微型車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命預(yù)測研究
微型車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命預(yù)測研究,微型車,驅(qū)動,結(jié)構(gòu),分析,以及,疲勞,壽命,預(yù)測,研究,鉆研
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）
設(shè)計(論文)題目：微型車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命
___________預(yù)測研究
學(xué)生姓名：
二級學(xué)院：
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目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1 汽車驅(qū)動橋介紹 1
1.2 研究現(xiàn)狀 1
1.3 課題的研究內(nèi)容 2
2驅(qū)動橋組成和基本參數(shù) 3
2.1 驅(qū)動橋組成 3
2.2整車的基本參數(shù) 3
3 主減速器設(shè)計 4
3.1主減速器的齒輪的確定 4
3.2 主減速器齒輪材料 11
4驅(qū)動橋殼設(shè)計及其他參數(shù) 12
4.1 橋殼的受力分析及強度計算 12
4.2 其他參數(shù) 13
5驅(qū)動橋分析的模型的建立 16
5.1 三維軟件Pro/E的介紹 16
5.2半軸模型的建立 16
5.3 主動齒輪模型的建立 18
5.4其他有關(guān)模型 18
5.5虛擬裝配 19
6驅(qū)動橋橋殼的ANSYS分析 22
6.1有限元法及ANSYS介紹 22
6.2 ANSYS分析 22
6.3 疲勞研究 27
6.4 結(jié)果分析 28
6.5 不足之處 28
7.論文總結(jié) 30
參考文獻(xiàn) 31
致 謝 32
IV
摘要
微型車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命預(yù)測研究
摘 要
本文從汽車的驅(qū)動橋入手，首先闡明了驅(qū)動橋的主要作用，并介紹其相關(guān)研究現(xiàn)狀和基本結(jié)構(gòu)，接著給出了驅(qū)動橋的整車參數(shù)，以此為依據(jù)具體地設(shè)計了驅(qū)動橋的主減速器和驅(qū)動橋殼，并給出了其他有關(guān)部件的參數(shù)。隨后通過三維軟件Pro/E對驅(qū)動橋相關(guān)部件進(jìn)行了建模，將各個部分進(jìn)行裝配，完成裝配圖。最后將驅(qū)動橋主要受力部分驅(qū)動橋橋殼導(dǎo)入分析軟件ANSYS，對其進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)疲勞和疲勞壽命分析，據(jù)此對驅(qū)動橋的設(shè)計提出優(yōu)化方案，需對驅(qū)動橋殼上的彈簧座和圓角過渡處進(jìn)行相應(yīng)的加厚處理。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋；設(shè)計；建模；有限元分析
Abstract
The research on the structural analysis and fatigue life prediction of driving axle
Abstract
The mian boby of this text is about automobile driving axle,first,the text illustrates the main role of driving axle, introduces the related current research status and basic structure, and lists the basic parameter of the driving axle vehicle,then designs driving axle parts,such as driving axle main reducer,and drive axle housing,and other relevant parts of parameters is presented. Following, modeling of driving axle related parts through 3 d software Pro/E, assemble each part, to complete the assembly drawing.In the end, I import the driving axle housing which is the mian part of the force in driving axle to analysis software ANSYS to do the static and dynamic fatigue and fatigue life analysis.I propose optimization program to the design of driving axle that need the accordingly thickening process to the spring seat and rounded at the transition of the drive axle housing.
Key words: drive axle; design; modeling; finite element analysis
第1章 緒論
1 緒 論
1.1 汽車驅(qū)動橋介紹
自第一輛車Daimler-Benz誕生以來，伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車的數(shù)量正在不斷增加，其有關(guān)的性能要求也隨之增高。汽車工業(yè)是一種綜合性的深加工產(chǎn)業(yè)，它的技術(shù)性要求高，有關(guān)產(chǎn)業(yè)之間牽一發(fā)而動全身，它的進(jìn)步無疑也能給與國家一個巨大的發(fā)展推力，所以其發(fā)展程度代表了國家工業(yè)發(fā)展的水平。因此，我國汽車工業(yè)快速發(fā)展的同時，其有關(guān)零部件的開發(fā)和研究也隨之展開。
汽車大體由發(fā)動機(jī)、底盤、車身以及電器與電子設(shè)備四個部分組成，其中傳動、轉(zhuǎn)向、行駛、制動四個系統(tǒng)構(gòu)成了汽車底盤，而汽車驅(qū)動橋是傳動系中的重要組成部分。作為汽車中主要承載、傳力部件，驅(qū)動橋承受了車身給與路面之間的大部分力，如鉛垂力、縱向力、橫向力等等，同時將傳動軸和變速器傳來的轉(zhuǎn)矩變大之后分配給兩側(cè)車輪。所以，驅(qū)動橋的強度、剛度和疲勞可靠性是各大汽車生產(chǎn)商需要面對的一個重要問題。以往，汽車工業(yè)都是根據(jù)累積的經(jīng)驗來進(jìn)行設(shè)計，由此做出相應(yīng)的初始模型，并進(jìn)行有關(guān)實驗，在實驗的同時進(jìn)行各種調(diào)整來確保滿足設(shè)計要求，最后在做成成品。現(xiàn)在，隨著最近幾年計算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，類似于有限元分析理論、優(yōu)化設(shè)計理論、模態(tài)分析理論等現(xiàn)代設(shè)計方法的出現(xiàn)為汽車的零件設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和模具制造一體化的實現(xiàn)提供了條件，利用這些現(xiàn)代設(shè)計方法可以有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，并減少相關(guān)的研發(fā)成本。
1.2 研究現(xiàn)狀
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及汽車技術(shù)的提高，驅(qū)動橋的設(shè)計，制造工藝都在日益完善。驅(qū)動橋也和其他汽車總成一樣，除了廣泛地采用新技術(shù)外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中日益朝著零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化、產(chǎn)品的系列化及生產(chǎn)組織的專業(yè)化的方向發(fā)展。面對著日趨激烈的競爭，提高驅(qū)動橋的性能，降低成本和維修方便成了現(xiàn)代驅(qū)動橋設(shè)計首先要考慮的問題。
與國外相比，我國汽車工業(yè)起步較晚，技術(shù)相對落后，具體表現(xiàn)在因為生產(chǎn)條件和制造工藝、專業(yè)人才等的不同，我國制造的齒輪、軸類和殼體等零件重量和體積偏大、可靠性差、使用壽命短和次品數(shù)目多，明顯次于德國等技術(shù)先進(jìn)國家的產(chǎn)品。雖然有著良好的發(fā)展勢頭，但是與國外汽車相比仍然有很大差距。作為汽車的重要配套基礎(chǔ)件，驅(qū)動橋的更新?lián)Q代在多方面受制于國外，這對我國汽車工業(yè)的發(fā)展極為不利。
經(jīng)過了多年的發(fā)展，我國汽車行業(yè)在各方面都有了很大的進(jìn)步，譬如生產(chǎn)規(guī)模上不斷擴(kuò)大，管理方式和經(jīng)營理念上不斷向西方學(xué)習(xí)靠攏，技術(shù)上也不斷地進(jìn)行創(chuàng)新升級等等。作為汽車的基礎(chǔ)配套件企業(yè)，驅(qū)動橋有關(guān)企業(yè)也在不斷擴(kuò)大自己的生產(chǎn)規(guī)模，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，學(xué)習(xí)先進(jìn)的國外技術(shù)與管理方式，在其產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的同時，也為汽車行業(yè)的快速發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。
國外汽車企業(yè)起步早、技術(shù)成熟，計算機(jī)技術(shù)的較早使用使得產(chǎn)品設(shè)計時間縮短，提高了產(chǎn)品的研發(fā)效率。80年代開始，我國逐步開始引進(jìn)國外先進(jìn)汽車技術(shù)，進(jìn)行消化吸收，不斷創(chuàng)新，對驅(qū)動橋作出了多次重大的技術(shù)改進(jìn)，完成了數(shù)個噸位驅(qū)動橋的產(chǎn)品系列，使得設(shè)計更加先進(jìn)、結(jié)構(gòu)更加合理，適用范圍廣，符合各大汽車企業(yè)的需求，產(chǎn)量連年攀升。各大汽車驅(qū)動橋企業(yè)紛紛采用CAD、CAE技術(shù)、有限元法逐步在各大汽車行業(yè)中得到了應(yīng)用，為產(chǎn)品的設(shè)計提供了一個技術(shù)平臺，大大縮短了驅(qū)動橋的開發(fā)周期，減少了相應(yīng)的研制成本，有關(guān)的優(yōu)化方案使得產(chǎn)品的性能得到了提高。生產(chǎn)設(shè)備的更新?lián)Q代、工藝路線的優(yōu)化也為產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供了保證。
1.3 課題的研究內(nèi)容
本課題分析了國內(nèi)外的驅(qū)動橋研究現(xiàn)狀，根據(jù)選定車型的最大功率及轉(zhuǎn)速、最大扭矩及轉(zhuǎn)速、傳動比、輪胎尺寸等參數(shù)，結(jié)合汽車設(shè)計、汽車?yán)碚?、機(jī)械設(shè)計、Pro/E和ANSYS等有關(guān)理論及實踐知識，計算了主減速器和橋殼的有關(guān)工作參數(shù)，建立了幾個主要部件的三維模型，并對驅(qū)動橋上最大受力件橋殼進(jìn)行疲勞壽命研究，嘗試性地提出了提高其疲勞壽命的方法。
33
第2章 驅(qū)動橋組成和基本參數(shù)
2驅(qū)動橋組成和基本參數(shù)
2.1 驅(qū)動橋組成
在驅(qū)動橋中，主減速器、差速器、半軸和橋殼是必不可少的幾個部分。
1.主減速器
如圖2.1所示為主減速器齒輪
圖2.1 主減速器齒輪
2.差速器
差速器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動橋兩側(cè)的車輪差速滾動或者多軸驅(qū)動的汽車的各驅(qū)動橋差速旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。
3.半軸
半軸安置于驅(qū)動橋殼內(nèi)部，能夠?qū)⒉钏倨鬏敵龅牧赝ㄟ^傳動軸傳輸?shù)杰囕喌臋C(jī)構(gòu)。
4.橋殼
驅(qū)動橋的橋殼是驅(qū)動橋里面的主要受力部分，用來連接車輪和車身。支撐車身重量。因此橋殼的強度和剛度對于整車而言非常重要。結(jié)構(gòu)形式分類：可分式、整體式、組合式。
2.2整車的基本參數(shù)
本次設(shè)計依據(jù)某車型的基本參數(shù)，具體車型參數(shù)如表2.1所示：
表2.1 某車型主要參數(shù)
第3章 主減速器設(shè)計
3 主減速器設(shè)計
3.1主減速器的齒輪的確定
3.1.1齒輪的計算載荷的確定
1、從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩的確定
（3.1）
式（3.1）中，為發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，取78；為低檔傳動比；由公式=計算得=36.90；為變速器傳動比，取6.01； 為超載系數(shù)，取=1.0；為上述傳動部分的效率，取=0.9。
=6177.39 N.m
2、在良好路面上驅(qū)動輪打滑時從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩的確定
（3.2）
式（3.2）中：為汽車在滿載時驅(qū)動橋給予水平地面的最大負(fù)荷，取 26880N；為輪胎對地面的附著系數(shù)，取=0.86；；為輪胎滾動半徑，取0.273m；分別表示了主減速器從動齒輪與驅(qū)動輪間的傳動效率和傳動比，分別取0.9和1。
=9316.91Error! Reference source not found.
由式（3.1），式（3.2）求得的計算載荷可以看出，轎車大多數(shù)情況是在高速輕載條件下工作，正常持續(xù)轉(zhuǎn)矩靠平均牽引力來確定，即主減速器的平均計算轉(zhuǎn)矩值。
3、日常行駛時汽車從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩的確定
=
（3.3）
式（3.3）中：為汽車滿載時重量, 取38400N；為牽引掛車滿載時重量，取0N；為路上的滾動阻力系數(shù)，取0.015； 為汽車正常工作時的平均爬坡能力系數(shù)，取0.05；為汽車性能系數(shù)。
（3.4）
當(dāng)=40.26>16時，取=0。
=1017.81 Error! Reference source not found.
3.1.2齒輪參數(shù)的確定
1、齒數(shù)的選擇
對于不同的主傳動比，與應(yīng)要有合適的搭配。為了方便取到合適的離地間隙，因為主傳動比較大，應(yīng)取小一點。
由于主減速器的傳動比為6.13，取主動齒輪齒數(shù)z1=7，從動齒輪齒數(shù)z2=43。
2、從動錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的選擇
（3.5）
式（3.5）中：為直徑系數(shù)，取13～16；為計算轉(zhuǎn)矩，取，較小者，即=6177.29N·mError! Reference source not found.Error! Reference source not found.。
計算得，=238.55～293.6mm，取=293mm。
確定后，可按公式算得從動齒輪大端模數(shù)，并用式（3.6）校核：
（3.6）
式（3.6）中：為模數(shù)系數(shù)，取0.3~0.4；為計算轉(zhuǎn)矩，取。
=5.505~7.34
根據(jù)國標(biāo)GB/T12368-1990，=7mm，滿足條件。所以有：=49mm =293mm。
3、螺旋錐齒輪齒面寬的選擇
根據(jù)主減速器的推薦寬度，據(jù)經(jīng)驗取：F=0.155=44.95mm，F(xiàn)=50mm，=55。
4、法向壓力角a的選擇
載貨汽車可選用20°壓力角。
5、螺旋錐齒輪螺旋方向
主動錐齒輪和從動錐齒輪的方向是不同，它們所受到的軸向力的方向受到錐齒輪的螺旋方向和旋轉(zhuǎn)方向的影響，因此主動錐齒輪為左旋。
6、 旋角的選擇
螺旋角應(yīng)足夠大以使1.25。因比較大的時候會穩(wěn)定，噪聲也相對比較小，螺旋角推薦用35°。
7、主、從動錐齒輪的幾何尺寸
相應(yīng)的公式和尺寸可以參見下表：
表3.1主減速器齒輪的幾何尺寸計算用表
3.1.3齒輪的強度計算
1單位齒長上圓周力
主減速器齒輪的表面耐磨性一般我們用式（3.7）估算：
（3.7）
式中：為單位齒長上的圓周力；P為作用在齒輪上的圓周力。
按發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計算時：
（3.8）
式（3.8）中：為發(fā)動機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，取78；為變速器的傳動比；為主動齒輪節(jié)圓直徑，取49mm。
一檔時：
N／mm
直接檔時：
N／mm
表3.2許用單位齒長上的圓周力
按最大附著力矩計算時：
（3.9）
式（3.9）中：為汽車滿載最大負(fù)荷，取26880N；為輪胎與地面的附著系數(shù)，取0.85；為輪胎的滾動半徑，取0.367m；
=1144.74 N／mm。
（2）齒輪的彎曲強度計算
主減速器螺旋錐齒輪齒輪的計算彎曲應(yīng)力為
（3.10）
式（3.10）中，為齒輪計算轉(zhuǎn)矩，取，較小者，即=1144.74Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.，=184.19Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.；為超載系數(shù)，取1.0；為尺寸系數(shù)，根據(jù)=計算得=0.7245；為載荷分配系數(shù)，取1；為質(zhì)量系數(shù)，取1；J為計算彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)，見圖3.1，=0.242，=0.181。
圖3.1彎曲計算用綜合系數(shù)J
按計算：主動錐齒輪彎曲應(yīng)力=359.45N／mm<700 N／mm；
從動錐齒輪彎曲應(yīng)力=507.27 N／mm<700 N／mm；
按計算：主動錐齒輪彎曲應(yīng)力=116.08 N／mm<210.9 N／mm；
從動錐齒輪彎曲應(yīng)力=122.53 N／mm<210.9N／mm；
綜上所述由表3.2，計算的齒輪滿足彎曲強度的要求。
（4）主動齒輪軸的彎矩
如圖3.2所示為主動齒輪受力及彎矩圖。
圖3.2主動齒輪軸彎矩圖
危險截面上的合成彎曲應(yīng)力為：
（3.11）
式（3.11）中：為彎曲截面系數(shù),根據(jù)公式，D=35mm；為主動齒輪計算轉(zhuǎn)矩，取184.19Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.；為危險截面彎矩，主動齒輪徑向力為3091.05N。
經(jīng)計算，=66.6MPa<=230MPa
所以主動齒輪軸滿足要求。
3.1.4主減速器軸承載荷的計算
由于主動錐齒輪采用懸臂式，從動錐齒輪采用跨置式，所以它們軸承的徑向載荷如圖3.3所示
圖3.3主減速器軸承的布置尺寸
軸承A，B的徑向載荷分別為
=
（3.12）
（3.13）
式（3.12）和（3.13）中：已知=9459.57N，=3091.05N，=7204.88N , ＝40.96mm, a=43mm，b=26mm，c=69mm。
所以，軸承A的徑向力=5929.29N；軸承B的徑向力=12255.52N；軸承的壽命為
s
（3.14）
式（3.14）中：為溫度系數(shù)，取1.0；為載荷系數(shù)，取1.2；Cr為額定動載荷
此外對于無輪邊減速器的驅(qū)動橋來說，主減速器的從動錐齒輪軸承的計算轉(zhuǎn)速為
r/min
（3.15）
式中：為輪胎的滾動半徑，0.367m；為汽車的平均行駛速度，對于載貨汽車和公共汽車可取30～35 km/h，在此取32.5 km/h。
所以由上式可得==235.56 r/min；
主動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)速=235.56×5.49=1446.34 r/min。
所以軸承能工作的額定軸承壽命：
h
（3.16）
式（3.16）中: 為軸承計算轉(zhuǎn)速，1738.52r/min。
若大保養(yǎng)公里數(shù)S定為100000公里，可計算出預(yù)期壽命
= h
（3.17）
==3076.9 h。
因為軸承A和B是一對軸承，根據(jù)尺寸，在此選用30207型軸承，d=35mm,D=72mm，Cr=54.2KN，e=0.37。
對軸承A，徑向力=5929.29N，軸向力A=7204.88N，所以=1.21>e
X=0.4，Y=1.6。
當(dāng)量動載荷 Q=（3.18），為沖擊載荷系數(shù)，取1.2；
所以，Q=1.2（0.4×1318.58+1.6×1599.42）=16679.4N。
因為采用的軸承是一對一對的，且=2Cr，因此軸承A的使用壽命為：
===981130.2 h>3076.9 h=
所以軸承A是滿足使用的要求。
同理可計算出：軸承B，==450711.87 h＞，軸承C，=229515.09>，軸承D，==524605.97 h >，均符合要求
3.2 主減速器齒輪材料
齒輪所采用的鋼為20CrMnTi，因為滲碳深度有著這樣的規(guī)定，當(dāng)端面模數(shù)不大于5時，深度的取值為0.9～1.3m，而當(dāng)端面模數(shù)大于5～8的時候取值就是1.0～1.4mm了。這種表面不應(yīng)用于補償零件的公差尺寸，也不能代替潤滑。
第4章 驅(qū)動橋殼設(shè)計及其他參數(shù)
4驅(qū)動橋殼設(shè)計及其他參數(shù)
4.1 橋殼的受力分析及強度計算
4.1.1最大功率行駛時汽車的橋殼強度的計算
如果忽略側(cè)向力不計的話，兩側(cè)的驅(qū)動車輪的最大切向反力共為
（4.1）
式（4.1）中：為發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，取186；為傳動系一檔傳動比，6.01；為主減速比，6.14；為傳動系的傳動效率，0.9；為輪胎的滾動半徑，0.367m。
經(jīng)計算，=16831.86N。
圖4.1 最大功率行駛時橋殼的受力簡圖
如圖4.1所示，后驅(qū)動橋殼在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎曲矩為：
=4569.4
（4.2）
式（4.2）中：為汽車加速行駛時的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.1；為汽車滿載時靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷，26880N；為車輪（包括輪轂、制動器等）重力；為驅(qū)動車輪輪距，1.479m；為橋殼上兩鋼板彈簧座中心間的距離，0.88m.。
圖4.2最大功率行駛時橋殼的受力分析圖
彎矩為：
=2608.94
（4.3）
反作用力矩：
（4.4）
式（4.3）（4.4）中：為發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，186；為一檔傳動比，6.01；為主減速比，6.14；為傳動效率0.9；為輪胎的滾動半徑，0.367m。
危險斷面合成力矩：
=6101.29
（4.5）
危險斷面合成應(yīng)力：
=155.3
（4.6）
式（4.6）中：為危險斷面的彎曲截面系數(shù)，39280。
4.1.3最大側(cè)向力時橋殼的強度計算
汽車會由于其他原因而承受側(cè)向力，驅(qū)動橋的側(cè)滑條件是：
（4.7）
式（4.7）中：為驅(qū)動橋所受的側(cè)向力；為地面給左、右驅(qū)動車輪的側(cè)向反作用力；為汽車滿載靜止于水平面時驅(qū)動橋給地面的載荷，26810N；為輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)，取1。
汽車右滑時，驅(qū)動橋側(cè)滑時左、右驅(qū)動車輪的支承反力為：
（4.8）
（4.9）
4.2 其他參數(shù)
4.2.1 差速器
差速器的幾何尺寸如下表
表4.1 差速器的幾何尺寸
基本參數(shù)：行星齒輪數(shù)目，4個；球面半徑=53mm，壓力角，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=111.6Mpa，安裝孔直徑=23mm，深度L=25mm，彎曲應(yīng)力=111.6Mpa
4.2.2半軸
半軸選用全浮式半軸，半軸直徑選用d=45mm，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=525.53MPa，最大扭轉(zhuǎn)角=13.74，半軸花鍵部分，齒數(shù)、模數(shù)依次為16、3，分度圓的直徑和壓力角分別為48mm、 30°，剪切應(yīng)力=64.47MPa；擠壓應(yīng)力=71.72 MPa。
第5章 驅(qū)動橋Pro/E三維設(shè)計
5驅(qū)動橋分析的模型的建立
5.1 三維軟件Pro/E的介紹
Pro/E是PTC旗下著名的一款三維軟件，經(jīng)歷過二十多次改版，已在三維造型軟件領(lǐng)域中有著重要的地位。Pro/E的基于特征的建模系統(tǒng)，可以依靠具有智能特性的基于特征的功能來生成模型。同時采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征方面的問題，一個統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫做到了“牽一發(fā)而動全身”，優(yōu)化設(shè)計的同時也提高了質(zhì)量。并且其采用模塊方式，用戶可以根據(jù)需要來選擇所需的模塊，可單獨進(jìn)行草圖繪制、零件制作、加工處理和裝配設(shè)計等操作。另外最重要的是它是第一個提出參數(shù)化設(shè)計有關(guān)概念的軟件。
5.2半軸模型的建立
5.2.1 新建文件
單擊工具欄上的新建文件夾→選擇零件→選擇缺省→選擇零件→選中使用缺省復(fù)選框→名稱中輸入名稱→新建
5.2.2 建立驅(qū)動橋半軸
點擊拉伸→選項如圖5.1所示
圖5.1拉伸選型
放置→編輯→選擇top為基準(zhǔn)面→hight為草考面
草繪→進(jìn)行草繪→繪制面板如圖5.2所示
圖5.2 草繪
選擇完成→返回拉伸面板→完成拉伸特征，拉伸后的半軸如圖5.3所示
圖5.3 拉伸完成的半軸
5.2.3 建立花鍵
單擊拉伸→進(jìn)行拉伸操控，各部分設(shè)置如圖5.4所示
圖5.4 拉伸各部分設(shè)置
點擊基準(zhǔn)→建立基準(zhǔn)面→草繪→進(jìn)入草繪環(huán)境→完成，草繪環(huán)境如圖5.5所示，半軸花間如圖5.6所示
圖5.5半軸花鍵
圖5.6 半軸花鍵基體
選擇已經(jīng)畫好的花鍵→點擊陣列→進(jìn)行陣列操控→選擇中心線以及特征個數(shù)16→完成，如圖5.7所示為完成花鍵
圖5.7完成的花鍵
重復(fù)以上幾個步驟完成半軸，完成的半軸如圖5.8所示
圖5.8 驅(qū)動橋半軸
5.3 主動齒輪模型的建立
根據(jù)以下幾個步驟便可以完成模型的建立，首先依次點擊新建→零件→輸入文件名→取消缺省之后，再點擊mmns后便可以進(jìn)入零件模式，
接著利用拉伸→旋轉(zhuǎn)→混合掃描等幾個命令來建立殼體，最后主動齒輪的模型便完成了，如圖5.9所示
圖5.9主動齒輪
5.4其他有關(guān)模型
由pro/E建立的驅(qū)動橋其他零件三維模型如圖5.10所示
圖5.10 其他零件模型圖
5.5虛擬裝配
5.5.1 Pro/E基本裝配約束
在pro/E中，需要建立約束來固定不同零件之間的連接。下面接好幾種不同的約束類型：
1、主要裝配約束
（1）匹配（Mate）約束；
（2）對齊（Align）約束；
（3）插入（Insert）約束。
2、模型的具體創(chuàng)建過程
（1）新建裝配文件
點擊新建文件→點擊類型里面的組件按鈕→缺省。
（2）第一個零件的裝配
點擊下拉菜單并選擇插入→點擊元件原件→裝配裝配命令
（3）第二個零件的裝配
①導(dǎo)入第二個零件的過程如上，導(dǎo)入第二個需要裝配的零件。
②在放置第二個零件前的一些準(zhǔn)備工作。
下圖5.11表示的是一些有關(guān)的移動命令的實現(xiàn)界面。
圖5.11 移動和約束的設(shè)置界面
③完全約束放置好的第二個零件。
放置零件設(shè)置如圖5.11所示。
5.5.2 驅(qū)動橋的總裝配圖和爆炸圖
裝配時可以先忽略約束驅(qū)動的動態(tài)特性因素的影響，直接將零件以靜態(tài)位置放置就好。如圖5.12、 圖5.13所示。
圖5.12 總裝圖
圖5.13 總裝爆炸圖
5.5.3 裝配模型的干涉檢查
因為可能會有影響正常的動態(tài)分析的運動干涉的存在，所以當(dāng)驅(qū)動橋的模型在Pro/E軟件中裝配過程完成了以后，為了能夠取得正確的實驗結(jié)果，我們應(yīng)該要進(jìn)行一些必要的干涉檢查，來保證在我們以后的動態(tài)仿真中，不同零件之間的運動干涉不會發(fā)生。干涉分析的設(shè)置過程如下：
圖5.14 總裝圖
在Pro/E環(huán)境的選擇中，菜單的分析菜單下選擇：分析→模型→全局干涉，具體的操作過程如圖5.15所示。在運動干涉不存在的情況下，全局選型將會自動關(guān)閉，但運動干涉存在的情況下則會顯示如圖5.16所示的信息。
圖5.15 干涉檢查的設(shè)置過程 圖5.16 全局干涉的選項卡
反復(fù)地嘗試上面的幾個操作，直到運動干涉在裝配模型中消失不見。
上述步驟僅考慮了驅(qū)動橋整體，并未考慮到分析時承受載荷的模型彈簧座。
第6章 驅(qū)動橋橋殼的ANSYS分析
6驅(qū)動橋橋殼的ANSYS分析
6.1有限元法及ANSYS介紹
6.1.1 有限元法介紹
所謂的有限元法，便是一種將彈性連續(xù)體分成有限個結(jié)構(gòu)相同的單元體的方法。其具體的步驟可以分為結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析三步，大體是將一個難以處理的圖形或者不規(guī)則物體分割成若干個易處理的單元體，再從這些簡單的單元體出發(fā)，對這些單元體進(jìn)行系統(tǒng)的分析和處理，最后再利用數(shù)學(xué)中的變分原理或者加權(quán)余量法對這些單元體進(jìn)行整體性的分析。對于某些不規(guī)則體，這種方法是非常方便靈活的。并且隨著科學(xué)的進(jìn)步，有限元法日益完善，一大批類似于ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等有限元軟件也隨之誕生，這些軟件的出現(xiàn)對于現(xiàn)代學(xué)術(shù)和工業(yè)難題有著莫大的幫助。
6.1.2 ANSYS介紹
作為全球范圍內(nèi)著名的有限元軟件，ANSYS是一個可以分析結(jié)構(gòu)、流體、電磁場等方面的通用軟件，其在機(jī)械、石油化工、交通運輸、土木工程、水利、電子、科教等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
ANSYS可以分為前處理、分析計算、后處理三個模塊：
（1）前處理：顧名思義，便是分析前的準(zhǔn)備，比如建模、劃分網(wǎng)格、施加載荷等等
（2）分析計算：根據(jù)所需要研究的方向設(shè)定相應(yīng)的選項進(jìn)行處理計算
（3）后處理：類似于前處理，在分析計算后所需要的一些相關(guān)步驟，比如結(jié)果的導(dǎo)出，數(shù)據(jù)的圖形化等等。
相較于其他軟件，ANSYS軟件具有著以下優(yōu)勢：
（1）數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一，保證每次試驗的誤差小
（2）GUI圖形界面擁有強大的三維建模能力，可以建立各種復(fù)雜的幾何模型
（3）擁有豐富的求解器，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇
（4）網(wǎng)格可以根據(jù)用戶需求自動生成
（5）具有優(yōu)化功能，可以據(jù)此確定最優(yōu)設(shè)計方案，優(yōu)化相應(yīng)模型的外觀
（6）可實現(xiàn)多物理場耦合分析
（7）開放式的結(jié)構(gòu)，可以用APDL和UPFS等工具進(jìn)行二次開發(fā)
6.2ANSYS分析
6.2.1前處理
將已經(jīng)在pro/E中建立好的三維模型導(dǎo)入到專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行有驅(qū)動橋的受力分析。為了后面的分析方便，在橋殼上添加了兩個簡化的彈簧座模型以方便力的施加，在橋殼左右側(cè)添加了半軸模型以方便約束的施加，導(dǎo)入ANSYS后的橋殼模型如圖6.1。
Pro/E軟件導(dǎo)入ANSYS軟件示意圖：
圖6.1導(dǎo)入到ANSYS軟件的三維圖
定義材料屬性
彈性模量值 EX=1.5e11，柏松比 PRXY=0.25 橋殼材料為球墨鑄鐵
因為選擇的是球墨鑄鐵，Ansysworkbench自帶的材料庫里面沒有，需要自己編輯，具體步驟如下：
點擊A2欄Engineering Data，進(jìn)入材料編輯，點擊A*欄輸入球墨鑄鐵，再雙擊左側(cè)Toolbox欄下的Physical Properties 欄下的Density和Linear Elastic欄下的Isotropic Elasticty，并在右側(cè)Properties of Outline Row中B2欄輸入7300，在B5欄輸入1500000000000，在B6欄輸入0.25，形式如圖6.2所示。
圖6.2 材料編輯
劃分網(wǎng)格
在模型樹下點擊Mesh，在工具欄上找到Mesh點擊并選擇Generate Mesh。已經(jīng)進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化后的有限元模型如圖6.3所示。因為驅(qū)動橋要進(jìn)行必要的動力分析，所以在這一步驟中，盡量的保持驅(qū)動橋上的網(wǎng)格質(zhì)量。
圖6.3 劃分網(wǎng)格后的有限元模型
6.2.2有限元處理過程
我們通過有限元分析軟件模擬的是靜態(tài)工況，為了更好的反映本文所設(shè)計的橋殼質(zhì)量。本分析過程參考文凌波的某型驅(qū)動橋殼疲勞壽命的仿真與實驗分析，在半軸套管安裝輪轂的位置施加約束，允許其繞前后軸向旋轉(zhuǎn)，并允許其任一端沿左右軸向可有位移【14】，約束部分如圖6.4所示
圖6.4約束部分
因為橋殼受力主要來自于橋殼上兩彈簧座，汽車滿載時靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷為26880N，因此在分析時對兩彈簧座分別施加一個13440N的均布載荷。
在Environment中選擇loads中的Moment，選擇橋殼上的彈簧座，再在左側(cè)Details表格中選擇apply，并選擇Define By，選擇Components，在X Component后輸入13440，如圖6.5所示
圖6.5 在彈簧座上施加轉(zhuǎn)矩
在模型樹下選擇Solution，在上方工具欄中選擇Deformation中的Total，Strain中的Equivalent，Stress中的Equivalent，如圖6.6所示
圖6.6 計算
再左擊Solution，選擇tools欄下的Fatigue Tool，再從工具欄中選擇Contour Results欄下的Life，Damage，Safety Factor，Biaxiality Indication，Equivalent Alternatin，再選擇Graph Results欄下的Fatigue Sensitivity，如圖6.7所示
圖6.7 疲勞計算
6.2.3查看結(jié)果文件
右擊左側(cè)模型樹下的Solution，選擇Solve，等待一段處理分析，結(jié)果便出來了，并查看相應(yīng)的位移和應(yīng)力云圖。如圖6.8、6.9所示
圖6.8位移云圖
圖6.9應(yīng)力云圖
根據(jù)位移云圖可以看出，驅(qū)動橋的最大位移為1.837×10-4m。
1.837×10-4m/0.367m=0.5mm/m＜1.5mm/m，所以滿足《QC/T 533-1999汽車驅(qū)動橋臺架實驗方法》中的最大位移與輪距之比不大于1.5mm/m的要求.而根據(jù)應(yīng)力云圖可以看出最大應(yīng)力為26.418MPa，主要在彈簧座處及橋殼圓角過渡處，且低于材料的屈服強度，所以靜力分析部分滿足要求。
6.3 疲勞研究
6.3.1 疲勞及疲勞壽命
根據(jù)美國試驗與材料協(xié)會的定義，疲勞是指“當(dāng)結(jié)構(gòu)承受了動態(tài)載荷，并在足夠多的循環(huán)擾動作用之后產(chǎn)生裂縫或者完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象?！彼?，疲勞是一個只有承受了擾動力才會發(fā)生的發(fā)展的過程，并且是局部承受高應(yīng)力后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化。因此，疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)失效所需要的應(yīng)力或者應(yīng)變循環(huán)次數(shù)。
在1829年疲勞問題首次被提出后，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，疲勞理論逐漸成熟。如今，借助相應(yīng)的計算機(jī)程序和疲勞CAE技術(shù)，我們可以快速地發(fā)現(xiàn)零件的疲勞壽命薄弱地方并予以改進(jìn)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本。據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械零件大部分都有疲勞破壞，所以疲勞壽命的研究對于交通和原子能等工業(yè)部分有著重要意義。
6.3.2疲勞工況的仿真
實際工作中的汽車在行駛過程中，肯定會受到震動的影響。其中，驅(qū)動橋殼肯定也會受到動態(tài)載荷的加載和卸載。因此我們在進(jìn)行疲勞分析的時候，在橋殼所受力的下面和上面加上一個系數(shù)，根據(jù)《QC/T 533-1999汽車驅(qū)動橋臺架實驗方法》，加載的最大載荷為該橋殼滿載載荷的2.5倍，在此系數(shù)取2.5。
完成驅(qū)動橋殼約束加載。驅(qū)動橋殼的兩端進(jìn)行約束，如圖6.10所示為驅(qū)動橋疲勞仿真相關(guān)應(yīng)力加載
圖6.10加載曲線
6.3.3 分析結(jié)果
圖6.11驅(qū)動橋疲勞變形
查看驅(qū)動橋殼的疲勞變形圖可以看出，在加載了一定次數(shù)的最大為2.5倍的26880N、最小為0.25倍的26880N的周期性載荷后，驅(qū)動橋殼會產(chǎn)生細(xì)微的疲勞變形，而變形在驅(qū)動橋殼圓角過渡處最為明顯，壽命值為100萬次，符合國家標(biāo)準(zhǔn)中的不低于80萬次的要求。
6.4 結(jié)果分析
根據(jù)此次的分析可以看出，應(yīng)力和變形主要發(fā)生在彈簧座和橋殼圓角過渡處的地方，因此建議對這部分進(jìn)行優(yōu)化，例如進(jìn)行相應(yīng)的加厚處理、硬度提高和外側(cè)加強筋的設(shè)計等等。
6.5 不足之處
本次的分析方法主要參考了文凌波的某型驅(qū)動橋殼疲勞壽命的仿真與實驗分析，但由于本人水平和條件的限制，分析局限于仿真分析部分，并未進(jìn)行相應(yīng)的實驗驗證。并且，仿真分析中的模型只是一個簡化后的模型，具體的彈簧座等結(jié)構(gòu)并沒有準(zhǔn)確的設(shè)計出來。因此，分析結(jié)果可能會與實際結(jié)果存在一定的誤差。
第7章 論文總結(jié)
7.論文總結(jié)
本文根據(jù)驅(qū)動橋的基本參數(shù)對其零件進(jìn)行了設(shè)計，并在建模后進(jìn)行了有限元分析，據(jù)此提出了改進(jìn)方案。主要結(jié)論如下
（1）設(shè)計的主減速器、橋殼等有關(guān)部件符合強度和剛度要求，在產(chǎn)品設(shè)計初期的零部件分析是必要的。
（2）橋殼有限元分析結(jié)果表明了該橋殼的剛度、強度及疲勞性能滿足要求，驅(qū)動橋受到的應(yīng)力云圖分布較為合理。
（3）根據(jù)有限元分析的結(jié)果提出了改進(jìn)方案，可以對橋殼的左右臂的中間位置進(jìn)行相應(yīng)的加厚處理。
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致 謝
在幾個月的努力之后，論文順利的完成了，四年的大學(xué)生涯也將告一段落。在這里，我要真摯地感謝那些在寫論文的期間里給與我關(guān)心、支持與幫助的人們。
首先感謝我的論文指導(dǎo)老師孟妍妮講師。從論文的選題開始，直到論文的撰寫結(jié)束，老師都能耐心地指導(dǎo)，并給予我?guī)椭?，并且老師?yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和勤勉的工作作風(fēng)都使我受益匪淺。
同時也要感謝四年來陪伴我的同學(xué)們，在四年大學(xué)生活中，他們不僅給我提供了一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，也在不同程度上給我提供了各種幫助，他們的學(xué)習(xí)態(tài)度和做事風(fēng)格也潛移默化地影響著我。
最后感謝我的父母，感謝他們對我學(xué)業(yè)的支持，他們多年來都能支持我所做的每一個決定，并給與我無微不至的幫助。
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