汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析.docx

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汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析

42

机械设计与制造

MachineryDesign&Manufacture

第2期2010年2月

文章编号:

1001—3997（201002-0042—02

汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析

‘

陈国荣1’2唐绍华1

（1南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009（2南京航空航天大学机电学院,南京210016FiniteelementanalysisofstrengthandmodaIonautomotivedriveaxlehousingCHENGuo-rong"2,TANGShao-hual

（1NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China

（2NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China

j【摘要】介绍了汽车驱动桥桥壳结构强度和模态有限元分析的研究背景,论述了ANSYSwork—i毒bench软件的有限元分析功能和优点。

采用三维CAD软件UG建立了汽车驱动桥桥壳的三维几何模型,;j然后将其导入ANSYSWorkbench软件中进行了结构强度和模态有限元分析。

仿真结果表明,汽车驱动桥;{桥壳的强度满足设计要求,并且具有良好的.tkAg,}生。

fj关键词:

汽车驱动桥桥壳;强度;模态;有限元分析i{【Abstract】Thefiniteelementanalysisresearchbackgroundofstrengthandmodalonautomobile;{drivingaxlehousingstructuralwasintroduced,andthefiniteelementanalysisfunctionandadvantageof}’ANSYSWorkbenchsoftwarewaselaborated.Thethreedimensionalgeometrymodelofautomobiledrivingf;axlehousing加邪establishedbyusingthethreedimensionalCADSog{twareUG,Thenthestructurali{strengthandthemodalfiniteelementanalysisWascarriedoninANSYSWorkbenchsog危ware.Thesimula-≥{tionresultindicatsthattheautomobiledrivingaxlehousingstrengthsatisfiesthedesignrequest,and胍;

jijtkgoodvibration-proofl}jt。

;Keywords:

Automobiledrivingaxlehousing;Strength;Modal;Finiteelementanalysisfj-一。

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、中图分类号:

THl22文献标识码:

A

驱动桥作为汽车四大总成之一,因位于动力传动系的末端,工作时它的受载情形相当复杂:

在承受自身的减速器、差速器和半轴等组件重量的同时,同从动桥一起支承车架及其上的各总成质量;行驶时,还将承受由车轮传来的牵引力、制动力力、侧向力、垂向力并经悬架传给车架。

因此对驱动桥的关键零件桥壳设计提出了严格要求,即满足足够的强度和刚度且质量小的基础上,应使其结构型式尽可能便于制造、拆装和调整。

驱动桥桥壳分为整体式桥壳、分段式桥壳、组合式桥壳3类。

整体式桥壳因具有较大的强度和刚度,且便于主减速器的装配、调整和检修,在各类汽车上得到了广泛使用。

但是由于其形状复杂,因此应力求解和振动分析比较闲难。

查阅有关汽车设计文献,驱动桥桥壳的传统设计方法有图解法、实验法、分析模型简化法。

这些{殳j僦都存在一定的缺陷。

近年来,许多研究人员利用有限

元方法对桥壳进行了设计计算及优化。

因此将以某汽车上使用的整体式桥壳为研究对象,对其进行结构强度和模态有限元分析。

1基于ANSYS软件的结构有限元分析ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。

有限元法是一种采用计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值解法。

由于有限无法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点,故在短短50・多年间已广泛应用于机械、航空宇航、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域,已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。

特别是随着计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计算机和计算机工作站的逐步普及,为ANSYS的推广应用创造了良好的条件,并展示出更为广阔的工程应用前景。

ANSYSWork—benchEnvironment（AWE是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境,如图l所示。

它能直接读入各种CAD软件的零件模型,并在其统一环境中实现任意模型装配和CAE分析。

整合相同或不同CAD软件模型数据得到CAE分析用的CAD模型库,这些模型库保留CAD中的设计参数,并通过连接技术实现与CAD的软件之间的共享,其优点是任何CAD和CAE人员对设计的改变都立即反映到对方软件环境中,从而实现设计与仿真的同步协同。

CAD模型库

鞫Pro/EUGCatiaSolidWorks皴,,I,l

图1基于ANSYSWorkbench的协同仿真环境

AWE的协同开发环境可以很好地实现对设计、仿真分析和试验的协同和管理,使设计人员、分析人员以及试验人员甚至管理人员能够实现在同—个平台上同时工作和交流协同。

在同一平台下,不仅实现对CAD和CAE等各软硬件以及数据等资源的整

★来稿日期:

2009—04—13★基金项目:

国防科工委十一五军品配套研制项目（JPPr_115-2—1233

蔫辨一一一一

万方数据

汽车美容类型（一汽车/用品/配件/改装/摩托●汽车美容之车表护理:

无水洗车、泡沫精无水洗车

致洗车、全自动电脑洗车、中性环保蜡水精细洗车,底盘清洗,漆面圬渍处理、漆面飞漆处理、新车开蜡、氧化层去除、漆面封蜡、漆面划痕处理、抛光翻新、金属件增亮、轮胎增亮防滑、玻璃抛光、轮毂清洁处理、外饰条清洗、发动机外部美容、划痕快速修复、汽车漆表的沥青、焦油的去处、顶蓬去污翻新处理、汽车玻璃防雨防雾处理

●汽车美容之内饰翻新:

顶棚清洗、车门衬板清洗、仪表盘清洗护理、桃木清洗、丝绒清洗、地毯除臭、塑料内饰清洗护理、真皮座椅清洗、全车皮革养护、全车桑拿、空调风口清洗、座套坐垫清洗、行李箱清洁护理、全车吸尘处理

●汽车美容之高级美容:

漆面封釉、漆面镀膜、汽车桑拿、底盘装甲、臭氧消毒、划痕修复、专业真皮修护、

汽车美容类型（二美容、漆面处理、汽车防护和汽车精品等几部分。

1.车身美容

车身美容主要包括高压洗车,除锈、去除沥青、焦油等污物,上蜡增艳与镜面处理,新车开蜡,钢圈、轮胎、保险杠翻新与底盘防腐涂胶处理等项目。

经常洗车可以清除车表尘土、酸雨、沥青等污染物,防止漆面及其他车身部件受到腐蚀和损害。

适时打蜡不但能给车身带来光彩亮丽的效果,而且多功能的车蜡能够无微不至地呵护爱车,可以防紫外线、防酸雨、抗高温及防静电。

2.内部美容

内部美容主要分为车内美容、发动机美容、行李箱清洁等内容。

其中车内美容包括仪表台、顶棚、地毯、脚垫、座椅、座套、车门衬里的吸尘清洁保护,以及蒸汽杀菌、冷暖风口除臭、车内空气净化等项目。

发动机美容则包括发动机冲洗清洁、喷上光保护剂、

做翻新处理、三滤清洁（指的是燃油滤清器、机油滤清器、空气滤清器等项目。

3.漆面处理

漆面处理服务项目可分为氧化膜处理、飞漆处理、酸雨处理、漆面划痕处理、漆面破损处理及整车喷漆。

漆面处理不仅能使爱车永保“青春”。

还能复原您不慎造成的划痕及破损。

更好地保护车身,使汽车保值。

4.汽车防护

汽车防护的项目包括贴防爆太阳膜、安装防盗器、安装静电放电器、安装汽车语音报警装置等。

汽车防护虽然对汽车的美观不产生直接影响,但却能很好地呵护爱车。

5.汽车精品

汽车精品是汽车美容的点睛之处,也是一种汽车生活文化的体现,它致力于把汽车营造成一个流动的

生活空间,诸如车用香水、蜡掸、护目镜、把套、坐垫等。

汽车精品带给人们的是一种贴身的关怀。

一分功夫一分精彩。

美丽的背后绝不仅仅是追逐时尚的冲动,更多的是对另一种物质文化的把握。

第２期陈国荣等：

汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析完成后即可对结果进行分析和评价。

４３合，各部门的不同没计、分析和试验人员实现协同研发、数据共享与交换，而且极大地提高了设计研发的效率和管理水平。

３。

１驱动桥桥壳强度有限元分析通过ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件的仿真计算，该驱动桥桥壳在工作载荷为３００００Ｎ时，它的Ｍｉｓｅｓ应力云图，如图３所示。

驱动桥桥壳各点应力计算结果除约束点出现应力集中外，应力较大区域位于板簧座至圆角过渡处的桥壳的上、下表面，即红色的区域。

为便于与其他厚度桥壳应力进行比较，故应取最大点，该点应力为７６．５ＭＰａ。

根据材料的屈服极限为６１０ＭＰａ和试验评价指标垂直弯曲失效后备系数Ｋ，．－６的要求，计算各厚度桥壳结果，如表１所示，因此该驱动桥桥壳的强度满足设计要求。

２驱动桥桥壳有限元模型的建立驱动桥桥壳工作受力情况复杂，而汽车的行驶条件如道路情况、气候条件及车辆的行驶状态等又是千变万化的，因此在设计过程中必须对桥壳的应力、变形、危险部位的应力、振动情况等进行计算和校核。

有限元法已广泛应用到驱动桥桥壳没计中，通过对驱动桥桥壳的有限元计算，既可以分析驱动桥桥壳的强度及模态等情况，也可以比较各种设计方案，在满足强度和刚度要求的条件下，为结构的优化没计提出可行的措施和建议。

驱动桥桥壳结构是一个极为复杂的组合结构，在实际结构的基础上有效地建立简化而正确的有限元模型，是保证有限元分析准确的首要条件。

通常，在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。

—般包括几何建模、定义材料属性和实常数（要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数），定义单元类璎，网格划分，添加约束与载倚等。

由于汽车驱动桥桥壳结构形状较为复杂，包含许多复杂曲面，而—般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限，难以快速方便地对其建模。

因此，针图３驱动桥桥壳各点的Ｍｉｓｅｓ应力云图表１驱动桥桥壳厚度计算结果对较复杂的结构，采用三维ＣＡＤ软件如ＵＧ中建立兀何模型，然后在有限元分析软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中通过输入接ｎ读入实体模型。

最后，在ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中完成其它分析过程。

首先在ＵＧ中建立起驱动桥桥壳的三维模型，在建宅桥壳的有限元模型３－２驱动桥桥壳模态有限元分析模态分析，就是采用试验分析或理论分析的方法来识别系统的模态参数。

在结构动力学中，振动系统的特性可以用模态来描述，表征模态的各阶参数是振动系统的各阶固有频率、固有振型等。

模时，先对驱动桥桥壳实体作必要简化，对按承载件，均保留其原结构形状，以反映其力学特性，对非承载件进行一定程度的简化，如态是振动系统特性的一种表征，它是构成各种结构复杂振动的最简单或最基本的振动形态，模态分析是进行各项动力分析的前提和基础，它为振动系统的动态设计和故障诊断提供厂数值依据。

在ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件中计算得到的前６阶模态下的固有频率值，如表２所示。

对应于前６阶模态固有频率的振型，如图４（ａ）～图４（ｆ）所示。

由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶的振型对结构的动力影响比高阶振型大，因图２（ａ）所示。

然后将模型导入到ＡＮＳＹＳ中，进行网格划分，划分网格时选用具有较高刚度及计算精度的四面体１０节点９２号单元，将该零件划分为７６１２个节点，３７６５个单元，如图２（ｂ）所示。

此低阶振型决定了结构的动态特性，从动画显示结果中更容易看出各阶振动的方向和相对幅值大小。

表２驱动桥桥壳前６阶固有频率（Ｈｚ）阶次频率ｌ２３４１９４４４０５４８０６７８０１２９１５ｌ图２模型简图该驱动桥桥壳的本体材料为６ｍｍ厚的Ｂ５１０Ｌ１汽车大梁用钢，从材料手册中查出其弹性模量Ｅ＝２ｘｌＯＳＭＰａ，泊松比ｖ＝Ｏ．３，材料密度为７８５０ｋｇ／ｍ，屈服极限为６１０Ｍｐａ。

计算桥壳的垂直静弯曲刚度和静强度的方法是：

将后桥两端同定，在弹簧座处施加载荷，将桥壳两端车轮中心线处全部约束，其中轮距１７００ｒａｍ，弹簧板座距１２３２ｍｍ，在弹簧座处施加工作载倚３００００Ｎ。

３仿真计算结果与分析在ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件中对该驱动桥桥壳完成上述有限元前处理后，分别对结构的强度和振动模态进行仿真求解，求解（ｂ）驱动桥桥壳第２阶振型万方数据

机械设计与制造Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ文章编号：

１００ｌ一３９９７（２０１０）０２－００４４－０２Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ第２期２０１０年２月新型真空油泵转子的静态有限元分析木刘菊蓉－王旭飞１戴俊平１范恒彦２（ｔ陕西理工学院机械工程学院，汉中７２３００３）（２陕西国防工业职业技术学院，西安７１０３０２）ＳｔａｔｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｒｏｔｏｒｏｆａｎｅｗｔｙｐｅｖａｃｕｕｍｏｉＩｐｕｍｐＬＩＵＪｕ－ｒｏｎ９１，ＷＡＮＧＸｕ－ｆｅｉｌ，ＤＡＩＪｕｎ－ｐｉｎ９１，ＦＡＮＨｅｎｇ－ｙａｎ２（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭ．Ｅ．ｏｆＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ７２３００３，Ｃｈｉｎａ）（２ＳｈａａｎｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１０３０２，Ｃｈｉｎａ）中图分类号：

ＴＨｌ２３文献标识码：

Ａ１弓Ｉ言油泵广泛应用于石油、化工、冶金、矿山、发电、热力、城市建设、污水处理、消防设施、集中采暖、农业排灌等行业。

设计一种新型真空抽油泵，采用新型匀速旋转活塞式机构，其接触为面接触，★来稿Ｈ期：

２００９—０４—０５★基会项目：

陕西省霞点实验室重点科研项日（０５ＪＳｌ６），陕两理丁学院科研基金项日（ＳＬＧ０７３４）ｍ…’＇’………ｍ’’ＩⅢ＇’’’＇＇＇’’…，，’…’，，…，’’’．’’ｍ’．，’ｍ’＇’’，’……●＇＇ｍｍ’，＇ｍ……’’’ｍ－＇，ｍｍｍｍ＇’汽车在凹凸不平的路面上行驶时，车辆主要承受非对称的荷载作用，此时易激发驱动桥桥壳结构的异向弯曲模态或者弯曲扭转组合模态，汽车振动系统承受路面作用的激励多属于（Ｏ－５０）Ｈｚ的垂寅振动，砌究的驱动桥桥壳前几阶模态固有频障研珀三【比范围内，因此不会由路面激励引起桥壳的共振，驱动蜊弗铭新虢黔Ｐ比铝冶理。

４结语对汽车驱动桥桥壳的仿真研究表明，通过利用ＣＡＤ软件ＵＧ建立３Ｄ参数化模型进行转化建立汽车零部件的有限元计算模型，在ＣＡＥ软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中进行仿真计算和分析，可降低设计开发成本，减少试验次数，缩短设计开发周期，从而节省设计成本、提高产品质量，使得汽车在轻量化、抗振性、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非常重要的指导作用和实际意义。

参考文献Ｉ陈家瑞．汽车构造［Ｍ］．北京：

人民交通出版社，２００６２刘惟信．汽车车槲魏ｆ［Ｍ］．北京：

清华大学出版社，２００４３羊玢，孙庆洪，王睿等．基于参数化的车辆驱动桥桥壳动态优化设计［Ｊ］．汽车技术，２００５（５）：

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电子工业出．版社，２００４７张琴醣泽ｕＧ相关参数化设计培训教程．北京：

清华大学出版社，２００２图４固有频率的振型图８龚勉翻译．ＵＧ自由形状特征建模剖Ｉｌ教程．北京：

清华大学出版社，２００２万方数据

汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析作者：

作者单位：

陈国荣，唐绍华，CHENGuo-rong，TANGShao-hua陈国荣,CHENGuo-rong（南京工业大学机械与动力工程学院,南京,210009;南京航空航天大学机电学院,南京,210016，唐绍华,TANGShao-hua（南京工业大学机械与动力工程学院,南京,210009机械设计与制造MACHINERYDESIGN&MANUFACTURE2010，（20次刊名：

英文刊名：

年，卷（期：

被引用次数：

参考文献（8条1.陈家瑞汽车构造20062.刘惟信汽车车桥设计20043.羊玢.孙庆鸿.王睿.郑燕萍基于参数化的车辆驱动桥壳动态优化设计[期刊论文]-汽车技术2005（54.郑燕萍汽车驱动桥壳的有限元动态分析[期刊论文]-林业机械与木工设备2004（115.杨锁望矿用汽车驱动桥壳结构分析与动力学仿真20056.小飒工作室最新经典ANSYS及Work-bench教程20047.张琴UG相关参数化设计培训教程20028.龚勉翻UG自由形状特征建模培训教程2002相似文献（8条1.学位论文王斌汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元法分析2007作为汽车的主要承载件和传力件，驱动桥桥壳支撑着汽车的荷重，并将载荷传给车轮。

作用在驱动车轮上的牵引力、制动力和侧向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上。

根据经验和理论研究，引起桥壳破坏的主要原因是作用在桥壳上的、由路面不平度引起的冲击力和各种复杂工况下的作用力。

由于汽车的行驶工况比较复杂，驱动桥桥壳的强度和动态性能直接影响汽车运行安全，合理地设计桥壳也是提高汽车平顺性和舒适性的重要措施之一。

因此，必须对桥壳强度、刚度和动态特性进行力学分析。

本文以有限元法静、动态分析理论为基础，使用有限元软件MSC.Patran/Nastran，对某中型货车的驱动桥壳进行力学性能分析。

完成了从三维几何建模到有限元分析的整个过程，得出桥壳在最大铅垂力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况四种典型工况下的应力分布和变形结果以及在自由状态下的前12阶固有频率和振型。

对某样车后桥壳的有限元分析结果显示，桥壳内的最大Mises应力小于许用应力值，该桥壳满足强度要求；桥壳的每米轮距最大变形量小于国标规定的1.5mm/m，满足刚度要求；计算得到的最低阶固有频率远大于路面激励频率，路面行驶不会引起桥壳共振。

计算结果表明，在汽车各种行驶条件下该桥壳是安全可靠。

针对桥壳的应力分布和变形特点，建议该桥壳适当地减小局部尺寸，以提高材料的利用率，达到轻量化要求。

2.期刊论文黄平辉.余显忠.揭钢.唐思成.万雄飞.HUANGPing-hui.YUXian-zhong.JIEGang.TANGSi-cheng.WANXiong-fei汽车驱动桥桥壳静力学建模与分析-现代制造工程2010（5针对驱动桥桥壳台架试验国家标准中规定的试验工况条件,采用材料力学的方法进行理论分析;利用UG软件建立了某汽车驱动桥桥壳3D几何实体模型,采用有限元分析的方法,在ABAQUS6.8仿真软件中进行有限元仿真分析;并在台架上进行试验测试,求得该驱动桥桥壳的弯曲刚度、垂直静强度,并对分析结果进行对比,其结果误差在10%以内.分析结果表明,该分析方法切实可行,该驱动桥桥壳具有足够的静强度和刚度,满足设计要求.3.学位论文林正祥汽车驱动桥桥壳动力特性分析与疲劳寿命预测2009作为汽车的主要承载件和传力件，驱动桥桥壳支撑着汽车的荷重，并将载荷传给车轮。

作用在驱动车轮上的牵引力、制动力和侧向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上。

根据经验和理论研究，引起桥壳破坏的主要原因是由路面不平度引起的冲击力和交变荷载作用下的疲劳失效。

由于汽车的行驶工况比较复杂，驱动桥桥壳的强度和动态性能直接影响汽车运行安全，合理地设计桥壳也是提高汽车平顺性和舒适性的重要措施之一。

因此，必须对桥壳强度、刚度和动态特性进行力学分析。

本文以有限元法分析理论为基础，使用有限元软件ABAQUS和ANSYSWORKBENCH对某中型货车的驱动桥壳进行动力性能分析和疲劳寿命分析。

完成了从三维几何建模到有限元分析的整个过程。

紧急制动时程分析得出桥壳结构在紧急制动工况下的应力，位移等的时程曲线，以及阻尼和路面滑动附着系数对桥壳承载能力的影响。

在桥壳模态分析的基础之上完成了谐响应分析，确定了可能发生共振危害的危险频段，并提出改进意见。

在考虑过盈装配接触非线性的基础之上进行疲劳寿命分析，得到了当过盈量分别取0.01mm，0.05mm和0.1mm时的疲劳寿命分布图和应力分布图。

对某样车后桥壳的有限元分析结果显示：

紧急制动工况下，桥壳内的最大Mises应力小于许用应力值，该桥壳满足强度要求；计算得到了结构在谐荷载作用下的共振频率和动应力曲线，可为桥壳设计提供参考；当半轴套管处过盈量在0.01mm～0.05mm时，桥壳满足中值寿命不低于80万次，最低寿命不低于50万次，符合标准要求，随着过盈量继续增大，桥壳本体过盈装配处成为主要的疲劳破坏危险点。

根据桥壳分析结果，建议在桥壳设计制造过程中，采用变截面设计方案，桥壳本体处应力较大区域进行加强，而在应力分布较小区域减小厚度，达到材料的合理利用。

过盈量应结合工艺要求，取较小值，以免造成本体疲劳寿命的显著降低。

4.期刊论文朱峥涛.丁成辉.吴浪.蔡志武.曾宇华.ZhuZhengtao.DingChenghui.WuLang.CaiZhiwu.ZengYuhua江铃汽车驱动桥桥壳有限元分析-汽车工程2007,29（10利用Solidworks软件建立一辆江铃汽车驱动桥壳3D模型.基于ANSYSWorkbench协同仿真平台,模拟驱动桥壳台架试验国家标准中规定的试验工况进行有限元分析,求得该车驱动桥3种不同厚度桥壳的弯曲刚度、垂直静强度和疲劳寿命