基于UG的某汽車驅(qū)動(dòng)橋殼靜力學(xué)分析

許星月 陳晨 蘇蓉 韓曉標(biāo) 尹宗軍 王清清

摘 要：文章通過UG仿真下的有限元分析對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得到了橋殼在四種典型工況下的的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)橋殼滿足強(qiáng)度要求和最大變形量的要求，該研究對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋殼;有限元;靜力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-115-04

Static Analysis of the Drive Axle Shell of an Automobile Based on UG^*

Xu Xingyue¹， Chen Chen¹， Su Rong^1，2，?Han Xiaobiao¹，?Yin Zongjun^1*， Wang Qingqing¹

（ 1.Anhui Institute of Information Technology， School of Mechanical Engineering， Anhui Wuhu 241100;2.Anhui Institute of Information Technology， Office of the Principal，?Anhui Wuhu 241100?）

Abstract：?The structural statics of the rear drive axle housing is analyzed by the finite element analysis under the UG simulation， and the stress-strain nephogram of the axle housing under four typical working conditions is obtained. The results show that the drive axle shell meets the requirements of strength and maximum deformation. Our research has certain academic value for the structural design of the drive axle.

Keywords：?Drive axle housing; Finite element analysis; Static analysis

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-115-04

前言

驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)橋的主要零部件之一，其設(shè)計(jì)分析水平對(duì)整車性能有較大的影響。驅(qū)動(dòng)橋是汽車在實(shí)際行駛工況下工作環(huán)境較為為惡劣的總成之一，其橋殼承受著來自地面與汽車懸架之間的所有載荷和力矩，因此對(duì)橋殼強(qiáng)度、剛度和動(dòng)態(tài)特性的合理設(shè)計(jì)對(duì)汽車的安全性、操縱穩(wěn)定性等會(huì)有明顯的提升。

吳超^[1]運(yùn)用有限元法研究了驅(qū)動(dòng)橋殼在最大鉛垂力工況下的靜力分析。楊朝會(huì)^[2]對(duì)載貨汽車驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和有限元模擬分析，得出了零件的應(yīng)力和變形分布。劉為^[3]認(rèn)為傳統(tǒng)的橋殼設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，存在設(shè)計(jì)周期長，成本高等弊端。隨著計(jì)算機(jī)和CAE技術(shù)的發(fā)展，有限元分析技術(shù)越來越多的應(yīng)用于橋殼設(shè)計(jì)和分析中。王文竹^[4]通過對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行有限元分析，分別得到了驅(qū)動(dòng)橋殼四種典型工況的等效應(yīng)力和變形。

本文通過某車型驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)參數(shù)建立起三維參數(shù)模型，后通過NX高級(jí)仿真模塊進(jìn)行橋殼的模態(tài)分析，得到自由模態(tài)下的固有頻率及振型，為橋殼后續(xù)的輕量化研究提供了理論依據(jù)。

1 汽車后座的靜力學(xué)分析

1.1 有限元模型的建立

其中材料的彈性模量為2×10⁵MPa，泊松比為0.28，材料密度為7.65e-6kg/mm³。本模型采用的是3D四面體網(wǎng)格劃分的方法，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為10，網(wǎng)格大小為18mm，共生成52678個(gè)節(jié)點(diǎn)，26396個(gè)單元。如圖1所示：

1.2 沖擊載荷工況

由上述可知，滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)橋殼板簧座所受最大垂直力為3.8N/mm²（MPa），此工況下只考慮最大垂直力。對(duì)兩端半軸套管施加固定約束，如圖2所示：

此橋殼在沖擊載荷工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖3）和Von Mises（圖4）如下：

從圖3節(jié)點(diǎn)的位移幅值圖可以看出，橋殼在加載以后，受力變形，其最大的位移處于橋殼的中間位置，最小的位移即是被固定約束的地方。這是由于在沖擊載荷工況下載荷主要集中在鋼板彈簧座處，對(duì)兩端半軸套管進(jìn)行約束后，使得橋殼的中間位置以半軸套管為中心向下發(fā)生變形，從位移圖中可以看出中間位置變形量較大。每米輪距變形量為0.558/?1.6=0.35mm/m，遠(yuǎn)小于規(guī)定的1.5mm/m，符合國家相關(guān)規(guī)定。

從圖4單元的應(yīng)力云圖可以看出，單元的最大應(yīng)力出現(xiàn)在了半軸套管約束處，為223.85MPa，不影響分析。這是由于在沖擊載荷工況下對(duì)半軸套管進(jìn)行了固定約束，橋殼受到?jīng)_擊時(shí)，兩端板簧座對(duì)橋殼有向下的垂直力的作用，中間圓弧位置存在著過渡面，并在力的作用下擠壓變形，從而導(dǎo)致半軸套管處受到較大的應(yīng)力，各處的應(yīng)力值分布也相對(duì)合理。

1.3 最大牽引力工況

汽車以最大牽引力（驅(qū)動(dòng)力）行駛時(shí)，不考慮側(cè)向所受到的力，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩，該工況橋殼承受垂直力和輪胎切向最大牽引力。

1）垂直力：

對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼板簧座施加固定約束，載荷施加在兩端半軸套筒上，如圖5所示：

對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼板簧座施加固定約束，載荷施加在兩端半軸套筒上，如圖5所示：

此橋殼在最大牽引力工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖6）和Von Mises圖（圖7）。

從圖6節(jié)點(diǎn)的位移幅值圖可以看出，橋殼在加載以后，受力變形，其最大的位移處于橋殼的中間位置和兩端套筒端點(diǎn)處，最小的位移即是被固定約束的地方。這是由于施加邊界條件時(shí)，根據(jù)最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)的受力分布，主要的在載荷施加在兩端套筒處，對(duì)兩端上板簧進(jìn)行固定約束，使得在該工況下橋殼中間位置變形量較大。而兩端套筒受到最大切向牽引力。每米輪距變形量為0.524/1.6=0.33mm/m，遠(yuǎn)小于規(guī)定的1.5mm/m，符合國家相關(guān)規(guī)定。

從圖7單元的應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板簧座約束處，為326.75MPa。這種情況的出現(xiàn)，與加載位置和約束位置有關(guān)。在最大驅(qū)動(dòng)力工況下，橋殼中間區(qū)域由于圓弧過渡面的存在，在力的作用下有一個(gè)漸變的變化趨勢(shì)，應(yīng)力也較為集中在此處。此工況下從整個(gè)橋殼的單元應(yīng)力分布來看，各處的應(yīng)力分布也都在規(guī)定范圍內(nèi)，分布也都較為符合實(shí)際。

1.4 最大制動(dòng)力工況

該工況下，驅(qū)動(dòng)橋殼主要承受垂直力和切向最大制動(dòng)力。此工況下載荷約束施加情況類比于最大牽引力力工況，垂直力同最大牽引力工況，切向最大制動(dòng)力為：

約束兩端板簧座，對(duì)套筒施加載荷，如圖8所示：

此橋殼在最大制動(dòng)力工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖9）和Von Mises圖（圖10）。

由圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)的位移小于國家規(guī)定的1.5mm/m，而單元最大應(yīng)力為294.27MPa，考慮應(yīng)力集中的影響，與理論值基本吻合。

1.5 最大側(cè)向力工況

最大側(cè)向力工況下，汽車處于臨界側(cè)滑工況，驅(qū)動(dòng)橋所受載荷由側(cè)滑方向一側(cè)的車輪承擔(dān)。這是一種極度危險(xiǎn)的工況，會(huì)導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻。該工況下，行駛中的汽車只有單側(cè)的車輪承受所有的車身在垂直方向上的載荷和最大側(cè)向力。橋殼的這種臨界狀況在實(shí)際中應(yīng)避免發(fā)生，但是在理論分析上作為一種極限工況，對(duì)汽車的安全性與操縱穩(wěn)定性來講有其研究分析的價(jià)值，通過研究降低其風(fēng)險(xiǎn)。

單側(cè)車輪所承受的垂直力為車重G，最大側(cè)向力也為G。載荷與約束情況如圖11所示：

此橋殼在最大側(cè)向力工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖12）和Von Mises圖（圖13）。

由12圖可知，最大節(jié)點(diǎn)位移出現(xiàn)在側(cè)滑方向端半軸套管的端部，其值為0.555mm，每米輪距變形量為0.33mm/m，符合1.5mm/m的國家標(biāo)準(zhǔn)。最大側(cè)向力工況下的單元最大應(yīng)力發(fā)生在半軸套管端部，最大值為312.39MPa（如圖13所示），小于許用應(yīng)力值。

2 結(jié)論

本文對(duì)某汽車驅(qū)動(dòng)橋殼在各種典型工況下的進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，我們可以看出該車型下的驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力分布能滿足整車設(shè)計(jì)與車輛行駛要求。但是驅(qū)動(dòng)橋殼的節(jié)點(diǎn)位移變形圖與單元的應(yīng)力云圖顯示，在四種典型工況下沖擊載荷工況與最大側(cè)向力工況下位于驅(qū)動(dòng)橋殼鋼板彈簧與橋殼中心圓弧過渡面處的節(jié)點(diǎn)的位移變形過于明顯且單元的應(yīng)力最大值均位于此處，為危險(xiǎn)區(qū)域，多次分析過后發(fā)現(xiàn)此處并非隨機(jī)點(diǎn)，會(huì)對(duì)橋殼的使用壽命造成較大影響^[4]。

參考文獻(xiàn)

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[4] 王文竹，程勉宏，劉剛.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 25（3）：38-40.