5 倍时，即4 0 0 0 0k g ，即9 0 8 m p a 。 1 支架；2 垫块：3 试件；4 加载梁 图2 4 驱动桥壳垂直弯曲刚性实验加载示意图 1 5 山东大学硕士学位论文 2 4 2d a 4 8 5 驱动桥桥壳的台架试验结果 满载轴荷时轴荷时各测点的位移量最大值出现在桥壳中部与板簧座之间的 位置，满载最大量为0 5 5 m m 2 5 倍满载轴荷时各测点的位移量；位移相对较大，最大位移量也出现在 桥壳中部与板簧支撑块之间的位置，最大为1 4 3 m m 。 失效断裂时荷载为2 4 7m p a 。 满载轴荷时每米轮距最大变形不超过0 5 5 1 8 3 0 = 0 3 0 m m m ，2 5 倍满载轴 荷时每米轮距最大变形不超过1 4 3 1 8 3 0 = 0 7 8 m m m 。 l 垂直弯曲破坏后备系数托疗= 2 4 7 3 6 3 ：6 8 。 不论是满载轴荷时还是2 5 倍满载轴荷时每米轮距最大变形均 6 ，d a 4 8 5 桥壳合格。 2 5 本章小结 本章重点介绍了桥壳静力分析的典型工况，驱动桥桥壳强度的典型计算工 况，驱动桥桥壳的台架试验，垂直弯曲刚度和垂直弯曲静强度试验评估指标， 采用桥壳样品进行台架试验来考核垂直弯曲刚性和其垂直弯曲静强度。 1 6 第3 章有限元法在驱动桥桥壳中的应用 第3 章有限元法在驱动桥桥壳中的应用 3 1 有限元法概述 2 0 世纪初期，有限元方法【1 2 】的思想已经作为一种数值求解方法被提出来了。 然而求解需要的巨大计算工作量，超过了当时人们能够承受的能力。所以这种方 法当时并没有实际应用的可能性。在世纪中期开始，电子计算机技术的出现和迅 速发展为人们提供了巨大的数值计算能力。在此基础上，人们重新对有有限元法 开始实际应用的研究。随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法已成为计算 力学和计算工程领域里最有效的计算方法，它几乎适用于求解所以连续介质和场 的问题。经过近5 0 年的发展，及一批通用和专用有限元软件的普及应用，有限元 法已成为结构分析中最为成功和最为广泛的方向方法，解决了众多领域的大型科 学和工程问题，取得了巨大的经济和社会效益。 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简 单的问题代替复杂问题后再求解【1 3 1 。它将求解域看成是由许多称为有限元 的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解， 然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题 的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所 代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高， 而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的 概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线 单元) 逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。 有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由 于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。 经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法 迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种 丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似 性仅限于相对小的子域中。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限 1 7 山东大学硕十学位论文 元概念的克拉夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g h r i t z 法+ 分片函数，即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况。 不同于求解( 往往是困难的) 满足整个定义域边界条件的允许函数的 r a y l e i g hr i t z 法，有限元法将函数定义在简单几何形状( 如二维问题中 的三角形或任意四边形) 的单元域上( 分片函数) ，且不考虑整个定义域 的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相 同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通 常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性 质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且 ， 彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然 单元越小( 网络越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但 计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之 一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用 一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解， 通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元 的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法 给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度 阵或柔度阵) 。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应 用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状 应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程 组) ，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一 1 8 第3 章有限元法在驱动桥桥壳中的应用 定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的 话) 连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。 联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处 状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许 值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处 理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果， 使用户能简便提取信息，了解计算结果。 大型通用有限元商业件：n a s t r a n ，a s k a ，s a p ，a n s y s ，m a r c ，a b a o u s ，j i f e x 等。 3 2 有限元法基本思想及分析过程 有限单元法的基本思想是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只 有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。由 于单元能按不同的方式进行组合，且单元本身又有不同的形状，因此可以模型化 几何形状复条的求解域。因此，只要研究并确定有限单元的力学特性，就可以根 据结构分析的方法求解，使问题得到简化。 有限单元法的基本原理以结构力学中的位移法为基础【1 4 1 ，把复杂的结构或连 续体看成有限个单元的组合，各单元彼此在结点处联结而组成整体。这里把连续 体分成有限个单元的过程，称之为离散化。先对单元特性进行分析，然后根据各 单元在结点处的平衡和协调条件建立方程，综合后作整体分析。这样先离散再综 合的过程，就把连续体的计算问题转化为简单单元的分析与综合问题。 有限元法的分析步骤分为结构的离散化、单元分析、整体分析三步。 有限元法是利用分割近似的原理，把连续结构分离成有限个子结构，再在子 结构上寻找出满足一定精度要求的近似解。 单元分析的任务就是确定单元荷载向量 ( 2 1 ) p ) = 陋 亿2 ， 其中， b 为几何矩阵。 p = 陋脆) ( 2 3 ) 其中， s 为应力矩阵。 p ) = d e 】p ) ( 2 4 ) 式中： 矗 = b 工仃y 仃z f 刁，f 弦7 荔产 p = 每zg y s z ) ，拶y 弦y 压尸 陋1 为弹性矩阵。 陋】= 硐e 同 1 一j l l j l l1 一对称 j l lpl 一 1 一犁 2 1 一躯 2 1 一驰 2 ( 2 5 ) 式中：e 为材料的弹性模量，l i 为材料的泊松比。 将离散化的单元再组合起来，进行整体分析，确定结构的荷载向量 ( 2 6 ) 而 6 。在有限元模型中，驱动桥桥壳在满载工况下，各点的位移及应力 云图如图4 1 0 所示。 轴管所用材料为4 0 m n b h ，驱动桥桥壳为1 6 m n l ，连接处有内环支承，焊缝 为对接焊缝，约束力较大，所以只要壳体上满足垂直弯曲静强度要求即可。工 况二时，桥壳上各点应力计算结果应力最大值为8 5 1 6 m p a 左右。而驱动桥桥 壳垂直弯曲失效载荷的确定，用桥壳应力值达到材料的强度极限对应的载荷代 替。 根据g b3 2 7 3 ，材料1 6 m n l 的强度极限为5 2 0 m p a ，则驱动桥桥壳垂直弯 曲失效后备系数k n = 6 1 1 。根据试验评价指标k n 6 的要求，可得出结论 d a 4 8 5 桥壳垂直弯曲失效后备系数符合标准要求，桥壳合格。 4 4 分析结果 d a 4 8 5 桥壳的有限元模拟试验与真实台架试验对比：满载轴荷时每米轮距 最大变形分别为0 2 6 m m 和0 3 0 m m 。 垂直弯曲破坏后备系数k 刀分别为6 1 1 和6 8 。 驱动桥桥壳垂直弯曲刚性吻合程度为0 2 6 0 3 0 = 8