资源描述
一、选题依据1研究领域汽车部件设计2论文（设计）工作的理论意义和应用价值驱动桥壳作为汽车驱动桥的主要组成部分之一，合理的设计可以保证汽车在给定条件下具有最佳的动力性和燃油经济性。本次设计将通过对汽车驱动桥壳的学习和设计实践、结构的优化设计、主要零部件强度的计算分析和有限元分析等内容， 可以更好地学习并掌握现代汽车零部件设计与计算分析的相关知识和技能。通过本次设计，将对汽车的结构具有更深入的认识，掌握汽车零部件设计的过程，并能熟练应用计算机辅助软件进行设计，不仅能够将所学专业理论知识应用于实际，更为今后的工作积累更多的理论知识和提高解决实际问题的能力。3目前研究的概况和发展趋势国内许多汽车厂家相继引进了一些中重型车辆，其后桥壳大多为钢板冲压焊接而成。但冲压焊接式桥壳采用冲压成型的方法存在材料成型困难，有的还需增加退火工艺，能耗高、工序多，制造工艺复杂，生产成本高。汽车在崎岖的路面上颠簸行驶，受到交变负荷的作用，桥壳焊接处易出现脱焊开裂问题，疲劳性能差，超载易变形，主减速器齿轮正常啮合受影响，噪声大，减少了驱动桥总成的使用寿命。球墨铸铁具有高强度、高韧性、高可靠性、高寿命的特点，能生产出最接近要求的形状。随着球墨铸铁技术的发展，铸造已成为取代冲压焊接生产汽车后桥壳的首选方法。因为与冲压焊接后桥壳相比，铸造后桥壳具有强度和刚度较大，生产成本 低，拆装、保养、维修方便等优点。发达国家在机械产品设计上早以进入了分析设计阶段，他们利用计算机辅助设计技术，将现代设计方法，如有限元分析、优化设计、可靠性设计等应用到产品设计中，采用机械 CAD 系统在计算机上进行建模、分析、仿真、干涉检查，实现三维设计，大大地提高产品设计的一次成功率，减少了试验费用，缩短了产品更新周期。而我们的设计手段仍处于以经验设计为主的二维设计阶段，设计完成后在投产中往往要进行很大的改动，使得产品开发周期很长，性能质量低等。为改变我国的车辆零部件的生产和设计手段的落后状况，缩短新产品的开发周期，提高市场竞争力，有必要开发一些适合中国国情的汽车及零部件的 CAD 系统，对已开发的 CAD 系统需进一步提高和完善。驱动桥壳需要有很大的强度和刚度，驱动桥壳传统的经验设计方法是利用数 学、力学等理论知识进行计算。这种方法计算量大且很复杂，很难模拟各种工况。随着科学技术的进一步发展，企业只有提高设计研发能力才能跟上发展的脚步，现代工业的典型特征就是大量使用计算机，所以人们希望借助计算机辅助分析技术（CAE）来解决相关复杂问题，有限元作为 CAE 技术的一种关键计算方法，被广泛应用于各个行业，驱动桥壳作为车桥的重要组成部分之一，应用有限元法模拟，可以计算出驱动桥系统的动态响应，结果可信且接近实际，能较真实的模拟出驱动桥动态使用过程，是驱动桥壳设计的发展主流。随着各国政府对汽车节能环保理念认识的不断提高，各大汽车零部件厂商为了能够满足主机厂绿色设计的要求纷纷开始大力研究节能环保技术，汽车作为一种重要的交通工具，控制油耗成为主要的突破口，对汽车驱动桥壳进行轻量化设计成为驱动桥壳设计部分很重要的一环。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题确定桥壳的类型，对其结构进行设计，并计算相应参数尺寸，对主要结构尺寸进行校核，用有限元技术对桥壳进行强度校核，对其应力分布和变形分布状况进行研究，验证设计的合理性。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）查阅相关资料，了解研究课题的意义价值、研究概况和发展趋势（2）桥壳结构设计及计算相应尺寸参数；（3）桥壳的受力分析；（4）桥壳的静弯曲应力计算；（5）各种工况下桥壳强度的分析；（6）有限元技术分析验证；（7）绘制桥壳图纸，写设计说明书。3.本论文（设计）预期取得的成果通过本次设计，将对汽车的结构具有更深入的认识，掌握汽车零部件设计的过程，并能熟练应用计算机辅助软件进行设计，不仅能够将所学专业理论知识应用于实际，更为今后的工作积累更多的理论知识和提高解决实际问题的能力。预期提交以下成果：(1)设计图纸一套（总工作量达 3 张零号图纸）； (2)设计说明书（10000 字以上）； (3)与课题相关的一篇外文翻译（2000 字以上）。 三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；（1）调研并查阅相关资料；（2）总体方案的确定；（3）桥壳的设计；（4）桥壳的 Pro-e 建模；（5）设计结果的有限元技术校核；（6）绘制桥壳图纸；（7）完成毕业设计和设计说明书。2.论文（设计）进度计划第 1 周：通过查阅文献，了解设计选题，与指导教师沟通理解任务书的内容。第 2、3 周：查阅资料，准备开题报告第 4 周：修改开题报告，并进行开题答辩。第 5-7 周：对桥壳进行总体设计第 8 周：整理前期工作，并进行中期检查。翻译外文文献 1 篇。第 9-11 周：参数设计和计算；校核计算是否满足要求第 12-14 周：绘制桥壳图纸，准备设计说明书第 15 周：完善设计说明书，整理设计资料。第 16 周：准备答辩四、需要阅读的参考文献1黄昶春,韦志林,沈光烈. 驱动桥壳有限元分析模型的改进J. 汽车技术,2012,02:27-30. 2刘为,薛克敏,李萍,杜长春,唐子玉. 汽车驱动桥壳的有限元分析和优化J. 汽车工程,2012,06:523-527. 3陈元华. 矿用自卸车驱动桥壳有限元疲劳分析与优化J. 煤炭技术,2012,07:30-31. 4阎树田,王剑,孙会伟,徐明辉. 商用车驱动桥壳强度和模态的有限元分析J. 机械与电子,2012,08:14-16. 5梁洪明,王靖岳,李学明. 基于 CATIA 和 ANSYS 的货车驱动桥壳有限元分析J. 汽车工程师,2012,10:34-35. 6彭才望,周菊林,石毅新. 农用载货汽车后驱动桥壳有限元分析J. 农业装备与车辆工程,2015,12:49-52. 7王开松,许文超,王雨晨. 汽车驱动桥壳有限元分析与轻量化设计J. 机械设计与制造,2016,07:222-225+231. 8杨利辉. 基于实际工况轮式挖掘机驱动桥壳有限元分析J. 机械传动,2014,11: 157-161. 9庹前进. 基于有限元理论载重车驱动桥壳轻量化及可靠性分析J. 机械传动,20 15,03:141-144. 10吴超,廖敏,业红玲. 基于有限元方法的汽车驱动桥壳分析J. CAD/CAM 与制造业信息化,2015,04:45-48. 11郭冬青,张翠平,姚晓博,肖帅,张鹏超. 农用车驱动桥壳的有限元分析与结构改进J. 中国农机化学报,2015,05:198-202. 12庹前进. 解放 CA141 载重汽车驱动桥壳动态特性的有限元分析J. 机械工程师,2015,11:192-193. 13王超,李强,邵方. 重型牵引车驱动桥壳的有限元分析J. 农业装备与车辆工程,2014,10:42-46. 14王彦博,梁长佳. 某叉车驱动桥壳有限元分析J. 叉车技术,2013,04:8-9+11. 15 Hypoid gear vehicle axle efficiency Original Research Article Tribology International, Volume 101, September 2016, Pages 314-323 I. Kakavas, , A.V. Olver, , D. Dini. 16 Safe life and damage tolerance aspects of railway axles A review Original Research Article Engineering Fracture Mechanics, Volume 98, January 2013, Pages 214-271 U. Zerbst , S. Beretta , G. Khler , A. Lawton , M. Vormwald , H.Th. Beier , C. Klinger , I. ern , J. Rudlin , T. Heckel , D. Klingbeil. 附：文献综述或报告1.引言随着汽车工业的发展，对汽车的性能要求越来越高，这使得传统的驱动桥壳设计计算方法已经无法满足现代汽车设计的要求。电子计算机的出现以及有限元法的飞速发展为驱动桥壳结构性能的计算分析带来了新的革命。驱动桥壳是汽车的重要承载件和传力件，非断开式驱动桥壳支承汽车重量，并将载荷传给车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力、垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。因此，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。合理地设计驱动桥壳，使其具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶的平顺性和舒适性。驱动桥壳应满足如下设计要求：（1）应具有足够的强度和刚度，以保证主减速器齿轮啮合正常并不使半轴产生附加弯曲应力；（2）在保证强度和刚度的前提下，尽量减小质量以提高汽车行驶平顺性；（3）保证足够的离地间隙；（4）结构工艺性好，成本低；（5）保护装于其上的传动部件和防止泥水浸入；（6）拆装，调整，维修方便。2.驱动桥壳的分类驱动桥壳从结构上可分为整体式桥壳和分段桥壳两类。（1）整体式桥壳整体式桥壳的结构特点是一个刚性整体外壳或空心梁。按制造工艺的不同又可分为多种形式，常见的为整体铸造、钢板冲压焊接式、中断铸造两端压入钢管和钢管扩张成形等形式。整体铸造式桥壳的强度和刚度较大，但质量大，加工面多，制造工艺复杂，主要用于中、重型货车上。但其簧下质量较大，对汽车的行驶平顺性有不利的影响。钢板冲压焊接式和扩张成形式桥壳质量小，材料利用率高，制造成本低，适用用于大量生产，结构简单，制造工艺性好，主减速器支承刚度好，拆 装、调整、维修方便，广泛用于轿车和中、小型货车上。（2）分段式桥壳分段式桥壳一般分为两段，由螺栓连成一体。分段式桥壳比整体式易于铸造， 加工简便，但维修不方便。拆检主减速器时，必须把整个驱动桥从汽车上拆卸下 来，目前已很少采用。驱动桥壳按结构形式分为整体式、可分式和组合式三种。（1）可分式桥壳由左、右桥壳和半轴套管组成。左、右桥壳经铸造制成后，先在每个桥壳外端压入半轴套管，然后将两者沿结合面圆周方向布置的螺栓紧固在一起，构成可分式桥壳。这种桥壳结构简单，制造工艺性好，主减速器支撑刚度好。但拆装、调整、维修很不方便，桥壳的刚度和强度受结构的限制，曾用于总质量不大的汽车上，现已较少使用。（2）整体式桥壳整个桥壳是一根空心梁，桥壳和主减速器壳为两体。有刚度、强度大因而工作可靠的优点，但质量大、加工困难，适用于装载质量大的商用车。按照制造工艺不同，整体式桥壳又可分为:整体铸造式桥壳。由两端压入用无缝钢管制成的半轴套管、桥壳和后盖等主要零件组成。整个桥壳为一根空心梁。钢板冲压焊接式桥壳。由桥壳主件、钢板弹簧座、半轴套简、后盖等组成。将两个桥壳、三角镶块、钢板弹簧座和半轴套筒焊合在一起组成焊接式驱动桥桥壳(见图 1 所示)。具有质量小、制造容易、材料利用合理、抗冲击性能良好、成本低等优点。在乘用车和装载质量小的商用车上得到广泛应用。扩张成形式桥壳。由中部经过扩孔，两端又经过滚压变细的钢管、突缘和弹簧座等组成。凸缘和弹簧座焊在钢管上构成桥壳。扩张成形式桥壳材料利用率最 高、质量小，而强度和刚度也足够，故大量生产的乘用车和装载质量在中等的商用车都适合用这种结构。（3）组合式桥壳组合式桥壳 由主减速器壳、无缝钢管组成。特点是将主减速器壳与部分桥壳铸造为一体，再在两端分别压入无缝钢管而构成。组合式桥壳有主减速器从动齿轮轴承支承刚度较好，主减速器的装配、调整比可分式桥壳方便的优点，但加工精度要求高，仅应用在乘用车和总质量较小的商用车上。3.国内外研究现状我国早期的汽车是借鉴前苏联的汽车技术，我国汽车工业发展至今，也借鉴和研究了欧美日德等汽车工业强国的技术和经验。但是目前大多数车厂借鉴和引进的技术还是保留在车辆的外观和内饰的层面，对于发动机和底盘这些关键技术的自主知识产权拥有量还是微乎其微。不过这些局面最近几年得以较大的改观，虽然还是一些汽车工业强国把持着领先的关键技术，但是我国也形成了一大批拥有自主知识产权的汽车工业机关，在汽车领域重新分得一杯羹。特别是汽车研究领域，形成了一大批科研院所和专家，对汽车的关键技术，诸如驱动桥壳的结构型式的改进方面有较大的进步。国内许多汽车厂家相继引进了一些中重型车辆，其后桥壳大多为钢板冲压焊接而成。但冲压焊接式桥壳采用冲压成型的方法存在材料成型困难，有的还需增加退火工艺，能耗高、工序多，制造工艺复杂，生产成本高。汽车在崎岖的路面上颠簸行驶，受到交变负荷的作用，桥壳焊接处易出现脱焊开裂问题，疲劳性能差，超载易变形，主减速器齿轮正常啮合受影响，噪声大，减少了驱动桥总成的使用寿命。球墨铸铁具有高强度、高韧性、高可靠性、高寿命的特点，能生产出最接近要求的形状。随着球墨铸铁技术的发展，铸造已成为取代冲压焊接生产汽车后桥壳的首选方法。因为与冲压焊接后桥壳相比，铸造后桥壳具有强度和刚度较大，生产成本 低，拆装、保养、维修方便等优点。我国的汽车及各种车辆的零部件产品在性能和质量上和发达国家存在着一定的差距，其中一个重要原因就是设计手段落后，发达国家在机械产品设计上早以进入了分析设计阶段，他们利用计算机辅助设计技术，将现代设计方法，如有限元分析、优化设计、可靠性设计等应用到产品设计中，采用机械 CAD 系统在计算机上进行建模、分析、仿真、干涉检查，实现三维设计，大大地提高产品设计的一次成功率，减少了试验费用，缩短了产品更新周期。而我们的设计手段仍处于以经验设计为主的二维设计阶段，设计完成后在投产中往往要进行很大的改动，使得产品开发周期很长，性能质量低等。为改变我国的车辆零部件的生产和设计手段的落后状况，缩短新产品的开发周期，提高市场竞争力，有必要开发一些适合中国国情的汽车及零部件的 CAD 系统，对已开发的 CAD 系统需进一步提高和完善。国外的这些汽车公司已有 CAD 程序，但涉及各公司的标准和技术规范及试验都很保密，不可能公开。与国外相比，我国的汽车工业在 CAD 方面起步较晚，发展比较慢。目前一些高校和大中型企业已开始进行 CAD 的研究，在产品的改进设计、设计后的计算机绘图及有限元分析等方面已陆续取得一些效果。但总的来讲国内工厂多数是依赖传统的设计方法经验类比法，对引进产品主要是测绘仿制，难以满足现代汽车工业发展的客观要求。采用现代设计方法，是提高自行设计、消化吸收和国产化的极其重要手段。4.发展趋势驱动桥壳需要有很大的强度和刚度，驱动桥壳传统的经验设计方法是利用数学、力学等理论知识进行计算。这种方法计算量大且很复杂，很难模拟各种工况。随着科学技术的进一步发展，企业只有提高设计研发能力才能跟上发展的脚步，现代工业的典型特征就是大量使用计算机，所以人们希望借助计算机辅助分析技术（CAE）来解决相关复杂问题，有限元作为 CAE 技术的一种关键计算方法，被广泛应用于各个行业，驱动桥壳作为车桥的重要组成部分之一，应用有限元法模拟，可以计算出驱动桥系统的动态响应，结果可信且接近实际，能较真实的模拟出驱动桥动态使用过程，是驱动桥壳设计的发展主流。随着各国政府对汽车节能环保理念认识的不断提高，各大汽车零部件厂商为了能够满足主机厂绿色设计的要求纷纷开始大力研究节能环保技术，汽车作为一种重要的交通工具，控制油耗成为主要的突破口，对汽车驱动桥壳进行轻量化设计成为驱动桥壳设计部分很重要的一环。5.本文拟开展以下工作（1）根据给定参数，确定桥壳类型，确保所选用的桥壳类型最适合设计车辆；（2）对桥壳进行结构设计并计算相应尺寸参数，使桥壳各部分结构合理；（3）对主要结构尺寸进行校核，用有限元技术对桥壳进行强度校核，对其应力分布和变形分布状况进行研究，验证设计的合理性；（4）用 CATIA 软件绘制驱动桥壳图纸，使汽车驱动桥壳的结构能够清晰的展示出来。
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