電動小型貨車驅(qū)動橋殼的有限元分析

摘 要：本文以某型號電動貨車為研究對象，分析了驅(qū)動橋殼在三種極限工況下的受力特點。運用SolidWorks軟件繪出驅(qū)動橋殼的簡化三維模型，然后轉(zhuǎn)化為STEP文件導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行材料定義、網(wǎng)格劃分生成有限元模型?；诖四Ｐ瓦M(jìn)行三種極限工況下的有限元分析，得出相應(yīng)工況下的應(yīng)力應(yīng)變云圖。并分析仿真結(jié)果，可得橋殼在三種極限工況下的變形和應(yīng)變滿足強度和剛度要求。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋殼 SolidWorks ANSYS 有限元分析

0 引言

隨著世界對能源的重視，新能源車輛特別是電動汽車的飛速發(fā)展引起了普遍重視。電動小型貨車作為新能源車的重要組成部分，其驅(qū)動橋殼技術(shù)也呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。在市場中小型電動貨車在物流運輸，環(huán)保出行等領(lǐng)域起著重要支撐作用，因此電動小型貨車的需求不斷增長，對驅(qū)動橋殼技術(shù)性能方面也提出了更高要求。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對汽車驅(qū)動橋殼進(jìn)行了大量的研究，主要集中在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和性能分析等方面。然而，針對電動小型貨車驅(qū)動橋殼的有限元分析相對較少，尤其是考慮到電動汽車特殊工況下的性能需求，這一領(lǐng)域還有較大的研究空間。

本文以某型號電動小型貨車驅(qū)動橋殼為研究對象，對汽車驅(qū)動橋殼在三種極限工況下進(jìn)行有限元分析，校核最大應(yīng)力值及最大變形量是否滿足強度剛度要求。

1 驅(qū)動橋殼的簡化模型建立

1.1 車輛設(shè)計參數(shù)

車輛參數(shù)如表1所示，驅(qū)動電機參數(shù)如表2。

1.2 驅(qū)動橋殼的三維建模

本文是后驅(qū)動橋與燃油車結(jié)構(gòu)相似，電動驅(qū)動橋殼由左右半軸套管，和橋殼本體組成。在SolidWorks軟件中通過草圖繪制和凸臺拉伸等建立三維模型，然后通過裝配將半軸套管和橋殼本體連接在一起形成完整的驅(qū)動橋殼如圖1所示。

構(gòu)建精確的驅(qū)動橋殼模型是研究的核心前提，有限元分析采用簡化的驅(qū)動橋殼模型。因此，對非關(guān)鍵特征如倒角、定位孔，和對整體力學(xué)性能影響不顯著的工藝細(xì)節(jié)，可以適當(dāng)去除，以減少網(wǎng)格劃分時的復(fù)雜度，提高網(wǎng)格的精度和數(shù)量。這種簡化處Ydxtp+IdLa4HtMYl/7vrn3EGX4jS3D1X9/oQkIMW/9E=理不僅有助于提升有限元分析的運算效率和精度，還能使模型更加簡潔明了，便于后續(xù)的分析和研究。

2 驅(qū)動橋殼的靜力學(xué)分析

2.1 定義材料特性

將驅(qū)動橋殼三維模型文件轉(zhuǎn)換為STEP文件后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行材料選擇，在此選擇合金鋼，材料性能參數(shù)如表3所示。

網(wǎng)格劃分：有限元分析中有兩種網(wǎng)格劃分方法，一種是四面體網(wǎng)格，一種是六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格在劃分網(wǎng)格數(shù)量和計算精度方面及變形特性等方面有良好表現(xiàn)，本文選擇六面體網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格尺寸為10mm，將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 滿載工況

當(dāng)模仿電動車輛以恒定速度駛過波動路面時，車輛殼體將承受來自靜止車輛的垂直重力以及由不平坦路面引發(fā)的額外動態(tài)沖擊負(fù)荷。所以，在計算車橋殼的靜態(tài)彎曲應(yīng)力時，我們必須同時考慮這兩種載荷的作用。這樣可以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并更全面地了解橋殼在實際工作條件下的性能。對于本車所處的滿載工況，我們假設(shè)前軸荷載為33%，后軸荷載為67%。若本車滿載重量為5000kg，則后橋殼所承受的車身重力G2可以通過以下方式計算：

式中：為電動貨車后橋所分配的質(zhì)量（kg）；

當(dāng)輕型貨車在崎嶇路面上行駛時，橋殼不僅需要承受靜止?fàn)顟B(tài)下所分配的車身載荷，還需額外承受因車身上下運動而產(chǎn)生的沖擊載荷。為了量化這種沖擊載荷，我們引入了動載荷系數(shù)的概念。動載荷系數(shù)通常用于估算不平路面上車輛所承受的附加載荷。對于一般轎車或客車，動載荷系數(shù)常設(shè)為1.75；對于輕型貨車，該系數(shù)通常取為2.5：

那么橋殼兩端彈簧座處受到的總載荷為：

通過計算=58625N。

經(jīng)過ANSYS Workbench中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊分析由圖2的應(yīng)力云圖可知，在最嚴(yán)苛的負(fù)載沖擊條件下，橋梁外殼所承受的最高應(yīng)力水平為129MPa，這一峰值應(yīng)力主要集中于彈簧座周圍的區(qū)域。該部件是由鋁合金材料制成，根據(jù)其力學(xué)特性，這種材料的屈服極限高達(dá)275MPa。為確保結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，部件的運行應(yīng)力應(yīng)低于其材料的允許應(yīng)力水平。通常，塑性材料的允許應(yīng)力是其屈服極限除以一個安全系數(shù)。在進(jìn)行驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)校驗時，通常會采用1.5作為安全系數(shù)。因此，通過計算得出彈簧座位置的允許應(yīng)力為183.3MPa。仿真結(jié)果表明，最大應(yīng)力低于此允許應(yīng)力值，說明在給定的工作條件下，橋殼的強度符合要求。

由圖3的應(yīng)變云圖可知，在該工作條件下，最大彎曲出現(xiàn)在橋殼結(jié)構(gòu)部分，測量到的變形程度為1.04mm。按照《汽車驅(qū)動橋殼臺架試驗評價指標(biāo)》這一國家標(biāo)準(zhǔn)，在滿載狀態(tài)下，允許的每米軸長的最大變形限度被規(guī)定為1.5mm。經(jīng)過對比分析，有限元分析得出的變形數(shù)值低于國家規(guī)定的最大容許值，因此可以判定，在此工作環(huán)境下，驅(qū)動橋殼的剛度符合要求。

2.3 最大側(cè)向力工況

在汽車行駛過程中進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎時，會經(jīng)歷一個稱為“最大側(cè)向力”的特定工況。在這一工況下，外側(cè)車輪可能達(dá)到滑動的臨界點，此時內(nèi)側(cè)車輪承受著主要的彎矩載荷。在這種情況下，通?？梢院雎攒囕v前進(jìn)方向的牽引力，因為側(cè)向力和彎矩是主導(dǎo)因素。

約束條件：X方向平動自由度：驅(qū)動橋殼彈簧座在X方向上的移動被限制，即車輛在該方向上不會發(fā)生位移。Y和Z方向轉(zhuǎn)動自由度：驅(qū)動橋殼在Y和Z方向上的旋轉(zhuǎn)被約束，確保在這些方向上不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。

載荷施加：（1）垂向載荷：在驅(qū)動橋殼半軸套管上施加一個沿著Y軸負(fù)方向的力，模擬在最大側(cè)向力時的垂向載荷。這個力主要由車輛重量和轉(zhuǎn)彎時的慣性力組成；（2）側(cè)向力：沿著Z軸負(fù)方向施加一個側(cè)向力，模擬在急轉(zhuǎn)彎時車輛受到的向外側(cè)滑動的力。這個力的大小取決于轉(zhuǎn)彎的半徑、速度、車輛質(zhì)量以及輪胎與地面的摩擦系數(shù)；（3）轉(zhuǎn)矩：在繞著Z軸的負(fù)方向上施加一個轉(zhuǎn)矩，模擬由于側(cè)向力和輪胎與地面摩擦力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩。這個轉(zhuǎn)矩影響車輛的操控性和穩(wěn)定性。

此工況下，側(cè)滑條件為：

式中：取1.0；

假設(shè)此時車輛處于滿載高速右轉(zhuǎn)彎，

式中：——左側(cè)車輪地面支持力；——右側(cè)車輪地面支持力；

經(jīng)過ANSYS Workbench中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊分析由圖4、圖5可知最大應(yīng)力發(fā)生在橋殼本體上且應(yīng)力為146.87Mpa，最大變形為0.827mm，因此可以判定，在此工作環(huán)境下，驅(qū)動橋殼的強度和剛度均符合要求。

2.4 最大制動工況

在車輛處于理想的直線行駛狀態(tài)，且不考慮側(cè)向力的情況下，車輛主要受到兩種力的作用：地面對后驅(qū)動橋左右車輪的垂向反力，以及地面給予汽車行駛方向反向的切向制動力和制動力矩。

代入數(shù)據(jù)到式（2-10）、（2-11）可得

通常情況下可在一定范圍內(nèi)選取，本文取0.9

制動所產(chǎn)生的制動力矩為：

經(jīng)過ANSYS Workbench中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊分析得到圖6、圖7最大應(yīng)力為 44.76Mpa ，最大變形為0.417mm ，滿足強度和剛度要求。

3 結(jié)論

本文以某型號電動小型貨車為研究對象，介紹運用 SolidWorks/ANSYS Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。得出驅(qū)動橋殼在三種極限工況下的最大主應(yīng)力均低于材料的屈服極限，滿足強度要求，最大變形均符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載重汽車橋殼每米變形1.5mm的要求。通過對結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析為橋殼的疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

基金項目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目“基于復(fù)雜工況環(huán)境感知路面的車輛路噪主動控制研究”（GJJ2202416）。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳文濤.電動輕卡驅(qū)動橋殼輕量化設(shè)計研究[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2023.

[2]李晶，拜赟，胡凱，等.基于Workbench的重型載貨汽車驅(qū)動橋殼動力學(xué)分析[J].汽車實用技術(shù)，2023，48（13）：105-110.

[3]孫小婷.新型汽車橋殼零件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2023.

[4]袁帥帥.電動汽車驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)分析和輕量化研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2021.

[5]張?zhí)m生，李楊，徐超，等.基于ANSYSWorkbench的驅(qū)動橋殼動力學(xué)特性仿真與分析[J].工具技術(shù)，2021，55（11）：64-68.

[6]熊鋒，周智超，蔣昭杰，等.基于多學(xué)科性能分析的驅(qū)動橋殼多目標(biāo)優(yōu)化[J].汽車零部件，2021，（06）：1-8.

[7]胡桐銅.某微卡驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)特性分析與優(yōu)化[D].重慶：重慶大學(xué)，2021.

[8]王雪梅，薛振國，劉玲玲.基于有限單元法重載車輛驅(qū)動橋殼優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2021（01）：240-244+249.