汽车驱动桥桥壳的优化设计

汽车驱动桥桥壳的设计摘要本文的主要研究对象是驱动桥壳，主要是对其进行优化设计。驱动桥壳是汽车上一个重要部件，它是车桥上承载载荷以及转矩的部件，它还需要传递各种从车轮上传过来的力，根据实际情况中需要应对的各种复杂路况，汽车会需要承受来自不同方向，大小不同的载荷，这些载荷可能会导致汽车车桥受到损伤，驱动桥壳作为保护汽车驱动桥的部件，强度以及刚度都要满足一定的要求，在设计的时候，需要设计人员进行精确而又可靠的设计。在本文中，作者的主要目的是进行优化设计，优化设计的核心是轻量化，采用的方法是有限元分析法，在有限元分析的过程中，我们先采用Pro/e软件进行三维建模，然后将模型在ANSYS中进行简化，简化完成后，再进行驱动桥壳在各个行驶状况下的桥壳应力分析以及各个部位的变形状况，分析得到的结果，再结合桥壳各个部分材料的屈服强度，可以初步确定桥壳的可靠性。在此基础上，再在优化模块进行优化设计，进行了轻量化设计之后，再检验桥壳的可靠性。在桥壳进行了轻量化设计之后，它的质量大大降低，并且可靠性依旧满足要求，这就可以为制造企业带来可观的价值。驱动桥壳的轻量化设计是车桥制造领域的一个核心内容，轻量化可以降低企业的制造成本、加工难度，还能够减少加工过程中的废气以及废水的排放，既对经济有促进作用，还对环境保护做出了贡献。本文采用的技术手段是先采用力学计算，再用有限元分析软件进行应力分析，然后再进行优化设计。在经过上述一系列操作之后，建设性地解决了一部分的桥壳的优化问题，也为汽车后桥的各种零部件的优化提供的一个良好的示范。关键词：驱动桥壳；力学分析；有限元分析；优化设计AbstractThe main research object of this thesis is the driving axle housing, which is designed optimally.Drive axle shell is an important car parts, it is on the axle bearing load and torque components, it also need to pass the force from the wheel to upload, according to the actual situation in the need to deal with various complex road conditions, a car may need to bear from different directions, different sizes of load, the load may result in automobile axle damage, as protection of automotive drive axle drive axle shell components, strength and stiffness to meet certain requirements, at the time of design, need to design personnel for precise and reliable design.In this article, the authors main purpose is to optimize the design, optimization design is the core of lightweight, the finite element analysis method is adopted, in the process of finite element analysis, we first use Pro/e software for 3 d modeling, and then to simplify the model in ANSYS, simplified is completed, and then to drive axle shells under various driving conditions of the bridge shell stress analysis and deformation condition of every part, analysis the results, combined with bridge shell parts the yield strength of material, can determine the reliability of the bridge shell.On this basis, the reliability of the bridge housing is tested after the optimized design of the optimized module and the lightweight design.After the lightweight design of the bridge housing, its quality is greatly reduced and its reliability still meets the requirements, which can bring considerable value to the manufacturing enterprise.The lightweight design of the drive axle housing is a core content in the field of vehicle axle manufacturing. The lightweight design can reduce the manufacturing cost and processing difficulty of enterprises, and also reduce the emission of waste gas and waste water in the process of processing, which not only promotes the economy, but also makes a contribution to environmental protection.The technical means adopted in this thesis are mechanical calculation first, stress analysis by finite element analysis software, and then optimization design.After a series of operations, a part of the optimization problem of the axle housing is constructively solved, which also provides a good demonstration for the optimization of various parts of the automobile rear axle.Key words: driving axle housing;Mechanical analysis;Finite element analysis;The optimization design目录第一章 绪论11.1研究目的及意义11.2国内外研究现状21.2.1国内研究现状21.2.2国外研究现状31.3主要研究内容及技术路线41.3.1研究内容41.3.2技术路线4第二章 驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算52.1汽车驱动桥的概述52.1.1汽车车桥简介52.1.2驱动桥的作用及组成部分简介52.1.3驱动桥桥壳的结构型式62.2驱动桥壳的力学计算62.2.1桥壳的静弯曲应力计算62.2.2不平路面的冲击工况驱动桥壳应力计算82.2.3最大牵引力工况下驱动桥壳所受应力计算92.2.4最大制动力工况下的驱动桥壳应力计算112.2.5最大侧向力工况下的驱动桥壳应力计算142.2.6应力计算结果分析162.3本章小结17第三章 有限元模型的建立及分析173.1驱动桥壳有限元模型的建立173.2驱动桥壳有限元网格的划分183.3驱动桥壳材料属性的选取183.4驱动桥壳的静力学分析193.4.1载荷以及约束设置193.4.2各工况下的静力学分析193.5本章小结24第四章 驱动桥壳的优化设计244.1概述244.2优化设计前的准备254.3驱动桥壳优化的进行254.4驱动桥壳的优化验证274.4.1优化设计之后桥壳的静强度分析274.4.2轻量化后的刚度分析284.5桥壳优化前后的对比分析294.6本章小结29第五章 总结29第一章 绪论1.1研究目的及意义货车由后轮驱动，在一辆货车中，驱动桥壳也即后桥壳，它起到了重要的支承和传力的作用。驱动桥壳能够把车身上的力传递给车轮，把车轮上面的力传递给车架、悬架。所以驱动桥壳必须满足下列要求：密闭性好，能够防止水泥进入并能够保护装在上面的传动部件；它得具有足够的使用寿命以及强度，质量应该在保证可靠性的前提下尽可能地降低；必须保证足够的刚度，这样才能够保证各个齿轮之间的正常啮合，并且不会让半轴套管承受附加弯曲应力；驱动桥壳还得保证和地面之间的距离足够大；就驱动桥壳的结构来说，工艺性必须很好，这样能够保证加工的便利，还能降低成本。1根据驱动桥壳设计的一些要求，我们能够对桥壳进行力学分析计算，然后再通过分析结果来验证车桥的刚度是否满足要求。但是在实际情况中，由于汽车的行驶条件是千变万化的，这种变化的条件使得用传统方法很难计算应力。但如果利用有限元分析法就能跟根据汽车在遭受不同情况时受到的力和转矩来进行进一步的分析计算。可以得到比较准确的计算结果。2本文采用有限元分析方法对某整体式冲焊桥壳进行轻量化。对汽车的驱动桥壳进行有限元分析从而实现轻量化不仅能够提高汽车的承载能力，而且能够降低车桥的生产费用，轻量化的本质就是减轻车桥的重量，从而达到减少燃油损耗和增强汽车性能的作用，对汽车零部件的开发具有重要意义。目前来说，汽车的轻量化一般来说有以下三种主要方法，可以分别从材料、工艺以及结构三个方向来实现优化。就材料来说，在汽车材料中，以高强度钢为主，复合材料和镁铝合金为辅的多材料混合结构逐渐成为当前车桥研发设计的主流方案。3将来，镁铝合金和纤维加强复合材料取代高强度钢成为主要材料而高强度钢为辅助材料的多材料混合结构会成为主流方案。就工艺来说，可以通过创新或者引进更先进的技术来改善加工工艺。而就结构而言，就是采用有限元分析法、边界元分析法等方法来分析掌握各种情况下的应力载荷。本课题主要研究目的是对驱动桥的强度、刚度等元素进行研究，主要采用响应面分析法对驱动桥壳的结构进行轻量化设计，再进行验证，从而能够得出一套方案。经过轻量化设计后，汽车的整体的结构可以得到改善，驱动桥壳的重量得以减轻，从而可以降低整个汽车的质量。4经过轻量化设计的汽车，油耗大大降低，由于具有较低的自重，所以受到的各种阻力都不大。提出轻量化的方案，对于企业来说，可以为它们的生产、制造、检验提供一些参考，更重要的是，能够降低生产成本，提高产品的质量以及设计水平，在此基础之上，企业的核心竞争力可以随之提高，汽车驱动桥壳的轻量化具有重大的现实意义和巨大的经济价值。5图1-1 某型号轻型货车驱动桥图片图1-2 某型号重型货车的驱动桥图片1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状低碳环保日益受到全世界的关注，油气资源日益消耗，逐渐走向枯竭，所以低油耗、少排放是目前世界汽车研究的重点和热点。轻量化设计是降低汽车油耗的有效途径，作为汽车重要部件的驱动桥壳的轻量化设计更是重中之重。国内研究汽车驱动桥桥壳的时间的比较晚的，刚开始的研究都是采用传统的研究方法，主要是一些计算和进行实验，后来，出现了CAD有以及CAE技术，国内的学者们也开始利用CAD和CAE软件对汽车桥壳进行研究，取得了一些成果，不过同国外相比，仍然存在着较大的差距。1982年，国内冯星炎先生的团队对某型号汽车的驱动桥壳进行了疲劳寿命的实验，通过改变实验载荷的试验方式，拟合出了驱动桥壳的应力曲线。61989年,四川大学的胡金玉副教授组织团队设计了一款能够进行有限元分析的软件，他们团队通过对一些实际桥壳的讲解说明了软件的应用方法，还通过实验的方法对有限元分析的结果进行了验证。72007年，南京大学的羊丰和郑海灵教授等人通过参数化建模的方法，用Por/e建立了货车驱动桥壳的数学模型，同时对影响驱动桥壳刚度和强度的诸多因素进行了研究，成功完成了产品结构的优化设计，在经过一系列优化之后，桥壳的壁厚由9.3mm降低至了7.4mm，质量减轻了5.6kg。82010年，南京航空航天大学的孙忠韫教授对驱动桥壳进行了一系列研究，运用有限元分析法的方法，得出了车桥结构的受力图并计算出了相应的应力值，对结构材料多余的部位进行优化，对驱动桥壳的壳体壁厚分布情况进行了精确处理。92015年，周玉旻、刘淼在基于UG和ANSYS的汽车驱动桥壳的有限元分析一文中，采用UG软件建立了驱动桥壳的三维参数化模型，并且用ANSYS软件对桥壳进行了有限元分析，分析了桥壳在汽车遭遇不同的行驶状况之下所受的应力情况以及变形情况，最终获得了具有可靠性的轻量化桥壳，为企业的产品制造提供了理论方案。102017年，吉林大学李琳钰对某重型载货汽车的驱动桥进行了有限元分析，使用了Pro/E与ANSYS软件对驱动桥壳进行了建模和有限元分析，经过分析各个位置的应力变化和形变，获知危险截面的位置，她还研究了疲劳损伤累积理论，并且结合该理论初步计算出了桥壳的疲劳寿命。111.2.2国外研究现状国外在上个世纪的六十年代开始就对驱动桥壳进行了大量的实验和研究，研究的手段非常有效，取得了大量成果，这些成果颇具参考价值。国外的电子技术发达，20世纪80年代开始美国就已经将电子信息技术完美地融入了生产制造之中，ANSYS软件在汽车领域得到了广泛应用，使用有限元分析软件可以大大缩短研发周期。比如美国的波音747客机上所有的零部件都是使用三维建模软件模拟装配，之后再进行有限元分析其结构的可靠性，进行改进之后再制作飞机的样机，零件能够一次性可靠的概率居然达到了88%，这个案例为采用有限元分析来设计、生产提供了崭新的思路并做出了良好示范。早在1974年，日本的学者Mochizuki S等人就分析了汽车的驱动桥壳因为地面不平整还引起的弯曲应力，并且从疲劳强度的方面评价了这部分应力，最后得到的计算结果和实验结果完全一致12。1978年，美国学者Jerry J G采用了有限元分析的方法对驱动桥壳的半轴套管进行了有限元分析，大大降低半轴套管的质量，还提高了半轴套管的疲劳寿命12。1995年，澳大利亚的Chris J等人通过对驱动桥桥壳进行有限元分析，使用了一种划分网格的方法并且成功做出分析，为有限元分析划分网格奠定了基础13。1997年，韩国的Parker G教授带领团队深入研究了桥壳的成型方法，对现在使用五驱动桥壳成型方法进行了研究，并且提出了改进措施，最后的数据分析显示，他的改进方法是世界上最经济的驱动桥壳成型方法14。2011年，巴基斯坦的两位教授Guddentand B和Nillangeker B对制动工况下的驱动桥壳进行了深入研究，他们改进了桥壳的研究方法，采用试验的方法对桥壳的性能进行研究，在进行有限元分析之后再进行实验分析来进行验证，他们用有限元分析软件对桥壳进行了改进，提高了驱动桥壳的疲劳寿命 15 。从上面的研究现状我们可以看到，国内目前的驱动桥壳轻量化设计取得了一定成果，但是和国外相比还是存在着差距，差距主要表现在以下的几个方面：（1）先进的分析方法和设计理念没有很好地与实际生产相结合，新制造工艺的研究相对于理论研究有滞后，导致先进的技术方法没能够尽快地推动制造业的发展。（2）经验设计仍然大量存在，一些设计师在设计零件的时候没有使用科学的方法去分析 （3）对驱动桥壳的轻量化研究一直在原地踏步，总是在一个领域研究，少有延伸和拓展。1.3主要研究内容及技术路线1.3.1研究内容本文以某轻型载货汽车的电驱动桥桥壳为研究对象，本文的研究内容由一下的几个部分组成：（1）使用三维建模软件Pro/e建立该型号汽车的驱动桥壳的三维动力学模型，并且对三维模型进行简化处理，之后再使用有限元分析软件ANSYS进行参数设置，网格划分，获得该驱动桥壳的有限元模型。（2）对汽车在不同行驶状况下的驱动桥壳受力的情况进行分析和计算。（3）在面对不同的行驶状况下，汽车驱动桥壳所受到的力的大小和方向都是有差异的。运用有限元分析软件，针对汽车在行驶中遇到的不同情况，对驱动桥壳进行有限元分析。并进行静力学分析，再验证它是否具有可靠性，强度和刚度是否满足要求，再对桥壳进行轻量化设计。（4）使用有限元分析软件的优化模块对桥壳进行优化设计，优化完成之后，将优化后的参数与优化前进行对比，最后再进行分析，确定轻量化方案的可靠性。161.3.2技术路线 本论文的轻量化设计从力学分析出发，对电驱桥的几种典型工况进行力学分析，并且对驱动桥壳进行有限元分析，然后根据力学计算得到的计算结果来进行设置有限元模型上的载荷17。本文的思路是，在完成力学计算并且对分析结果进行了判断之后，以有限元分析为基础，分析轻量化之后的合理性，合理则能够进一步计算分析，最终可以确定设计方案。本文技术路线如下：图1-3 桥壳优化设计技术路线35第二章 驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算2.1汽车驱动桥的概述2.1.1汽车车桥简介驱动桥桥壳是汽车重要的传力和承载部件，它的性能对汽车行驶过程中的安全性有着巨大影响。车桥是决定汽车行驶性能的重要部件。载货汽车的后桥大多是汽车的驱动桥。本文的研究对象为某型号轻型载货汽车18。2.1.2驱动桥的作用及组成部分简介汽车驱动桥处于传动系的端点，它是传力机构，也是帮助汽车行驶的机构，它还起到支承的作用。驱动桥的作用包括：可以放大转矩可以改变力的方向能够更加合理地把力传递到车轮。驱动桥应当具备如下条件：有比较合适的传动比，这样可以保证汽车的动力并可以节约燃料成本有合适的离地间隙驱动桥的刚度以及强度必须满足要求，在此基础上质量应该尽可能的小。驱动桥的拆卸、装配、位置调整必须比较方便19。 2.1.3驱动桥桥壳的结构型式本文所研究的桥壳为整体式桥壳，以下是整体式桥壳的简介：整体式桥壳是一种强度以及刚度都比较高的桥壳，这种桥壳在实际使用当中，无论是安装或者是调整都是比较方便的。本文的研究对象是冲压焊接式整体式桥壳，这是一种刚度比较大的桥壳，但是加工面相对来说更多，制造过程也并不简单，适用于各个类型的货车20。在驱动桥桥壳当中，半轴是一个重要部件21。本文采用的是全浮式半轴。全浮式半轴是一种通过轴承来支承的半轴，在此种情况下，半轴仅仅受到转矩的作用，而不承受地面给予的其它的力。但是桥壳在受力情况下发生变形、而且还会引起弯曲应力。使用全浮式半轴的汽车驱动桥壳在制造过程中由于工艺的复杂性其成本会有所提高，但因为它在工作中所呈现出的稳定性以及可靠性，所以这种半轴广泛应用于各个类型的客车、货车上。2.2驱动桥壳的力学计算一般情况下，我们对驱动桥壳的力学计算是根据汽车不同的行驶状况来计算的，参考各类力学书籍上的相关理论，并且借鉴一些知名研究者在期刊上发表的作品或者论文22-23，本文的力学计算如下：2.2.1桥壳的静弯曲应力计算在进行受力分析时，我们可以视桥壳为一个梁，路面给轮胎的支撑力为G2,驱动桥壳承受的力则是这个支撑力跟车轮的重力g之间的差值，这个力的大小为（G2-g），力的计算简图如图所示：图2-1 满载匀速行驶工况驱动桥受力图及弯矩图在静载荷的条件之下，驱动桥壳在板簧座之间的弯矩大小为：M=（G2-g）（B-s2）Nm （1-1）上式当中：G轻型载货汽车满载时静止在水平地面时驱动桥给予地面的压力，N；g轮胎以及内部的制动器等部件的重力，N；B该货车的两个车轮中心之间的距离，m；S该货车的两个板簧座之间的距离，m；进行计算的时候，G取该轻型货车满载载荷60000N，两个车轮之间的距离取1.5m，左右两个板簧座之间的距离s取1.5m，包括内部零件的车轮的重力g相对于G来说比较小，在这里忽略不计。将数据代入公式1-1中可以计算出:M=8250Nm从弯矩图可以看出，板簧座处通常是桥壳的危险端面，静弯曲应力wj可以通过下式计算出：wj=MWv10-6MPa (1-2)上式中：M左右两个板簧座间的弯矩，Nm；Wv板簧座附近危险断面处的垂向弯矩系数，m图2-2 驱动桥壳危险断面及半轴套管断面在本文当中，该驱动桥桥壳在板簧座附近的危险断面的形状为矩形管，半轴套管的断面形状为圆管。图二中B=0.108,b=0.084，H=0.120m，h=0.102m，=0.012m，l=0.009m，D=0.070m，d=0.056m，在圆管断面情况下，垂向及水平弯曲截面系数Wv= Wh=D32（1- d4D4），扭转截面系数Wt= D16（1- d4D4）.在矩形管断面情形下，Wv=16H（BH-bh），Wh= 16B（HB-hb），扭转截面系数Wt=2（B-）（H-1），根据上述公式可以计算出Wv=1.80110-4m，Wh=1.59610-4m，扭转截面系数Wt=2.75610-4m，根据公式（1-2）计算得出驱动桥壳在板簧座附近的危险断面的静弯曲应力为：wj=58.54Mpa2.2.2不平路面的冲击工况驱动桥壳应力计算一辆轻型载货汽车满载时在水平路面上行驶的时候，驱动桥壳会给予地面一个压力，而当水平路面变成了崎岖路面时，载货汽车所承受的载荷便不止在水平路面上承受的那一部分，还需要承受崎岖路面所给予汽车的冲击载荷，这两部分的载荷叠加起来，才能计算出驱动桥壳所承受的弯曲应力：wd=kdwjMpa在上式当中：Kd动载荷系数，在本文中，轻型载货汽车该系数取2.5 wj静载荷情形下驱动桥壳承受的弯曲应力，Mpa，通过式（1-2）可计算出来。根据上式可以计算出驱动桥壳在承受崎岖路面的冲击载荷的情况下所承受的应力：wd=146.35Mpa2.2.3最大牵引力工况下驱动桥壳所受应力计算当汽车没有进行直线行驶时，汽车会受到侧向力的作用，而汽车在直线行驶时，则可以不用考虑侧向力对计算结果的影响。我们假设汽车是在进行直线运动，货车受到的牵引力为最大值，驱动桥壳不仅需要承受垂直方向的反作用力所引起的弯矩，还需要承受路面的转矩，这一部分转矩是驱动桥壳在水平方向的转矩以及水平方向切向力所引起的。下图是货车在受到最大牵引力时行驶的受力简图。图2-3 最大牵引力工况下驱动桥壳受力简图图2-4 最大牵引力工况下驱动桥壳铅垂纵对称面上弯矩图图2-5 最大牵引力工况下驱动桥壳水平纵对称面上弯矩图（1）垂向载荷在危险断面处产生的应力在本文中，我们假设路面给予汽车左右车轮的反作用力ZL、ZR相等，并且ZL=ZR=Gm12N (1-3)上式当中ZL、ZR表示路面对汽车左、右车轮的垂向反力，N； G货车在满载时在水平路面上驱动桥壳给予地面的力，60000Nm1该轻型货车在加速前进时驱动桥的质量转移系数，在本文中为了安全着想取1.3由公式（1-3）可计算出：ZL=ZR=39000N驱动桥壳在两个板簧座之间的弯矩Mv为：Mv=（Gm12-g）（B-s2）Nm （1-4）通过上式可以计算出：Mv=10725 Nm垂直方向的载荷在板簧座附近产生的弯曲应力值为：wv=MvWv10-6Mpa （1-5）上式中Wv驱动桥壳在板簧座处的弯矩系数，已经计算出值为1.80110-4m从而可以计算出：wv=59.22Mpa（2）最大切向反作用力在板簧座附近产生的弯曲应力：地面对左、右驱动车轮作用的最大切向反作用力按最大附着力计算，即 XL=XR= Gm12N （1-6） 上式中轮胎在地面上的附着系数，在本文中取=08。根据上式可以计算出：XL=XR=33800N这时两个板簧座之间驱动桥壳的水平弯矩Mh为： Mh=Gm12（B-s2） Nm （1-7） 根据上式可计算出：Mh=8580Nm而切向反作用力在板簧座附近所产生的弯曲应力为： wh =MhWh10-6Mpa （1-8）上式中当中Wh驱动桥壳在板簧座附近危险断面的水平弯矩系数，这个值的大小为159610-4m3，根据公式可以计算出：wh=52.22MPa（3）由最大切向反作用力于板簧座附近产生的扭转应力：切向反作用力在板簧座附近所产生的转矩为： T=Gm12r Nm （1-9）上式当中r驱动桥所对应的驱动车轮的半径，m，本文所研究的驱动车轮半径为0.405m。根据公式1-9可以计算出：T=12636 Nm这个转矩在板簧座附近所产生的扭转应力为：=MtWt10-6 MPa （1-10）上式当中Wt驱动桥壳在板簧座处的危险断面的扭转截面系数，大小为3.78210-4m，根据上面的公式可以计算出：=46.51Mpa（4）在板簧座附近的合成弯曲应力：该驱动桥壳在板簧座处的危险断面是矩形管的形状，这个断面附近的合成弯曲应力w为：w=wv+wh （1-11）上式当中wv垂直方向的载荷于板簧座附近产生的弯曲应力，Mpa； wh切线方向产生的反作用力使得板簧座附近产生的弯曲应力，Mpa从上面的计算可以得到，当该轻型载货汽车在牵引力最大的情况下行驶的时候，板簧座处危险断面的驱动桥壳的弯曲应力w以及扭转应力的值的大小为：w=111.44Mpa=46.51Mpa2.2.4最大制动力工况下的驱动桥壳应力计算在一辆轻型货车制动的时候，如果我们忽略侧向力对结果的影响，那么驱动桥壳在这个过程当中所受的力和汽车在受到的牵引力最大时行驶所受的力大体相似，驱动桥壳不仅承受垂直方向的弯矩，还承受了路面给予车轮的制动力引起的驱动桥壳的水平方向上的弯矩以及制动力所产生的转矩。下图是该轻型货车在制动情况下驱动桥壳受力的受力分析图。图2-6 最大制动力工况下驱动桥壳受力简图图2-7 最大制动力工况下驱动桥壳水平纵对称面上弯矩图图2-8 最大制动力工况下驱动桥壳铅垂纵对称面上弯矩图（1）垂直方向的载荷在板簧座附近产生弯曲应力在本文中，路面对左右两个车轮的垂直方向的支撑力Z2L、Z2R相等，并且Z2L=Z2R=Gm22N (1-12)上式当中Z2L、Z2R表示地面给左右车轮的支撑力，N G该轻型货车在水平路面上静止时驱动桥对地面的压力，60000N; m2该货车在制动的情况下驱动桥的质量转移系数，本文中该值取0.95。从公式1-12可以计算出：Z2L=Z2R=28500N这种情况下，驱动桥壳在两个板簧座间的垂直方向的弯矩Mv为：Mv=（Gm12-g）（B-s2）Nm （1-13）上式中的G、g、m1、B、s见公式1-1的说明。通过上式可计算得：Mv=10725 Nm垂直方向的载荷在板簧座附近的弯曲应力为：wv=MvWv10-6Mpa上式中的Wv驱动桥壳在板簧座处的危险截面处的截面系数，这个值计算得2.15810-4m，通过上式可以计算出：wv=49.70Mpa（2）板簧座附近危险截面处制动力所产生的弯曲应力：地面对汽车车轮的制动力可以根据下面的公式进行计算：X2L=X2R=Gm22N (1-14) 上式中的该汽车的驱动轮跟地面的附着系数，本文中该值取0.8。从上式可以计算得到：X2L=X2R=22800N而此时驱动桥壳在左右两个板簧座之间的水平弯矩为：Mh=Gm12（B-s2）Nm (1-15)根据上式能够计算得：Mh=8580 Nm切线方向的反作用力在板簧座附近产生的弯曲应力：wh =MhWh10-6Mpa上式中的Wh在板簧座处的危险截面附近驱动桥壳的水平截面系数，这个值是1.59610-4m根据公式1-16可以计算出：wh =53.75Mpa（3）制动力在板簧座附近产生的扭转应力Mt=Gm12m2r Nm （1-16）上式中的r该汽车的驱动桥对应的驱动轮的半径，在本文中该值为0.405m根据公式1-16可以计算出：Mt=9234 Nm这个转矩在板簧座附近危险断面产生的扭转应力为：=MtWt10-6 Mpa上式中Wt驱动桥在板簧座处危险断面的扭转截面系数，这个值为2.75610-4m根据上式能够计算出：=33.51Mpa（4）在板簧座附近产生的合成弯曲应力：板簧座附近驱动桥壳的危险端面是矩形管的形状，根据该形状的特点，截面的合成应力的计算公式为：w=wv+wh上式当中wv垂直方向载荷在板簧座附近产生的弯曲应力，Mpa wh制动力在板簧座附近所产生的弯曲应力，Mpa通过以上公式的计算结果得，该轻型载货汽车在进行制动的情况下，驱动桥壳在板簧座处危险截面的弯曲应力w以及扭转应力为：w=103.45Mpa=33.51Mpa2.2.5最大侧向力工况下的驱动桥壳应力计算一辆轻型载货汽车在行驶的时候，当进行转向时，汽车会受到离心作用，此时地面会给汽车的驱动车轮一个向心力来使汽车免于发生侧滑。这里向心力就是侧向力。汽车受到的侧向力的大小和地面给予汽车轮胎摩擦力的最大值相等的时候，汽车的状态为即将发生侧滑的临界状态。如果汽车需要的侧向力的大小比摩擦力还大，汽车就会发生侧滑。在本文当中，通过对研究对象进行测量，该汽车的质心高度是1200mm，汽车车轮的轮距是1500mm。下图是汽车受到侧向力时的受力简图以及弯矩图。图2-9 最大侧向力工况下的驱动桥壳的受力简图图2-10 最大侧向力工况下驱动桥壳受力的弯矩图上图中 XL、XR路面给予汽车车轮的侧向反作用力，N ZL、ZR地面给予车轮的垂直方向的支撑力，N汽车即将发生侧滑的时候，在侧滑的方向的另一侧的支撑力的大小为零，我们假设汽车向右边发生侧滑，由图九可以得知XL、XR的大小都是零，驱动桥的重量由侧滑方向这一侧的车轮来承受，根据侧滑的平衡状态可得：Ph=GB2 (1-17)上式当中P该汽车驱动桥受到的侧向的力，N； h该轻型货车驱动桥壳质心高度，1200mm； G该轻型货车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的力，60000N； B该汽车驱动车轮之间的距离，1500mm。根据公式1-17可以计算出：P=37500N当汽车发生侧滑的时候，轴承会对轮毂产生支撑力，这两个支撑力可以根据车轮的受力平衡条件求出来。轮毂内外轴承的支撑力为：S1R=ra+bXR+ba+bZR （1-18）S2R=ra+bXR-ba+bZR （1-19）上述公式中a、b轮毂轴承的支承中心到车轮中心线之间的距离，m； XL、XR路面给予汽车车轮的侧向反作用力，N； ZL、ZR地面给予车轮的垂直方向的支撑力，N根据上述内容，我们可以得知XR=P=37500N，ZR=G2=30000N，根据驱动桥的二维图纸我们可以得到该驱动桥的相关参数：a=0.07146，b=0.07146，驱动桥的半径为0.405m，通过公式1-18、1-19可以计算得到：S1R=136266NS2R=76266N由图十可以得知，当该轻型货车发生侧滑的时候，半轴套管承受着最大的弯矩，半轴套管的圆管面就是危险截面，此处的弯矩MA为：MA=S2R(a+b+l)-S1Rl （1-20）上式中的l轮毂轴承的内端支撑面到支承中心的距离，在本文中，该驱动桥l=0.0164m。半轴套管的危险截面的形状为圆管状，该圆管（见图二）外径D=0.070，内径d=0.056m，该截面的弯曲截面系数WA为2.21510-5m。根据公式1-20，将各个参数代入公式，可以计算出：MA=9916 Nm该危险截面处的弯曲应力w为：A =MAWA10-6m （1-21）该危险截面处的剪切应力A为：A=S2R4（D2-d） 10-6m （1-22）根据公式1-21、1-22，代入已知参数，可以计算出：A =448MpaA=55.0Mpa合成应力A为A=A2+3A2 （1-23）根据上述公式可以计算出：A=458Mpa2.2.6应力计算结果分析该轻型货车驱动桥各个部件的屈服强度如下：驱动桥壳材料为QT450-10，屈服强度为330Mpa，半轴套管材料为45Mn2，屈服强度为735Mpa。通过对四大工况下汽车驱动桥危险断面应力的计算，前三种工况之下危险截面是在驱动桥壳之上，三种情况下的合成应力都没有超出驱动桥壳材质的屈服强度极限330Mpa，半轴套管自然更是合用。在最大侧向力工况之下，危险截面是在半轴套管的圆管面上，此时它受到的合成应力也没有超过半轴套管材质的屈服强度极限735Mpa。在最大侧向力工况之下，因为这是一种极限情况下的考虑，考虑汽车的车身的载荷都由一侧的轮胎来承受，但在实际情况中，汽车轮胎是具有弹性的，所以汽车超出极限的可能性很小。通过对以上各种工况的分析计算，可以初步认为该汽车驱动桥是满足上述各种行驶条件的。该驱动桥壳的结构设计满足几种常见工况并且有进一步优化的可能。2.3本章小结在本章当中，首先对轻型载货汽车的驱动桥进行了结构和功能上的简单介绍，然后对驱动桥壳在四种典型工况下的受力情况进行了分析，通过对受力情况的分析，结合驱动桥壳材料的屈服强度，我们可以初步认为该驱动桥壳可以进行进一步的优化设计。第三章 有限元模型的建立及分析3.1驱动桥壳有限元模型的建立我们首先建立驱动桥壳的三维模型图，该桥壳的二维模型则是由某车桥公司提供。在建立三维模型的过程中，我们需要对驱动桥壳的各个部件进行建模，将板簧座、半轴管、后桥壳盖等部件进行建模。本文采用的是Pro/e进行建模，在建立有限元模型时，将asm格式的三维模型组件转化成stp格式再将其导入ANSYS中。简化前的桥壳模型如下：图3-1 完整驱动桥壳将模型导入ANSYS之后，我们需要在spaceclaim中根据需要将完整的三维模型进行简化。简化的思路如下24-26：将模型中对受力分析影响较小的组件简化在本文中，驱动桥壳简化过程在ANSYS中进行，首先将不影响驱动桥壳受力分析的零件删去，在此过程中删去后桥壳盖、板簧座、油塞等零件，进行该步骤简化的目的是使有限元分析的复杂度降低，在分析的时候能够尽量避免电脑超过负荷。忽略部分细节特征将一些对有限元分析来说无关紧要的细节进行简化，比如一些圆角、倒角以及部分不重要的圆孔。经过此番优化后，能够提升划分网格速度及精度以及分析速度。在ANSYS中对驱动桥壳的三维模型进行简化之后，再对驱动桥壳进行有限元分析，经过这番简化，电脑的负荷能够大大降低，成功率大大提高。简化后的驱动桥壳模型如下图所示：图3-2 简化驱动桥壳3.2驱动桥壳有限元网格的划分在本文中，我首先采用的是自定义网格大小，我设定的是10mm，但是在进行分析时分析速度非常缓慢，经常报错，分析成功得到的结果也和理论分析的结果不一致。于是我采用了自动划分网格，自动划分的网格大小为86.94mm，采用的是均匀网格，这样可以有效地提高计算精度，降低计算误差。在自动划分网格完成后，得到了132046个节点，79033个单元。得到的简化驱动桥壳的有限元模型如图所示。27图3-3 划分网格后的桥壳有限元模型3.3驱动桥壳材料属性的选取在ANSYS中进行有限元分析时，对材料属性进行设置时，材料属性的设置一般有强度、弹性模量、密度等几个方面。在本文中，驱动桥壳的材料是QT450-10，半轴套管采用的材料是45Mn2。上述两种材料的具体参数如表3-1所示。在进行有限元分析时，我们假设这些材料都是均匀的。表3-1 材料参数表零部件材料弹性模量泊松比密度（kg/mm）驱动桥壳QT450-101.69E50.2777.3E-6半轴套管45Mn22.10E50.287.9E-63.4驱动桥壳的静力学分析3.4.1载荷以及约束设置在各个工况下，载荷以及约束的设置方法如表3-2以及表3-3所示。表3-2 桥壳在各工况下的加载方式工况加载方式垂直载荷工况将垂向力施加于板簧座处最大牵引力工况在车轮的轮距处施加垂向力，再在其垂直方向也即汽车运动方向施加牵引力最大制动力工况在车轮的轮距处施加垂向力，再在其垂直方向也即摩擦力的方向施加制动力最大侧向力工况在汽车的轮距处施加垂向力，再在汽车发生侧滑的方向施加侧向力表3-3 桥壳在各工况下的约束条件工况约束条件垂直载荷工况在桥壳两端轮距处的节点Y、Z的平动方向设置约束最大牵引力工况在一侧板簧座处X、Y、Z的平动方向设置约束；在另一侧板簧座处约束X和Z的平动方向设置约束最大制动力工况在板簧座处X、Z的平动方向设置约束；在左右法兰盘螺栓孔处限制X方向的自由度最大侧向力工况在一侧板簧座处X、Y、Z的平动方向设置约束；另一侧板簧座处X和Z的平动方向设置约束3.4.2各工况下的静力学分析在ANSYS的mechanical板块中划分网格，设置好载荷以及约束之后，就能够进行求解了，在求解结束后，能够查看在各个工况下驱动桥壳各个部位的应力和变形结果。（1）不平路面冲击工况该轻型载货汽车的驱动桥壳在汽车满载的情况下承受的载荷是6000kg，在静止的情况下汽车桥壳受到的应力以及桥壳的总变形量如图3-4、3-5所示。对不平路面冲击工况进行静强度分析时，汽车驱动桥壳承受的载荷的大小是静止工况下的2.5倍，垂直作用在板簧座处，此时桥壳受到的应力以及总变形量如图3-6、3-7所示。 图3-4 满载工况等效应力云图图3-5 满载工况变形云图图3-6 冲击工况等效应力云图图3-7 冲击工况变形云图由图3-4可知，在汽车满载静止时，桥壳所受到的最大等效应力在左右板簧座处，应力大小为83.591Mpa，没有超出材料的许用应力。由图3-5可知，该桥壳的最大变形量是0.644mm，根据汽车驱动桥台架试验评价标准指标28，载货汽车每米轮距所允许的最大变形量不能超过1.5mm/m，该桥壳的变形量为0.429mm/m，满足国家标准的要求，所以该桥壳的刚度在该工况下是满足要求的。由图3-6可知，在冲击工况下，汽车桥壳受到的最大等效应力大小为208.98Mpa，没有超出桥壳材料能承受的最大应力，由图3-7可知，汽车桥壳的最大变形量是1.609mm，轮距的最大变形量为1.073mm/m，满足国家标准的要求，所以桥壳的刚度在该工况下是满足要求的。（2）最大牵引力工况该工况下的等效应力云图和变形云图如图3-8、3-9所示。图3-8 最大牵引力工况等效应力云图图3-9 最大牵引力工况变形云图由图3-8可知，桥壳在最大牵引力工况下承受的最大应力为164.96Mpa，应力最大处是左右板簧座处，该最大应力远小于桥壳各部分材料的许用应力，所以，在最大牵引力工况下桥壳材料满足要求。由图3-9可知，桥壳变形最大的部位是两端半轴的轴头处，最大变形量是2.018mm，桥壳的每米轮距的变形量是1.345mm/m，符合标准，所以该桥壳的刚度是满足要求的。（3）最大制动力工况在该工况下桥壳的等效应力云图和变形云图如图3-10、3-11所示。3-10 最大制动力工况等效应力云图3-11 最大制动力工况变形云图由图3-10可知，桥壳在最大制动力工况下承受的最大应力为115.15Mpa，应力最大处是左右板簧座处，该最大应力远小于桥壳各部分材料的许用应力，所以，在最大制动力工况下桥壳材料满足要求。由图3-11可知，桥壳变形最大的部位是两端半轴的轴头处，最大变形量是1.428mm，桥壳的每米轮距的变形量是0.952mm/m，符合标准，所以该桥壳的刚度是满足要求的。（4）最大侧向力工况在该工况下桥壳的等效应力云图和变形云图如图3-12、3-13所示。图3-12 最大侧向力工况等效应力云图图3-13 最大侧向力工况变形云图由图3-12可知，桥壳在最大侧向力工况下承受的最大应力为115.15Mpa，应力最大处是右侧板簧座处，该最大应力远小于桥壳各部分材料的许用应力，所以，在最大制动力工况下桥壳材料满足要求。由图3-13可知，桥壳变形最大的部位是右端半轴的轴头处，最大变形量是2.165mm，桥壳的每米轮距的变形量是1.440m/m，符合标准，所以该桥壳的刚度是满足要求的。3.5本章小结在本章中，我对货车进行了有限元分析，主要是从静强度以及刚度方面进行分析，在进行完分析之后我可以得出如下结论：（1）对驱动桥壳的静强度有限元分析的准确性跟很多因素有关，比如桥壳模型的几何特征的简化、有限元模型中网格的划分。在划分网格的过程中，为了减少电脑的负担以及节约时间，在不影响分析结果的情况下，可以尽量选择较大的网格。在进行了静强度分析之后，驱动桥壳在四大常见工况下的各部分最大应力值都小于桥壳材料的许用应力。如果要对桥壳的结构进行优化，我们可以考虑从减少桥壳中央部分的壁厚的角度进行。（2）进行有限元分析后，我发现桥壳中的每米轮距的最大变形量都没有超出1.5mm/m，均符合国家标准。 第四章 驱动桥壳的优化设计4.1概述驱动桥壳的优化设计是一个很大的课题，在各个车桥公司里最为常见的优化设计思路是轻量化设计。但优化设计还有很多其它方面的内容，我们需要对研究对象进行各个方面的分析，然后在满足应力要求，满足变形要求的情况下减少桥壳的体积、质量，在综合各个因素的情况下找到最有效率的方案29。本文在第三章对汽车桥壳进行了有限元分析，发现该桥壳在各个工况之下强度都满足要求，并且桥壳在各工况下承受的应力远没有达到它材料的许用应力，都有着不小的盈余，根据这个结论，我们可以对汽车桥壳进行优化设计。在当今时代，轻量化一般有如下几种思路30-31：一是采用强度很高而密度较小的材料，比如铝合金、镁合金等。二是用有限元分析软件进行有限元分析，在分析后，我们可以得出能够进行优化设计的部位以及大概的数值。在进行优化设计之后，再将模型导入有限元分析软件进行分析，如果强度依然满足要求，那桥壳的优化设计便是成功的。但是在实际情况中，更换更为优质的材料需要高得多的成本，而那样的高成本会导致生产的车桥的价格在市场中没有竞争力，所以在本文当中，我们主要采用有限元分析软件ANSYS进行桥壳的优化设计。4.2优化设计前的准备根据在ANSYS中进行的有限元分析结果，我们可以大致得出优化方案。在分析结果中，我们可以看到桥壳中央部位是在各个工况下承受应力最小的部位，在变形方面，也只有冲击工况下变形量较大，但依然是一个很安全的数值。所以我们可以降低桥壳中央处的壁厚来进行桥壳轻量化设计。桥壳静强度分析结果中，在冲击工况下，驱动桥壳承受的最大应力是208.98Mpa，承受应力最大处为半轴套管与车桥主题的连接位置，半轴套管材料的屈服强度是735Mpa，最大应力值远小于735Mpa，据推测，该位置始终可靠。根据分析结果，变形最大的部位在桥壳中央，这是我们进行优化的位置，也是需要注意的位置，在该处每米轮距的最大变形量是1.073mm/m，在进行了优化设计后，桥壳中央每米轮距的最大变形量必须小于1.5mm/m，最大应力必须小于330Mpa。在上述原则的指导下，我们可以进行优化设计。4.3驱动桥壳优化的进行在本次桥壳优化过程中，重要参数为桥壳的厚度h，驱动桥壳的半轴材料是45Mn2,桥体材料的QT450-10，两种材料的许用应力大小差别很大，如果直接对驱动桥壳进行优化的话，可行性并不是很高，所以我们主要针对桥壳的中央部位的厚度进行优化。26主要有如下几个好处：（1）桥壳中央的调整对于桥壳的整体来说影响比较小，而且对于装配的影响也不大。（2）桥壳的中央部位是桥壳表面积最大的部分，进行优化的时候可操作空间比其他部位大。（3）对桥壳的中央进行优化设计有许多已经被证明成功的技术路线以及改进方案可供参考。接下来，我们需要把桥壳的数学模型建好，该数学模型主要包括以下三个方面的内容：（1）设计变量在本文当中，设计对象是驱动桥壳，桥壳的原始