驅(qū)動(dòng)后橋設(shè)計(jì)中的有限元分析設(shè)計(jì)

【摘要】：在我國，高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)水平驅(qū)動(dòng)下，汽車行業(yè)也隨之進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期，卡車和客車的在人們生活中的需求量也逐漸加大，在卡車性能方面也有了更高的要求，這種情況下，傳統(tǒng)的卡車驅(qū)動(dòng)后橋設(shè)計(jì)對(duì)目前汽車設(shè)計(jì)所需已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足。因?yàn)轵?qū)動(dòng)后橋在汽車中，屬于其重要的傳動(dòng)件及承載件，同時(shí)也是保證車輛能夠安全駕駛的關(guān)鍵零部件，所以，驅(qū)動(dòng)后橋的性能與使用壽命對(duì)車輛的使用期限有直接性的影響。由此可見，驅(qū)動(dòng)后橋必須要有足夠的剛度、疲勞耐久度以及強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】：驅(qū)動(dòng)后橋，客車，卡車，有限元分析，設(shè)計(jì)，車輛使用壽命

中圖分類號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

一. 前言

汽車的后橋驅(qū)動(dòng)是主要的汽車承載構(gòu)件，它最主要的用途是對(duì)汽車的質(zhì)量進(jìn)行支撐，同時(shí)也對(duì)車輪對(duì)路面的反力予以承受，然后由懸架向車身進(jìn)行傳輸。此外后橋驅(qū)動(dòng)也是裝配差速器、 以及半軸的車輛基體部件。因此，后橋驅(qū)動(dòng)必須要有良好的質(zhì)量和足夠大的剛度和硬度，這樣有利于車輛主要減速器的調(diào)整與拆裝。此外，由于后橋殼的質(zhì)量與尺寸相對(duì)來說都很大，所以在對(duì)其制造的時(shí)候就比較困難，所以，驅(qū)動(dòng)后橋的結(jié)構(gòu)模型在達(dá)到使用要求滿足的同時(shí)，要盡量的方便對(duì)其制造。車輛的驅(qū)動(dòng)后橋殼主要有分段式、整體式以及組合式三大類橋殼。而其橋殼整體的剛度與強(qiáng)度都非常大，而且方便減速器的維修、裝配及調(diào)整，所以，后橋驅(qū)動(dòng)被廣泛應(yīng)用于各種車輛當(dāng)中。

高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)水平驅(qū)動(dòng)下，汽車行業(yè)也隨之進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期，卡車和客車的在人們生活中的需求量也逐漸加大，在卡車性能方面也有了更高的要求，這種情況下，傳統(tǒng)的卡車驅(qū)動(dòng)后橋設(shè)計(jì)對(duì)目前汽車設(shè)計(jì)所需已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足。因?yàn)轵?qū)動(dòng)后橋在汽車中，屬于其重要的傳動(dòng)件及承載件，同時(shí)也是保證車輛能夠安全駕駛的關(guān)鍵零部件，所以，驅(qū)動(dòng)后橋的性能與使用壽命對(duì)車輛的使用期限有直接性的影響。由此可見，驅(qū)動(dòng)后橋必須要有足夠的剛度、疲勞耐久度以及強(qiáng)度。

二. 驅(qū)動(dòng)后橋的受力分析與后橋強(qiáng)度的計(jì)算

可以將驅(qū)動(dòng)后橋當(dāng)做一個(gè)空心的橫梁，將輪轂軸承的兩端在車輪上進(jìn)行支撐，沿著輪胎的左右中心線，然后使地面對(duì)輪胎形成一種反力，車輪的重力與后橋殼承受力之差，其受力情況如圖1所示。

圖1：驅(qū)動(dòng)后橋殼受力情況簡(jiǎn)圖

在分析后橋殼的強(qiáng)度時(shí)，可以將其繁瑣的受力情況做三種計(jì)算工況的簡(jiǎn)化，也就是：最大的車輪切向力、車輪所承受的最大鉛垂力以及側(cè)向力。在這三種有限元法計(jì)算的情況下，才能夠保證后橋殼有足夠的強(qiáng)度，這種后橋殼的卡車，在任何駕駛條件中都是非常可靠的。具體計(jì)算方法如下：

a. 在制動(dòng)力或者是牽引力達(dá)到最大時(shí)，卡車驅(qū)動(dòng)后橋的鋼板彈簧座的位置，所面臨斷面彎曲度所承受的應(yīng)力，與對(duì)其進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時(shí)所承受的應(yīng)力r用公式表示為：（公式一），T=（公式二），其中，Mv表示車輪的驅(qū)動(dòng)后橋殼反力在地面上所引起的彎曲距離，用公式表示為Mv=m′2G2/2。

b. 在卡車的側(cè)向面達(dá)到最大的情況下，后橋的外板彈簧處以及橋殼內(nèi)部彎曲時(shí)所承受的應(yīng)力a0和a1用公式表示分別是：（公式三），a0=（公式四），其中，K表示動(dòng)載荷的系數(shù)。K的數(shù)值對(duì)貨車來說一般為2.0，對(duì)轎車來說則是1.75，而對(duì)越野車來說是2.5.

通過有限元的計(jì)算，對(duì)驅(qū)動(dòng)后橋的強(qiáng)度進(jìn)行分析，在對(duì)約束受力情況處理的比較合理、對(duì)模型的簡(jiǎn)化性計(jì)算的比較得當(dāng)?shù)那闆r下mHi43LCMm3hX87cidht+hA==，就能夠得出非常詳盡的變形及應(yīng)力分布情況，這些用傳統(tǒng)的方法是很難做到的。

三. 后橋有限元的建立

為保證汽車后橋在工作中的可靠與安全性能，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后橋設(shè)計(jì)時(shí)，必須達(dá)到車輛變形與應(yīng)力的最大要求，車輛局部集中的應(yīng)力不該造成橋殼的變形或者斷裂。所以，對(duì)車輛后橋驅(qū)動(dòng)變形與應(yīng)力進(jìn)行有效的分析，對(duì)其工作安全性的提高意義重大。目前，車輛尤其是卡車或者客車的后橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且基于不斷變化著的汽車駕駛條件，用傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)后橋殼的變形大小及其各方面應(yīng)力的計(jì)算很難達(dá)到精確的程度。而運(yùn)用有限元的對(duì)后橋驅(qū)動(dòng)進(jìn)行分析與計(jì)算，其精確結(jié)果有很大的提高。

后橋驅(qū)動(dòng)中的有限元分析法以其離散化為基本思想。有限元將機(jī)械的結(jié)構(gòu)或者彈性體分為在互相連接著的很多節(jié)點(diǎn)上的單位，同時(shí)，對(duì)每個(gè)單位進(jìn)行內(nèi)部位移的模型假設(shè)，并用多個(gè)位移節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行描述。這種情況下，只要求解所分析對(duì)象的位移節(jié)點(diǎn)，就能得出所受的應(yīng)力及其單位變形力，也不用對(duì)其彈性無限域進(jìn)行求解。

在分析通常情況下的有限元時(shí)，會(huì)習(xí)慣性的把研究對(duì)象進(jìn)行理想化，分析后橋驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的有限元時(shí)的假設(shè)是：a.假設(shè)驅(qū)動(dòng)后橋殼與半軸套管是非裝配的、一體的，也就是說，不用對(duì)焊接材料性能的變化予以考慮；b. 用均質(zhì)線彈性制成后橋驅(qū)動(dòng)的材料。

基于驅(qū)動(dòng)后橋的幾何模型非常復(fù)雜，所以在對(duì)其受力的分析不會(huì)造成影響的情況下，可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)后橋殼的實(shí)體，對(duì)用鋼板彈簧制成的U型螺栓約束橋殼下半周的性能予以去除，將軸承作用于橋殼的力轉(zhuǎn)變?yōu)榉植剂?。由于后橋殼屬于那種不規(guī)則的曲面，所以，要先用三維的模型軟件對(duì)實(shí)體進(jìn)行三維建模，再用后橋驅(qū)動(dòng)有限元對(duì)ANSYS輸入數(shù)據(jù)的接口進(jìn)行分析，最后制成實(shí)體模型。計(jì)算這種模型時(shí)，通常采用的是SHELL63，這種板殼單元的撓度、應(yīng)變以及轉(zhuǎn)動(dòng)的線性及彈性性能比較大，同時(shí)還有很剛化的應(yīng)力，對(duì)SHELL63進(jìn)行選取時(shí)，使驅(qū)動(dòng)后橋的有限元分析能夠使其受力狀態(tài)更加接近于真實(shí)性。此為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處都含有6個(gè)自由轉(zhuǎn)度，即：繞x、y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)以及x、y、z平動(dòng)，對(duì)有限元的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，是在對(duì)驅(qū)動(dòng)后橋的結(jié)構(gòu)分塊的原則?；谶@一原則，驅(qū)動(dòng)后橋殼的網(wǎng)格模型被設(shè)計(jì)出來，整個(gè)橋殼模型一共有19522個(gè)單位以及19516個(gè)節(jié)點(diǎn)（如圖1）。

四. 分析后橋有限元模型的設(shè)計(jì)

在對(duì)貨車在滿載的情況下，1500毫米的車輪距離，13噸的軸荷，710毫米的板簧間距，9000的板簧座表面積，1476.3N的應(yīng)受板殼重力進(jìn)行分析。板殼主要實(shí)體的材料運(yùn)用高強(qiáng)度的低合金鋼制成，這種材料所經(jīng)受的最大屈服度是345Mpa，其外部所插入的車輪軸管所用的材料主要是合金結(jié)構(gòu)鋼，這種材料所經(jīng)受的最大屈服度大約是785Mpa..其中，這兩種主體材料的泊松比與彈性模量相同，其度量值是：泊松比u=3/10，彈性模量E=206×103MPA。

在分析后橋殼的有限模型時(shí)，在靜力學(xué)的分析分為最大切向力和鉛垂力兩種狀況，對(duì)每側(cè)的車輪中線進(jìn)行約束，同時(shí)對(duì)兩端的間支撐進(jìn)行模擬。出現(xiàn)最大的側(cè)向力狀況時(shí)，對(duì)車輪中線的側(cè)翻一側(cè)進(jìn)行約束，使其能夠?qū)崿F(xiàn)支承的固定性。這種約束性的出來方式，使得實(shí)際情況和對(duì)車輪軸承安裝時(shí)其附近所承受的應(yīng)力有一定的差異性，但是，對(duì)后橋殼其他的應(yīng)力分布部位不會(huì)有任何影響，究其原因，主要是在車輪位于側(cè)向力的情況下，使得整個(gè)后橋驅(qū)動(dòng)的受力面主要向輪軸承周圍進(jìn)行集中，這種情況下，對(duì)后橋驅(qū)動(dòng)的其他部位所受約束力的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)。

4.1.驅(qū)動(dòng)后橋殼的受力分析

4.1.1.變性分析

驅(qū)動(dòng)后橋在載荷的沖擊影響下，其軸向的變形、整體的變形、縱向的變形以及垂向的變形情況都相似于車輛滿載時(shí)的狀況。這種情況的垂向位移最大值是0.541毫米，軸向位移最大值是0.224毫米

4.1.2.應(yīng)力分析

在荷載沖擊的影響下，車輛應(yīng)力最大值是317MPA，如果位于鋼板彈簧座的附近，那么車輪應(yīng)力值大部分主要是在35-70MPA區(qū)間，應(yīng)力比較集中的位置，其應(yīng)力值大約是140MPA。

4.2.驅(qū)動(dòng)后橋殼的總體分析

如果要根據(jù)驅(qū)動(dòng)后橋最大承受垂力的情況，對(duì)其方法與步驟進(jìn)行分析，則結(jié)論為以下情況：

（1） 變形分析

在汽車的載荷沖擊受到最大位移的后橋軸向影響時(shí)，其變形大小是0.224毫米，在汽車的載荷沖擊受到最大位移的后橋垂向影響時(shí)，中央和兩端最大的位移是0.541毫米，在汽車行駛時(shí)，所用的最大牽引力受到最大位移的橋殼縱向影響時(shí)，中央和兩端最大的縱向位移是0.224毫米。

（2） 應(yīng)力分析

如果出現(xiàn)臨界的汽車側(cè)翻的情況，車輪的內(nèi)側(cè)軸承位置會(huì)有最大的感應(yīng)力，其應(yīng)力大小是631MPA，比車輪軸管的屈服度要小785MPA，此外在載荷沖擊的影響下，應(yīng)力達(dá)到最大的情況主要發(fā)生在后橋殼彈簧座的周圍，最大應(yīng)力大小afa54d8593d8ff63461ba0ccf93a6034是188MPA，比后橋殼的屈服度要小345MPA，驅(qū)動(dòng)后橋殼的強(qiáng)度基本上與其要求相符合。

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