乘用車驅(qū)動橋殼有限元分析

朱文艷

摘要：本文以某汽車的驅(qū)動橋橋殼為模型，在Pro/E三維建模軟件中對驅(qū)動橋橋殼基于實際尺寸進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench有限元法分析軟件中。在ANSYS Workbench中對橋殼進(jìn)行四種工況的靜力學(xué)分析和自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，得到對應(yīng)的變形、應(yīng)力云圖和前六階振型及頻率。根據(jù)各工況的應(yīng)力分布位置、變形量和各階振動頻率的分析結(jié)果，對驅(qū)動橋橋殼提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)建議。

Abstract： In this paper， a driving axle housing of a car is taken as a model， and the driving axle housing is modeled based on the actual size in the Pro/E 3D modeling software and imported into the ANSYS Workbench finite element analysis software. In the ANSYS Workbench， the static analysis of the axle housing in four conditions and the modal analysis in the free state are carried out， and the corresponding deformation， stress cloud and the first six modes and frequencies are obtained. According to the analysis of the stress distribution position， deformation and vibration frequency of each condition， the appropriate suggestions for improving and optimizing the drive axle housing are put forward.

關(guān)鍵詞： 驅(qū)動橋橋殼；三維建模；有限元法；ANSYS Workbench

Key words： axle housing；three-dimensional modeling；finite element method；ANSYS Workbench

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）03-0136-04

0 引言

汽車中重要承載部件之一的驅(qū)動橋，在支撐保護(hù)主減速器、差速器和半軸的同時，還承受著來自路面和懸架之間的力和力矩，驅(qū)動橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度且盡可能質(zhì)量小[1]。為保證驅(qū)動橋殼工作的可靠性，需要對橋殼應(yīng)力分布情況、變形量、關(guān)鍵部位的動應(yīng)力等進(jìn)行必要的計算和校核，無需實際生產(chǎn)加工試驗就可以達(dá)到優(yōu)化的目的。本文采用有限元的方法對某乘用車橋殼為研究對象，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。

1 基于Pro/E三維模型的建立

本次選用一款經(jīng)典微型面包車，其驅(qū)動橋殼就屬于整體鋼板焊接沖壓式橋殼。橋殼的二維尺寸如圖1。

該型驅(qū)動橋總成主要由橋殼、后蓋、半軸套管、軸頭及主減速器殼等組成，屬于較為復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)體，難以直接用有限元軟件快速準(zhǔn)確的建模，故采用三維軟件Proe建立三維模型，后期通過輸入接口導(dǎo)入ANSYS Workbench完成有限元分析。三維建模型時，根據(jù)驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)和工作特點，在保持其力學(xué)性能不變的條件下，對模型進(jìn)行必要的簡化：①不考慮焊接處材料性質(zhì)的變化；②忽略底部放油孔，潤滑油加注口等影響不大的小尺寸和小孔結(jié)構(gòu)；③假設(shè)橋殼的材料為均質(zhì)材料且各向同性。

在Pro/E軟件中主要通過掃描混合、拉伸、旋轉(zhuǎn)、去除材料、筋板、圓角等指令獲得驅(qū)動橋殼及主減速器殼三維模型，如圖2。

2 有限元模型的建立[2][3]

將驅(qū)動橋殼和主減速器殼三維模型在pro＼E軟件中另存為*stp格式，導(dǎo)入ANSYSWorkbench中Geometry/Import Geometry/Browse，選擇三維模型文件。驅(qū)動橋殼本體材料為20號鋼，主減速器殼為灰鑄鐵，查閱材料手冊添加屬性，如表1。采用shell單元，自動劃分網(wǎng)格，驅(qū)動橋殼單元數(shù)為17647，節(jié)點數(shù)為35355，如圖3。

3 驅(qū)動橋靜力學(xué)分析

3.1 驅(qū)動橋殼靜力學(xué)分析[4]

考慮驅(qū)動橋殼在車輛不同工況的行駛中，受到應(yīng)力和變形各不相同，且較為復(fù)雜，選取4種極限工況對橋殼進(jìn)行分析：

①最大垂向工況：汽車受到不平路面沖擊，橋殼板簧座上的載荷為沖擊上的最大載荷，對橋殼兩端法蘭X、Y、Z方向的平動和轉(zhuǎn)動約束，兩對個鋼板彈簧座施加2.5倍靜載荷，F(xiàn)1垂=10308.38N。

②最大驅(qū)動力工況：汽車受到最大牽引力情況下，載荷主要有垂向力和驅(qū)動力，對橋殼兩端法蘭Y、Z方向的自由度和繞X方向的和轉(zhuǎn)動約束：對兩個鋼板彈簧座施加垂向載荷和最大驅(qū)動力載荷：F2垂=4948.02N，F(xiàn)2驅(qū)=4966.38N。

③最大制動力工況：當(dāng)汽車緊急制動時，不考慮側(cè)向力，此時，橋殼主要承受垂向力和制動力，約束橋殼兩端法蘭的X、Y、Z方向平動和轉(zhuǎn)動，半軸套管上平均施加與運動方向相反的最大制動力：F3垂=2286.34N，F(xiàn)3驅(qū)=2309.08N。

④最大側(cè)向力工況：當(dāng)汽車急轉(zhuǎn)彎，處于側(cè)滑狀態(tài)時，發(fā)生側(cè)滑方向的一端垂向力和側(cè)向力達(dá)到最大值，另一端受力為零，此時，不考慮縱向力橋殼側(cè)滑方向的一端所受到的垂向力和側(cè)向力，約束橋殼兩端法蘭X、Y、Z方向的平動和轉(zhuǎn)動，半軸套管上平均施加垂向力和側(cè)向力：F4垂=8246.7N，F(xiàn)4側(cè)=8246.7N。endprint

3.2 強(qiáng)度計算分析

四種工況下，在ansys中對驅(qū)動橋殼施加約束和載荷后進(jìn)行求解，所得的變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖4-圖11所示。

基于各工況下的仿真結(jié)果可知，最大變形是在最大驅(qū)動力工況下，最大變形量為0.509mm，滿足橋殼滿載1m輪距最大變形量不超過1.5m的標(biāo)準(zhǔn)。[5]橋殼的最大應(yīng)力發(fā)生在施加側(cè)向力的半軸套管和軸頭結(jié)合處附近，分別為263.17MP和260.25MP，大于材料的屈服極限245MP，這與加載位置和約束位置有關(guān)，且在接頭處由于材料厚度的改變，造成材料相對薄的部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，考慮到在實際應(yīng)用中，車輛滿載且在最大垂向力和驅(qū)動力工況下會出現(xiàn)斷裂情況，所以要對與接頭相連的半軸套管處進(jìn)行加厚處理提高應(yīng)力，對應(yīng)力集中部位進(jìn)行焊接加厚處理。

4 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)固有的振動特性稱為模態(tài)，每個模態(tài)都有各自的固有頻率、阻尼比和振型，可由計算或?qū)嶒灧治龅玫?，這一分析過程稱為模態(tài)分析[6]。汽車在行駛過程中零件與車身發(fā)生共振，共振會極大地破壞汽車的結(jié)構(gòu)，并且還會產(chǎn)生極大的噪音。因此，我們需要掌握振動的本身特性和它對外界激勵的響應(yīng)。驅(qū)動橋橋殼承載著整車超過一半的總質(zhì)量，它的振動對整車的結(jié)構(gòu)及車輛的性能都有很大的影響。

驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，計算得到橋殼的各階振動頻率如表2所示。

由分析圖形可見，驅(qū)動橋橋殼的振型主要表現(xiàn)為水平彎曲、垂直彎曲和彎扭組合等。橋殼兩端法蘭處的振動較大，設(shè)計時應(yīng)注意加強(qiáng)該兩處的剛度。路面給車輪的激勵一般小于5Hz，橋殼固有頻率遠(yuǎn)高于這一頻率，所以不會產(chǎn)生共振。

5 結(jié)論

①由靜力分析可知驅(qū)動橋橋殼的最大變形、最大應(yīng)力兩者均出現(xiàn)在最大驅(qū)動力工況下的軸頭與法蘭連接處，考慮到接頭處由于材料厚度的改變，造成材料相對薄的部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以應(yīng)采取對接頭相連的半軸套管進(jìn)行加厚處理提高應(yīng)力，可以對應(yīng)力集中部位進(jìn)行焊接加厚處理。

②對驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行自由模態(tài)分析，計算前六階振動頻率，橋殼兩端法蘭處的振動較大，設(shè)計時應(yīng)注意加強(qiáng)該兩處的剛度，另外橋殼頻率遠(yuǎn)高于路面給予激勵，不會產(chǎn)生共振。

③通過仿真分析結(jié)論可以有助于汽車企業(yè)降低設(shè)計開發(fā)成本，減少試驗次數(shù)，縮短設(shè)計開發(fā)周期，并為后續(xù)研究汽車輕量化提供指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[5]于東娜，魏建飛，邱陽，劉學(xué)杰.基于FEM的重型汽車提升橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2011，7（32）：24-28.

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