某輕卡驅(qū)動橋橋殼有限元分析

楊曉娜，馬建勛

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064）

引言

驅(qū)動橋橋殼作為整車主要的傳動和承載構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)性能不僅關(guān)乎整車的可靠性與耐久性，還對汽車行進(jìn)過程中的安全性產(chǎn)生直接影響。驅(qū)動橋在正常工作過程中，橋殼長期受到交變載荷作用，容易產(chǎn)生疲勞破壞[1]。為了保證行車安全，設(shè)計時須確保驅(qū)動橋殼滿足必要的剛度與強(qiáng)度。

本文針對輕卡驅(qū)動橋殼長時間工作后易受力變形、發(fā)生斷裂的問題，利用ABAQUS軟件對不同工況下橋殼的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，對輕卡驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化有積極的指導(dǎo)意義。

1 建立橋殼有限元模型

1.1 三維模型的建立

以某型號卡車為研究對象，在CATIA 中建立驅(qū)動橋殼的三維模型，橋殼的參數(shù)如表1所示。驅(qū)動橋?yàn)榉菙嚅_式后驅(qū)動橋，應(yīng)用于貨車的后驅(qū)動，與非獨(dú)立懸架有良好的匹配關(guān)系。

表1 輕卡驅(qū)動橋主要參數(shù)

1.2 有限元模型的建立

將CATIA建立的橋殼三維模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中；采用Geometry菜單中的midsurface模塊進(jìn)行中面抽取，獲得可以完整表達(dá)橋殼的幾何特征[2]；選擇四邊形網(wǎng)格為主，三角形網(wǎng)格為輔的離散方式，以獲得良好的網(wǎng)格質(zhì)量，最終得到2D網(wǎng)格數(shù)20563個，其中四邊形網(wǎng)格數(shù)19947個，三角形網(wǎng)格616個，用來模擬焊接單元的1D單元數(shù)目189；對已離散的網(wǎng)格進(jìn)行連接關(guān)系的建立，以模擬實(shí)際中的焊接和螺栓連接關(guān)系。文中對橋殼采用殼單元進(jìn)行焊接模擬，對幾何特征較復(fù)雜的網(wǎng)格部分采用1D單元Beam模擬。

驅(qū)動橋殼主體材料選用40Cr，許用應(yīng)力為650MPa，在使用菜單目錄下materials中建立材料屬性，在properties 中輸入結(jié)構(gòu)厚度，并將此賦予到對應(yīng)的網(wǎng)格中。此時，驅(qū)動橋殼有限元模型建立完成[3]。

2 靜態(tài)強(qiáng)度分析

汽車行駛中，驅(qū)動橋受到來自路面、車架以及發(fā)動機(jī)等多處的載荷，有限元分析無法有效地對多種復(fù)合載荷進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，文中通過汽車運(yùn)行的幾個典型工況進(jìn)行簡化分析。

2.1 最大鉛垂工況

車輛滿載通過不平路面時，車輪受到來自于路面的垂直向上的沖擊載荷，通過半軸軸承傳遞到驅(qū)動橋殼上。為模擬符合實(shí)際工況下半軸套管的應(yīng)力分布[4]，將邊界條件設(shè)置為：將板簧座安裝面進(jìn)行六自由度約束，在半軸套管安裝軸承處的上半安裝接觸面加載垂直向上的沖擊力，沖擊力總大小為70437.5N，總共抓取的接觸面節(jié)點(diǎn)為176個，每個節(jié)點(diǎn)應(yīng)加載的力為F=400.2N。

從橋殼應(yīng)力云圖可看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在半軸套管與板簧支撐座焊接處，最大應(yīng)力值為578.4MPa，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，但小于材料許用應(yīng)力的650MPa。建議將板簧支撐座倒角加大，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時增大板簧支撐座與半軸套管焊接接觸面積，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。

從等效應(yīng)變云圖可以看出應(yīng)變最大值位于橋殼中軸左側(cè)放油栓出口處。最大位移為0.81mm，每米輪距最大變形為0.81mm/1.2m=0.675，遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的1.5[5]，符合設(shè)計要求。

2.2 最大牽引力工況

汽車加速行駛時，受到的垂向載荷和牽引力最大，邊界條件簡化為：約束半軸套軸承處進(jìn)行六自由度，在板簧支撐座處施加載荷，加載方向?yàn)檐囕v行駛方向的反方向，載荷大小為0.5Pmax，則切向載荷大小為F1=0.5Pmax=4921.4N，在板簧座處抓取430個節(jié)點(diǎn)，則每個節(jié)點(diǎn)所受切向載荷為Fx=F1/430=11.45N。垂向載荷為0.5G，則垂向載荷的大小為F2=0.5 Gm2=18313.75N，每個節(jié)點(diǎn)垂向力Fz=F2/430=42.6N。

對橋殼施加約束并完成作用力加載，可得等效應(yīng)力云圖。等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在板簧支撐座倒角處，最大應(yīng)力為161.5MPa，小于材料的許用應(yīng)力。從等效應(yīng)變云圖可知，最大位移為0.156mm，位于橋殼后殼中心處。每米輪距最大變形為0.156mm/1.2m=0.13，遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的1.5，符合設(shè)計要求。

2.3 最大制動力工況

汽車進(jìn)行最大減速度時，驅(qū)動橋殼受到的垂向載荷和切向力最大，根據(jù)實(shí)際情況，邊界條件簡化為：約束半軸套軸承處進(jìn)行六自由度，在板簧支撐座處施加載荷，加載方向?yàn)檐囕v行駛方向的正方向，載荷大小為切向載荷大小為板簧座處抓取430個節(jié)點(diǎn)，則每個節(jié)點(diǎn)所受切向載荷為Fx=F3/430=24.9N。垂向載荷為則垂向載荷的大小為，則每個節(jié)點(diǎn)所受垂向力為Fz=F3/430=31.1N。

從后橋殼等效應(yīng)力云圖，可知在最大制動力工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板簧支撐座倒角處，應(yīng)力最大值為136.6MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。在后橋殼應(yīng)變云圖知，最大位移為0.155mm，位于驅(qū)動橋殼上圓弧頂處。每米輪距最大變形為0.155mm/1.2m=0.13，遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的1.5，符合設(shè)計要求。

2.4 最大側(cè)向力工況

汽車發(fā)生向左或向右完全側(cè)滑時，驅(qū)動橋殼受到的側(cè)向力最大，忽略切向力和垂向力。因此根據(jù)實(shí)際情況，邊界條件簡化為：約束驅(qū)動橋殼板簧支撐座處和右邊X、Y、Z三個方向自由度以及X方向轉(zhuǎn)動自由度；約束左邊Y、Z方向自由度以及X方向轉(zhuǎn)動自由度。在半軸橋殼軸承安裝處施加載荷，加載方向?yàn)檐囕v側(cè)向，載荷大小為Y2R=Z2R=G2=28175 N，半軸套管軸承安裝處抓取88個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)所受切向載荷為Fy=Y2R/88=320.2N。

從后橋殼最大側(cè)向力工況等效應(yīng)力云圖中，可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在板簧支撐座倒角處，應(yīng)力最大值為496.4MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。后橋殼應(yīng)變云圖中，最大位移為0.42mm，位于驅(qū)動橋殼軸承安裝處。每米輪距最大變形為0.42mm/1.2m=0.35，遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的1.5，符合設(shè)計要求。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析為受到多種外界激勵的結(jié)構(gòu)件設(shè)計提供了必要的依據(jù)。驅(qū)動橋殼與發(fā)動機(jī)通過變速箱和驅(qū)動軸直接相連，汽車行駛時驅(qū)動橋殼所受到的激勵主要來自于：①路面激勵；②發(fā)動機(jī)激勵；③傳動軸轉(zhuǎn)動激勵。各激勵主要對應(yīng)激勵頻率如表2所示[6]。

表2 不同激勵源對應(yīng)頻率表

根據(jù)不同激勵源的頻率，確定驅(qū)動橋殼主要激勵頻率集中在50Hz以下的低頻段[7]，因此，驅(qū)動橋殼設(shè)計時盡可能地將固有頻率設(shè)計在150Hz以上，以保證驅(qū)動橋殼避開來自路面和傳動系統(tǒng)的激勵。驅(qū)動橋殼自由模態(tài)不同階次振動頻率及振型如表3所示。

表3 不同階次振動頻率及振型

通過模態(tài)分析，可以確定驅(qū)動橋殼前六階模態(tài)完全避過了低階激振頻率，同時各階次間的頻率分布間隔較大，可以有效地避開復(fù)合共振。

4 結(jié)論

對某型號輕卡后橋殼在不同工況下的力學(xué)性能進(jìn)行了靜力分析，得到了應(yīng)力與應(yīng)變云圖；運(yùn)用ABAQUS對驅(qū)動橋殼有限元模型進(jìn)行了自由模態(tài)分析，得到了自由模態(tài)下的振動頻率，對輕卡驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化具有積極的指導(dǎo)意義。