中型卡車驅(qū)動橋殼設(shè)計及有限元分析
中型卡車驅(qū)動橋殼設(shè)計及有限元分析,中型,卡車,驅(qū)動,設(shè)計,有限元分析
摘 要
本課題的研究內(nèi)容是對中型卡車的驅(qū)動橋殼進(jìn)行設(shè)計校核并運用軟件對驅(qū)動橋殼進(jìn)行有限元分析。中型卡車廣泛作為載貨汽車使用，在日常生活中處處可見，而驅(qū)動橋殼作為汽車結(jié)構(gòu)一個重要的部件，負(fù)責(zé)支承汽車重量，容易發(fā)生危險面應(yīng)力過大和扭轉(zhuǎn)變形等故障，從而影響汽車的功能和使用時間，所以驅(qū)動橋殼的設(shè)計在車輛行業(yè)的設(shè)計要求中是很關(guān)鍵的一步。通過對驅(qū)動橋殼的設(shè)計校核，可以有效改善汽車的性能指標(biāo)，并且可以進(jìn)一步提升汽車的使用壽命。
本設(shè)計依據(jù)參考文獻(xiàn)，以機(jī)械設(shè)計與汽車設(shè)計理論為基礎(chǔ)，將軟件和有限元分析軟件交互運用，完成了如下工作任務(wù)：首先，決定了驅(qū)動橋的總體設(shè)計方案，為接下來橋殼設(shè)計提供各項參數(shù)；其次對驅(qū)動橋殼進(jìn)行設(shè)計并對其在多工況下進(jìn)行受力和強(qiáng)度校核，確定設(shè)計的橋殼是否符合標(biāo)準(zhǔn)；然后應(yīng)用三維設(shè)計軟件對橋殼進(jìn)行簡化并建立幾何模型，將幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件10.0中生成最終的分析模型；最后運用軟件對最終的模型進(jìn)行分析計算，求出橋殼在多工況下的應(yīng)力和變形結(jié)果，并作出橋殼應(yīng)力圖和位移圖，同時對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，驗證設(shè)計結(jié)果是否符合標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞： ANSYS；驅(qū)動橋殼；有限元分析；模態(tài)分析
ABSTRACT
The design of the medium-sized truck drive axle housing design and finite element analysis. Medium-sized trucks are widely used as trucks, which can be seen everywhere in daily life. Driven axle is an significant part of automobile composition. It is responsible for supporting the weight of automobile, prone to excessive stress and torsional deformation. And the service life, so the design of the axle housing is a key step in car design. By optimizing the design of the drive axle housing, the axle housing can provide good and stiffness, thus effectively improving the performance of the car, and can improve the service life of the car.
This design is based on the reference to the mechanical design and automotive design theory, based on software and finite element analysis combined to complete the following design tasks: Firstly, the overall program of the driving axle is determined, and the parameters are provided for the next axle housing design. Secondly, the driving axle housing is designed and its force and strength are checked under multiple operating conditions to determine whether the designed axle housing conforms And then use the three-dimensional design software to simplify the bridge shell and establish the geometric model, the geometric model into the finite element analysis software 10.0 to generate the final analysis model; Finally, the software used to analyze the final model, Stress and deformation results under multiple operating conditions, and make the bridge shell stress map and displacement diagram, while the modal analysis of the bridge shell to verify whether the design results meet the standard.
Key words: ANSYS; Drive axle housing; Finite element analysis; Modal analysis
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
目 錄 I
1 緒 論 1
1.1 選題背景目的及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究狀況 1
1.3 設(shè)計主要內(nèi)容和研究工作 3
2 驅(qū)動橋的總體方案確定 4
2.1 總體方案設(shè)計 4
2.2 驅(qū)動橋形式的確定 5
2.3 半軸形式的確定 5
2.4 本章小結(jié) 6
3 驅(qū)動橋殼的設(shè)計 7
3.1 鑄造整體式橋殼的結(jié)構(gòu) 7
3.2 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計算 7
3.3 本章小結(jié) 14
4 驅(qū)動橋殼模型的建立 15
4.1 Pro/E的簡介： 15
4.2 驅(qū)動橋殼模型的建立 15
4.3 本章小結(jié) 19
5 驅(qū)動橋殼的有限元分析 20
5.1 驅(qū)動橋殼的靜力分析 20
5.2 各工況的ANSYS分析過程詳述 22
5.3 ANSYS應(yīng)力和位移分析結(jié)果 23
5.4 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 33
5.5 ANSYS模態(tài)分析結(jié)果 35
5.6 本章小結(jié) 36
6 結(jié) 論 37
參考文獻(xiàn) 38
附錄1：外文翻譯 39
附錄2：外文原文 42
致 謝 46
中型卡車驅(qū)動橋殼設(shè)計及有限元分析
1 緒 論
1.1 選題背景目的及意義
驅(qū)動橋殼是汽車上重要的承載件和傳力件。驅(qū)動橋殼支承汽車重量, 并將載荷傳給車輪。作用在驅(qū)動車輪上的牽引力、制動力、側(cè)向力、垂向力也是經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或車廂上。因此, 驅(qū)動橋殼的使用壽命直接影響汽車的有效使用壽命。合理地設(shè)計驅(qū)動橋殼, 使其具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動態(tài)特性, 減少橋殼的質(zhì)量, 有利于降低動載荷, 提高汽車行駛的平順性和舒適性。驅(qū)動橋殼的常規(guī)設(shè)計方法是將橋殼看成一個簡支梁并校核幾種典型計算工況下某些特定斷面的最大應(yīng)力值, 然后考慮一個安全系數(shù)來確定工作應(yīng)力, 這種設(shè)計方法有很多局限性。因此近年來, 許多研究人員利用有限元方法對驅(qū)動橋殼進(jìn)行了計算和分析，并利用有限元分析軟件ANSYS對某型貨車上使用的整體式驅(qū)動橋殼改進(jìn)[1]。
1.2 國內(nèi)外研究狀況
汽車驅(qū)動橋殼既是承載零件, 也是傳力部件, 同時又是主減速器、差速器及驅(qū)動車輪傳動裝置( 如半軸)的外殼。在汽車行駛過程中, 橋殼承受繁重的載荷, 設(shè)計時必須考慮在動載荷下橋殼有足夠的強(qiáng)度和剛度。為了減小汽車的簧下質(zhì)量, 以利于降低動載荷、提高汽車的行駛平順性, 在保證強(qiáng)度和剛度的前提下應(yīng)力求減小橋殼的質(zhì)量。橋殼還應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便, 以利于降低成本。
過去我國主要是通過對橋殼樣品進(jìn)行臺架試驗和整車行駛試驗考核橋殼強(qiáng)度和剛度。有時還采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測方法，讓汽車在典型路段上滿載行駛，以測定橋殼的應(yīng)力。這些方法只有在有橋殼樣品的情況下才能使用，而且需要付出相當(dāng)大的人力、物力和時間。
日本五十鈴公司曾采用略去橋殼后蓋，將橋殼中部安裝主減速器處的凸包簡化成規(guī)則的環(huán)形的簡化方法，用彈性力學(xué)進(jìn)行應(yīng)力和變形的計算。彈性力學(xué)計算方法本身雖精確，但由于對橋殼的幾何形狀作了較多的簡化，使計算結(jié)果受到很大的限制。
通常情況下，設(shè)計橋殼時多采用常規(guī)的設(shè)計方法，將橋殼看成是一簡支梁，校核某些特定斷面的最大應(yīng)力值。例如，日本有的公司對驅(qū)動橋殼的設(shè)計要求是在2.5 倍滿載軸荷的作用下，彈簧座處、橋殼與半軸套管焊接處、輪轂內(nèi)軸承根部圓角處各斷面的應(yīng)力不應(yīng)超過屈服極限。我國通常推薦將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化為四種典型的計算工況：
（1）汽車滿載以較高車速在不平路面行駛受到?jīng)_擊載荷和受最大的垂直載荷工
況；
（2）汽車滿載傳遞最大牽引力工況；
（3）汽車緊急制動承受最大制動力工況；
（4）汽車最大側(cè)向力工況。
在這四種典型工況下，只要橋殼的強(qiáng)度得到保證，就認(rèn)為該橋殼在汽車的各種行駛條件下是可靠的。
傳統(tǒng)的橋殼強(qiáng)度的計算方法，只能近似計算出橋殼某一斷面的應(yīng)力平均值，不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實情況。因此，這種方法僅用于對橋殼強(qiáng)度的驗算，或用來與其它車型的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較，而不能用于計算橋殼上某點的真實應(yīng)力值。
有限單元法是近三四十年隨著計算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的用于各種結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計算方法，在一定的前提條件下，它可以計算各種機(jī)械零件的幾乎所有幾何部位的應(yīng)力和應(yīng)變。由于有限元法能夠很好地模擬零部件的實際形狀、結(jié)構(gòu)、受力和約束，因此，其計算結(jié)果更精確，也更接近實際，可以作為設(shè)計、改進(jìn)零部件的依據(jù)。同時，可以利用有限元分析的結(jié)果進(jìn)行多方案的比較，有利于設(shè)計方案的優(yōu)化和產(chǎn)品的改進(jìn)。有限元法解決了過去對復(fù)雜結(jié)構(gòu)作精確計算的困難，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法，有限元軟件已經(jīng)成為一個廣為接受的工程分析工具[2]。
目前國外有限元方法在汽車分析中得到了廣泛的使用，有限元分析除了汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度計算外，還在車身的結(jié)構(gòu)的摸態(tài)分析、操縱穩(wěn)定性分析、整車振動分析、傳熱分析（如汽缸、汽缸蓋在氣室燃燒時的溫度分布）、空氣動力學(xué)分析等各方面發(fā)揮著重要的作用[3]。在國外，二十世紀(jì)七十年代前后，有限元方法逐漸在汽車橋殼的強(qiáng)度分析中得到應(yīng)用。例如，美國的機(jī)械研究所、萬國汽車公司等，都曾經(jīng)使用有限元法計算過橋殼的強(qiáng)度[4]。
我國工程使用有限元分析方法起步較晚，但是發(fā)展較快,特別是近十年來,有限元分析方法在工程中特別是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也變得越來越廣泛，也取得了一些成果。如東南大學(xué)的羊扮，孫慶鴻等應(yīng)用ANSYS軟件對影響驅(qū)動橋殼強(qiáng)度和剛度的因素進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的橋殼本體厚度由8mm降至7mm，質(zhì)量減輕了4.2千克[5]。
東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心的唐述斌，谷莉按經(jīng)驗對EQ1090E汽車的后橋橋殼厚度進(jìn)行減薄，然后通過計算和試驗進(jìn)行校核，取得了減重8Kg的效果[6]。
從國內(nèi)的研究現(xiàn)狀可以看到，國內(nèi)對橋殼的有限元分析雖然做了很多工作，但是與國外的研究相比有較大的差距，主要表現(xiàn)在多是按照經(jīng)驗修改主要部件的尺寸參數(shù)，往往只校核在靜態(tài)工況下的強(qiáng)度和剛度；在橋殼的設(shè)計過程中使用有限元分析軟件指導(dǎo)設(shè)計的應(yīng)用范圍較小，往往只是幾個大的集團(tuán)公司采用了這種先進(jìn)的設(shè)計方法，大部分中小企業(yè)還未能將其應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程中[7]。
1.3 設(shè)計主要內(nèi)容和研究工作
1、設(shè)計內(nèi)容
依據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)確定橋殼的類型，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并計算相應(yīng)參數(shù)尺寸，對主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行校合，有限元技術(shù)在ANSYS中對橋殼進(jìn)行強(qiáng)度校核，對其應(yīng)力分布和變形分布狀況進(jìn)行研究，驗證設(shè)計的合理性。
2、研究工作
（1） 橋殼的設(shè)計
1) 橋殼的受力分析
2) 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計算
3) 各種工況下橋殼強(qiáng)度的校核
（2） ANSYS軟件分析驗證
（3） 利用CAD軟件繪制橋殼圖紙。
2 驅(qū)動橋的總體方案確定
本設(shè)計對中型卡車的驅(qū)動橋殼進(jìn)行設(shè)計并進(jìn)行有限元分析，在進(jìn)行設(shè)計之前，首先要確定總體方案。
2.1 總體方案設(shè)計
圖2.1 中型卡車外形結(jié)構(gòu)圖
圖2.2中型卡車外形尺寸圖
該種中型卡車的發(fā)動機(jī)類型為，額定功率為，最大扭矩為。
變速器型號為，各檔速比為；；；；；；。
減速器的型號是噸級單級減速器，主減速比為。
差速器形式采用直齒錐齒輪式。
車輪型號為，滾動半徑為，輪距為,鋼板彈簧中心距。
2.2 驅(qū)動橋形式的確定
本設(shè)計驅(qū)動橋的傳動比為5.430，小于6。由于我國對車輛性能要求越來越高，并且道路越來越好，中型卡車驅(qū)動橋基本上采用單級驅(qū)動橋，單級驅(qū)動橋有結(jié)構(gòu)簡單、傳動速比小、平整公路適應(yīng)性高、可靠性高等優(yōu)點。
因此本設(shè)計選用單級驅(qū)動橋。
2.3 半軸形式的確定
全浮式半軸工作可靠性高，且半軸與橋殼之間沒有直接聯(lián)系，有利于半軸的拆卸和更換，因此廣泛用于中型卡車上。
根據(jù)所選車型及設(shè)計要求，所以本設(shè)計采用全浮式半軸。
2.4 本章小結(jié)
本章首先對所選車型的各項參數(shù)進(jìn)行敘述，根據(jù)中型卡車的設(shè)計要求確定了變速器、減速器、差速器等部件型號，然后根據(jù)主減速比確定了驅(qū)動橋形式，根據(jù)車型確定了半軸形式。綜上所述，本設(shè)計采用單級驅(qū)動橋、全浮式半軸、鑄造整體式橋殼的總體方案。
3 驅(qū)動橋殼的設(shè)計
3.1 鑄造整體式橋殼的結(jié)構(gòu)
如圖3.1所示，為本設(shè)計所采用驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)。
圖3.1 鑄造整體式橋殼與半軸連接結(jié)構(gòu)圖
采用該種類型橋殼的優(yōu)勢在于可塑性好，強(qiáng)度及剛度較好；缺點是制造起來比較繁瑣，且鑄造設(shè)備成本大。
3.2 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計算
橋殼受該種力時計算簡圖如下圖所示。
圖3.2 計算簡圖
橋殼兩支撐板彈簧座之間受到的彎矩為
()
式中：——滿載時的質(zhì)量，。
——輪胎質(zhì)量，。
——輪胎中心距離，。
——兩支撐板彈簧座中心距離，。
普遍情況下因為遠(yuǎn)小于，且進(jìn)行設(shè)計時很難準(zhǔn)確得出，因此當(dāng)無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時可以忽略不計，此時彎矩為：
忽略不計時，靜彎曲應(yīng)力為
（）
公式（）中：為橋殼垂向危險截面的彎曲系數(shù)。
支撐板彈簧座附近的截面圖如圖4.3所示，其中，。
圖3.3截面圖
垂向危險截面彎曲系數(shù):
=
水平危險截面彎曲系數(shù):
=
扭轉(zhuǎn)系數(shù):
=
橋殼在危險斷面的形狀使用圓形管強(qiáng)度比較好，因此本設(shè)計在橋殼危險斷面的形狀使用圓形管狀。
根據(jù)公式（）可得，靜彎曲應(yīng)力
3.2.1 在不平路面最大垂向載荷下的橋殼強(qiáng)度計算
橋殼所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為
（）
式中：——受力系數(shù)，取。
——彎曲應(yīng)力，。
根據(jù)公式（）：
3.2.2 以最大牽引力行駛時的橋殼強(qiáng)度計算
該種工況下汽車的受力情況，如下圖所示。
圖3.4受力簡圖
左右輪胎受到地面的最大切向反作用力為：
（）
公式（）中：
——汽車受到的最大轉(zhuǎn)矩，。
——變速器處于檔時的傳動比，。
——減速器的主減速比，。
——傳動結(jié)構(gòu)的效率，。
——車輪半徑，。
根據(jù)公式（4.3）計算可得
此時后驅(qū)動橋橋殼在左、右鋼板彈簧座之間的垂向彎矩為
()
根據(jù)公式（）可得：
=
式中：——取。
驅(qū)動橋殼承受水平方向的彎矩 為
（）
根據(jù)公式（）可得：
圖3.5 汽車緊急剎車時的受力簡圖
兩支承板彈簧座間橋殼受到的轉(zhuǎn)矩為
()
公式（）中：
——汽車受到的最大轉(zhuǎn)矩，。
——變速器處于檔時的傳動比，。
——減速器的主減速比，。
——傳動結(jié)構(gòu)的效率，。
根據(jù)公式（3.7）計算可得：
根據(jù)、、可求出橋殼在危險截面處的合成彎矩：
()
根據(jù)公式（）可求出該處的合成應(yīng)力為：
== ()
橋殼許用彎曲應(yīng)力為。
許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為。
3.2.3 汽車緊急剎車時的橋殼強(qiáng)度計算
汽車在行駛過程緊急剎車時的受力情況，如圖所示。
圖3.6 汽車緊急剎車時的受力簡圖
驅(qū)動后橋的受力簡圖如圖所示，根據(jù)圖可求得橋殼垂向彎矩及水平方向的彎矩分別為：
（）
= （）
其中： ——；
——輪胎與地面的附著系數(shù)，一般取，在本文??；
根據(jù)公式（）、（）計算可得：
=
圖3.7 汽車緊急剎車時驅(qū)動后橋的受力情況
驅(qū)動后橋承受的轉(zhuǎn)矩為：
（）
根據(jù)公式（）計算可得：
所以可根據(jù)公式（），（）計算出和分別為：
3.2.4 汽車受最大側(cè)向力時橋殼的強(qiáng)度計算
汽車向右方發(fā)生滑動時受力情況如圖所示。
所以該工況下驅(qū)動橋受力情況應(yīng)滿足：
（3.13）
公式（3.13）中：
——來自側(cè)方的力矩；
——左、右輪胎所受反力。
——滿載時的質(zhì)量，為。
——車輪側(cè)面的附著系數(shù)，為。
向右滑動時，左、右輪胎受到的反力為：
（） （）
式中：——滿載時幾何中心的高度，為。
——輪胎中心的距離，為。
圖3.8 汽車向右方滑動時受力簡圖
向右滑動時，左、右輪胎沿行駛方向受到的支承力分別為:
（）
（）
（）
（）
其中：——車輪半徑，為。
——滿足關(guān)系。
受地面反力、可由下式求得：
（）
（）
在本設(shè)計中，取。如圖4.10所示為汽車向右側(cè)滑時驅(qū)動橋殼所受垂直力及彎矩，套管套在半軸上，其危險斷面處的彎矩為：
（）
公式（）中：
——軸承的中心到其內(nèi)部的距離，為。
圖3.9 汽車向右方滑動時驅(qū)動橋殼受力及彎矩
根據(jù)圖3.9計算可得，和分別為：
（）
（）
（）
根據(jù)上述計算結(jié)果，半軸處的受力大小都小于，滿足設(shè)計要求。
許用彎曲應(yīng)力為，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為，根據(jù)計算結(jié)果，各個工況下的校核結(jié)果均在指標(biāo)之內(nèi)，所以設(shè)計符合要求。
3.3 本章小結(jié)
本章選擇的橋殼形式為整體式橋殼，并對其進(jìn)行受力分析和計算，同時對各工況下的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行校核，經(jīng)檢驗，各個工況下橋殼的受力和強(qiáng)度均符合設(shè)計要求。
4 驅(qū)動橋殼模型的建立
驅(qū)動橋殼模型的建立是強(qiáng)度和剛度校核的基礎(chǔ)，也是有限元分析的重要過程[8]。
4.1 Pro/E的簡介：
是美國公司設(shè)計的軟件。年，的問世。軟件問世至今，一直是參數(shù)化建模領(lǐng)域的領(lǐng)先者，是很多從事應(yīng)用的企業(yè)的第一選擇，隨著建模要求的不斷提高，正在轉(zhuǎn)型，向直接建模方向發(fā)展，在建模領(lǐng)域取得更大的突破[9]。
4.2 驅(qū)動橋殼模型的建立
創(chuàng)建橋殼模型的詳細(xì)步驟如下所示：
（1）打開軟件，選擇“新建”，做出圖4.1所示的選擇。
圖4.1對話框圖
（2）設(shè)置單位制,如圖4.2所示。
圖4.2 單位制選擇圖
（3）在PRO/E界面中，利用拉伸命令完成橋殼主體的創(chuàng)建,如圖4.3所示。
圖4.3 橋殼主體
（4）利用倒圓角功能實現(xiàn)圓弧過渡,如圖4.4所示。
圖4.4 圓弧過渡
（5）選擇如圖所示基準(zhǔn)面，利用拉伸命令的去除材料功能完成中間空的創(chuàng)建
,如圖4.5所示。
圖4.5 去除材料完成
（6）利用拉伸命令的去除材料功能完成主減速器橋殼內(nèi)圓弧表面的創(chuàng)建,如圖4.6所示。
圖4.6 內(nèi)圓弧面
（7）利用倒圓角功能，完成兩個內(nèi)表面的圓弧過渡,如圖4.7所示。
圖4.7 內(nèi)表面過渡
（8）利用基準(zhǔn)軸工具，確定橋殼的橫向中心軸線L1。
（9）利用旋轉(zhuǎn)命令，以L1為中心軸生成一端部分,如圖4.8所示。
圖4.8 一端半軸
（10）利用鏡像命令完成另一端的創(chuàng)建,如圖4.9所示。
圖4.9 兩端半軸
（11）利用基準(zhǔn)軸工具，確定橋殼的橫向中心軸線L2
（12）利用旋轉(zhuǎn)工，以L2為中心軸生成橋殼后蓋,如圖4.10所示。
圖4.10 后蓋
（13）利用拉伸命令去除材料功能完成螺栓孔的創(chuàng)建,如下兩圖所示。
圖4.11 法蘭盤螺栓孔
圖4.12 橋殼中央螺栓孔
（14）利用多步拉伸命令，創(chuàng)建橋殼的彈簧座,如圖4.13所示。
圖4.13 彈簧座
（15）完成橋殼幾何模型，如圖4.14所示。
圖4.14 橋殼模型
（16）將完成后的橋殼圖形文件保存成功，使用接口串聯(lián)的指令，將橋殼模型導(dǎo)入到軟件中如圖4.15。
圖4.15 橋殼的有限元模型
4.3 本章小結(jié)
本章節(jié)選用Pro/E作為創(chuàng)建模型的軟件，對橋殼模型進(jìn)行了一些簡化以便于接下來的分析計算，選擇拉伸、去除材料等指令完成橋殼模型的創(chuàng)建，既保留了橋殼的總體結(jié)構(gòu)不變，又減少了計算，為ANSYS分析打下基礎(chǔ)。
5 驅(qū)動橋殼的有限元分析
軟件涉獵極廣，作為大型CAE分析軟件，由美國公司開發(fā)，可應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)、化工行業(yè)、航海業(yè)、土木行業(yè)等眾多行業(yè)的分析研究。軟件功能強(qiáng)大，具有廣泛的分析能力，一體化的處理技術(shù)，完善的分析體系[10]。
5.1 驅(qū)動橋殼的靜力分析
本章將驅(qū)動橋殼在車輛行駛過程中的受力情況簡化為以下四種工況進(jìn)行計算[11]：
（1）最大垂向力工況
（5.1）
式中：，——彈簧座所受載荷。
——滿載時載荷，為。
——為。
因此根據(jù)公式（）計算可得：
==
（2）最大牽引力工況
左、右輪胎受到地面的垂向反作用力分別為，且相等，則
（）
公式（）中：
——滿載時質(zhì)量，。
——汽車幾何中心的高度，。
——軸距，。
——重心到前軸的距離，。
——輪胎受到的最大反力，。
——汽車受到的最大轉(zhuǎn)矩，。
這時最大牽引力為：
（）
公式（）中：
——變速器處于檔時的傳動比，。
——減速器的主減速比，。
——傳動結(jié)構(gòu)的效率，。
——車輪半徑，。
根據(jù)公式（）和（），通過計算可得左、右輪胎受到地面的垂向反作用力為：
==
最大牽引力為：
。
（3）最大制動力工況
左、右輪胎受到地面的垂向反作用力分別為，且相等，則：
（）
公式（）中：——減速加速度，為
汽車緊急剎車時，最大制動力大小為：
（）
式中：——取。
——輪胎附著系數(shù)，取。
本文在進(jìn)行計算時和均取。
根據(jù)公式（）和（），通過計算可得左、右輪胎受到地面的垂向反作用力為：
==
最大制動力為：
。
（4）最大側(cè)向力工況
驅(qū)動橋向右滑動需滿足：
（）
公式（）中：
——來自側(cè)方的力矩；
——左、右輪胎所受反力。
——滿載時的質(zhì)量，為。
——車輪側(cè)面的附著系數(shù)，為。
根據(jù)上述，支承反力為：
（5.7）
此時驅(qū)動橋承受的側(cè)向力為：
（5.8）
根據(jù)上述內(nèi)容，將參數(shù)代入到公式和中，根據(jù)公式，求得反力分別為：
此時驅(qū)動橋承受的側(cè)向力為
。
5.2 各工況的ANSYS分析過程詳述
1、Preprocessor模塊
點擊單元類型 選擇 l l l 命令，彈出對話框選擇 10 92。
定義材料屬性 選擇 l lProps l 彈出對話框選擇 l l l,在彈性模量值處填入“”，泊松比填入“”。
點擊網(wǎng)絡(luò)劃分工具 生成網(wǎng)格 選擇 l l命令，將模型網(wǎng)絡(luò)劃分。
圖5.1網(wǎng)格劃分
3、模塊
選擇添加約束 l l lApply l l l 。
賦予面載荷 l l l l l ，輸入壓力值
求解 選擇Menu l lSolve l LS命令
5.3 ANSYS應(yīng)力和位移分析結(jié)果
在ANSYS的求解模塊（Simulation）中進(jìn)行求解（Solve）,完成計算后，在的結(jié)果頁面就可以看到各個工況下驅(qū)動橋殼的應(yīng)力和變形情況[8]。
本設(shè)計中橋殼的材料為球墨鑄鐵，其許用應(yīng)力為，汽車驅(qū)動橋臺架實驗評價指標(biāo)規(guī)定滿載軸荷時每米輪距最大變形量不超過[12]，由于本橋殼輪距為，所以允許的最大變形為。
5.3.1 沖擊載荷工況分析結(jié)果
約束加載完成后如圖5.2。
圖5.2 沖擊載荷工況前處理完成圖
經(jīng)過求解后便可得到以下云圖5.3、5.4和列表5.1、5.2。
（a）應(yīng)力云圖一 （b）應(yīng)力云圖二
（c）應(yīng)力云圖三 （d）應(yīng)力云圖四
圖5.3 沖擊載荷工況應(yīng)力云圖
（a）位移云圖一 （b）位移云圖二
（c）位移云圖三 （d） 位移云圖四
圖5.4 沖擊載荷工況位移云圖
表5.1 沖擊載荷工況應(yīng)力列表 單位：MPa
NODE
S1
S2
S3
SINT
SEQV
7718
254.82
16.669
5.3090
249.51
244.03
3061
250.17
13.810
1.5041
248.66
242.74
5303
250.15
14.508
8.9934
241.16
238.45
3012
249.58
11.084
-0.25262
249.83
244.36
3805
246.47
16.603
4.0589
242.41
236.39
14050
238.63
25.320
11.466
227.17
220.57
144
227.48
16.808
1.0656
226.41
218.96
5323
226.19
12.743
3.5205
222.67
218.20
13968
224.95
13.709
3.6161
221.33
216.46
3027
218.60
17.895
5.1589
213.45
207.37
表5.2 沖擊載荷工況位移列表 單位：mm
NODE
UX
UY
UZ
USUM
80
-1.6335
-0.95333E-03
-0.32740E-02
1.6335
2808
-1.6332
-0.10073E-02
-0.34110E-02
1.6332
7456
-1.6331
-0.10453E-01
-0.26999E-02
1.6332
2809
-1.6331
-0.99405E-02
-0.27154E-02
1.6331
2807
-1.6331
-0.12070E-02
-0.33969E-02
1.6331
3019
-1.6331
0.75825E-02
-0.40088E-02
1.6331
79
-1.6331
-0.13954E-02
-0.33885E-02
1.6331
2858
-1.6329
-0.88460E-02
-0.28476E-02
1.6329
2810
-1.6328
-0.21132E-01
-0.20346E-02
1.6329
3018
-1.6327
0.18869E-01
-0.44437E-02
1.6329
在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取應(yīng)力比較大的10個節(jié)點，如上表3.2所示，可得應(yīng)力值最大為，小于許用應(yīng)力。在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.3所示，位移最大的節(jié)點為1.633mm，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標(biāo)準(zhǔn)。
5.3.2 最大牽引力工況載荷約束的添加與結(jié)果分析
網(wǎng)格劃分與定義材料情況與沖擊載荷工況相同。
約束加載完成后如圖5.5。
圖5.5 最大牽引力工況前處理完成
經(jīng)過求解可得到云圖5.6、5.7和列表5.3、5.4。
（a）應(yīng)力云圖一 （b）應(yīng)力云圖二
（c）應(yīng)力云圖三 （d）應(yīng)力云圖四
圖5.6 最大牽引力工況應(yīng)力云圖
（a）位移云圖一 （b）位移云圖二
（c）位移云圖三 （d）位移云圖四
圖5.7 最大牽引力工況位移云圖
表5.3 最大牽引力工況應(yīng)力列表 單位：MPa
NODE
S1
S2
S3
SINT
SEQV
1776
-3.9216
-46.885
-265.68
261.76
243.14
2092
-34.947
-55.188
-243.07
208.13
198.78
9358
-24.000
-34.400
-183.25
159.25
154.32
9831
-24.685
-38.496
-181.48
156.80
150.37
2093
-12.125
-24.964
-163.53
151.41
145.42
9553
-10.230
-42.509
-161.63
151.40
138.12
1766
-31.808
-79.259
-160.47
128.66
112.69
9342
0.20798
-36.956
-157.21
157.42
142.52
71
-34.239
-52.056
-157.15
122.91
115.04
2102
-28.540
-64.448
-150.86
122.32
108.90
表5.4 最大牽引力工況位移列表 單位：mm
NODE
UX
UY
UZ
USUM
6148
0.84334
0.24707
0.87288
1.2386
6149
0.84244
0.25507
0.87105
1.2383
6147
0.84386
0.23454
0.87484
1.2379
6150
0.84117
0.25809
0.86941
1.2370
6146
0.84398
0.21809
0.87684
1.2364
6151
0.83955
0.25572
0.86803
1.2344
6145
0.84371
0.19847
0.87881
1.2343
7605
0.84114
0.23009
0.87257
1.2336
7608
0.84228
0.21044
0.87597
1.2333
7607
0.84180
0.21623
0.87483
1.2332
在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取應(yīng)力比較大的10個節(jié)點，如上表3.4所示，可得應(yīng)力值最大為，小于許用應(yīng)力。在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.5所示，位移最大的節(jié)點為，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標(biāo)準(zhǔn)。
5.3.3 最大制動力工況載荷約束的添加與結(jié)果分析
網(wǎng)格劃分能與定義材料與沖擊載荷工況相同。
約束加載完成后如圖5.8。
圖5.8 最大制動力工況前處理完成
經(jīng)過求解處理后得到云圖5.9、5.10和列表5.5、5.6。
（a）應(yīng)力云圖一 （b）應(yīng)力云圖二
（c）應(yīng)力云圖三 （d）應(yīng)力云圖四
圖5.9 最大制動力工況應(yīng)力云圖
（a）位移云圖一 （b）位移云圖二
（c）位移云圖三 （d）位移云圖四
圖5.10 最大制動力工況位移云圖
NODE
S1
S2
S3
SINT
SEQV
1403
0.52961
-26.378
-220.22
220.75
208.60
1366
0.44125
-20.684
-179.30
179.74
170.16
9832
-14.069
-32.481
-163.66
149.59
141.29
11581
-9.7975
-36.791
-156.81
147.01
135.54
9341
-12.122
-42.265
-135.53
123.41
111.44
28
-21.038
-52.926
-131.34
110.31
98.319
29
-28.641
-52.685
-131.01
102.37
92.714
9359
-14.787
-25.330
-130.09
115.30
110.41
14
-23.176
-48.854
-128.45
105.28
95.075
9814
8.2786
-20.616
-127.23
135.51
123.62
表5.5 最大制動力工況應(yīng)力列表 單位：MPa
表5.6 最大制動力工況位移列表 單位：mm
NODE
UX
UY
UZ
USUM
6118
0.84718
-0.69299E-03
-0.57261
1.0225
6119
0.84869
0.19482E-01
-0.56998
1.0225
6117
0.84523
-0.20451E-01
-0.57487
1.0224
6120
0.84968
0.39315E-01
-0.56709
1.0223
6116
0.84292
-0.39124E-01
-0.57671
1.0221
6121
0.85011
0.58043E-01
-0.56403
1.0218
6115
0.84034
-0.56223E-01
-0.57809
1.0215
6122
0.84992
0.74910E-01
-0.56092
1.0211
6114
0.83744
-0.71775E-01
-0.57899
1.0206
6123
0.84913
0.89194E-01
-0.55789
1.0199
在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取應(yīng)力比較大的10個節(jié)點，如上表3.6所示，可得應(yīng)力值最大為，小于許用應(yīng)力。在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.7示，位移最大的節(jié)點為，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標(biāo)準(zhǔn)。
5.3.4 最大側(cè)向力工況載荷約束的添加與結(jié)果分析
網(wǎng)格劃分能與定義材料與沖擊載荷工況相同。
約束加載后如圖5.11所示。
圖5.11側(cè)滑工況前處理完成
求解后可得云圖5.12、5.13和列表5.7、5.8。
（a）應(yīng)力云圖一 （b）應(yīng)力云圖二
（c）應(yīng)力云圖四 （d）應(yīng)力云圖四
圖5.12 側(cè)滑工況的應(yīng)力云圖
（a）位移云圖一 （b）位移云圖二
（c）位移云圖三 （d）位移云圖四
圖5.13 側(cè)滑工況的位移云圖
表5.7 側(cè)滑工況位移列表 單位：mm
NODE
UX
UY
UZ
USUM
6152
1.6171
0.44763
0.10769
1.6814
6151
1.6212
0.43147
0.10990
1.6813
6153
1.6135
0.45483
0.10660
1.6798
6150
1.6246
0.40946
0.11280
1.6792
372
1.6092
0.45634
0.10618
1.6760
6149
1.6272
0.38284
0.11624
1.6757
7615
1.6175
0.41184
0.11209
1.6729
7618
1.6147
0.42326
0.11053
1.6729
7616
1.6200
0.39867
0.11386
1.6722
7614
1.6118
0.42753
0.10984
1.6712
表5.8 側(cè)滑工況應(yīng)力列表 單位：MPa
NODE
S1
S2
S3
SINT
SEQV
13462
260.33
21.216
5.8637
254.46
247.14
17581
244.81
16.540
3.1811
241.63
235.24
3825
244.79
15.791
-2.8298
247.62
238.86
3081
244.33
15.736
-1.7610
246.10
237.83
5323
241.25
15.143
3.9275
237.32
231.92
3032
238.93
13.194
2.0498
236.88
231.51
13461
209.75
12.739
-0.79580
210.55
204.11
3082
198.60
6.4709
-9.5668
208.16
200.63
5343
194.14
10.439
2.2088
191.93
187.95
5342
190.57
5.5577
1.6040
188.97
187.02
在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取應(yīng)力比較大的10個節(jié)點，如上表3.8所示，可得應(yīng)力值最大為，小于許用應(yīng)力。在ANSYS應(yīng)力變形結(jié)果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.9所示，位移最大的節(jié)點為，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標(biāo)準(zhǔn)。
5.4 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析
1、點擊分析狀態(tài)[13]
選擇 l l
2、Preprocessor模塊
點擊單元類型 選擇 l l l//命令，彈出對話框選擇 。
定義材料屬性，選擇 l lProps l 彈出對話框，點擊右側(cè) l lelastic l,在彈性模量值處填入“”，泊松比填入“”，移步至輸入“”。
生成網(wǎng)格 選擇 l l命令
圖5.14網(wǎng)格模塊劃分
3、模態(tài)分析設(shè)置[14]
點擊主菜單 l l lNew 命令，打開 選擇命令內(nèi)容，要求分析種類，選擇“”。
從主菜單中選擇 l l l 命令，打開 對話框，點擊模態(tài)分析命令，選擇“ ”,在. 文本框中輸入，將 設(shè)置為 ，在. 文本框中輸入，點擊按鈕。
4、施加邊界條件
添加約束 選擇 l l l l l l 。
5、結(jié)果模塊
查看結(jié)果 l l l l
點擊結(jié)果查看 以表格形式列出 在文本框內(nèi)顯示分析結(jié)果 l l 。
5.5 ANSYS模態(tài)分析結(jié)果
圖5.15 分析結(jié)果
點擊命令查看模態(tài)變形結(jié)果
圖5.16 一階模態(tài)變形 圖5.17 二階模態(tài)變形
圖5.18 三階模態(tài)變形 圖5.19 四階模態(tài)變形
圖5.20 五階模態(tài)變形 圖5.21 六階模態(tài)變形
圖5.16所示為一階模態(tài)變形結(jié)果,頻率,最大變形值為(相對值);圖5.17所示為二階模態(tài)變形結(jié)果,頻率為,最大變形值為(相對值);圖5.18所示為三階模態(tài)變形結(jié)果,頻率為,最大變形值為(相對值);圖5.19所示為四階模態(tài)變形結(jié)果,頻率為,最大變形值為(相對值);圖5.20所示為五階模態(tài)變形結(jié)果,頻率為,最大變形值為(相對值); 圖5.21所示為六階模態(tài)變形結(jié)果, 頻率為,最大變形值為(相對值)。
本章使用ANSYS對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)結(jié)果顯示，各階模態(tài)橋殼的頻率均在汽車橋殼安全的振動頻率范圍內(nèi)，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
5.6 本章小結(jié)
本章對橋殼進(jìn)行有限元分析，針對的是對橋殼的瞬態(tài)分析，運用軟件對最終的模型進(jìn)行分析計算，求出橋殼在多工況下的應(yīng)力和變形結(jié)果，并作出橋殼應(yīng)力圖和位移圖，同時對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
6 結(jié) 論
本文依據(jù)參考文獻(xiàn)，首先決定了驅(qū)動橋的總體設(shè)計方案，為接下來橋殼設(shè)計提供各項參數(shù)，然后對驅(qū)動橋殼進(jìn)行設(shè)計并對其在多工況下進(jìn)行受力和強(qiáng)度校核，確定設(shè)計的橋殼是否符合標(biāo)準(zhǔn)，最后應(yīng)用三維設(shè)計軟件和有限元分析軟件10.0對橋殼進(jìn)行幾何模型建立和有限元分析。通過本次設(shè)計，本人對軟件建模的特性有了初步的了解，對計算、分析功能的認(rèn)知更清晰，充分體會到了軟件對于解決應(yīng)力和變形問題的方便性和快速性。
本設(shè)計的主要內(nèi)容如下:
（1）因為本設(shè)計的總體方案確定為中型卡車，所以本設(shè)計采用鑄造整體式橋殼的形式。
（2）對四種工況下橋殼的受力和強(qiáng)度進(jìn)行校核，符合標(biāo)準(zhǔn)。
（3）選用Pro/E作為創(chuàng)建模型的軟件，對橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，選擇拉伸、去除材料等指令完成橋殼模型的創(chuàng)建，既保留了橋殼的總體結(jié)構(gòu)不變，又減少了計算。并成功導(dǎo)入，為ANSYS分析打下基礎(chǔ)。
（4）運用軟件對最終的模型進(jìn)行分析計算，求出橋殼在多工況下的應(yīng)力和變形結(jié)果，并作出橋殼應(yīng)力圖和位移圖，同時對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，驗證設(shè)計結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。
綜上所述，本設(shè)計設(shè)計的橋殼在各個工況下均符合設(shè)計要求，切實可用。
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