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1、武汉轻工大学本科毕业设计（论文）基于ANSYS的汽车前轴强度分析和模态分析摘 要前轴是轻型载货汽车前桥的重要部件，汽车前轴的结构设计是否满足汽车安全行驶的要求直接决定了整车的安全性，同时又影响了汽车的动态特性。前桥的两侧安装着从动车轮，并通过悬架与车架相联，工作时，其承受车轮传来的制动力和侧滑扭矩，同时又承受悬架作用的垂直载荷，为确保前桥工作时的可靠性和安全性，因此对前桥的强度，刚度，抗冲击性，疲劳强度及可靠性等方面都提出很高的要求。汽车前轴在承载车身重量的同时，还会受到来自行驶路面、发动机及其他运动部件产生的激振。如果各种激振频率与前轴的某阶固有频率相等时，就会引起共振，影响前轴及其装配零部
2、件的使用寿命。因此在前轴的设计阶段，不仅需要考虑其强度和刚度等静态特性，也要将其动态特性纳入前轴的前期设计体系，与整车同步开发，为提升整车的NVH（噪声、振动、声振粗糙度） 性能提供重要的理论依据。三种工况下强度分析的结果表明，前轴在结构设计上基本符合强度要求，具有较高的安全系数。前轴的模态分析表明，其没有发生振动突变现象，并且没有与行驶路面激励发生共振，此外其前六阶固有频率与人体各器官的固有频率相差较大，不会与人体某些器官发生共振。关键词：轻型载货汽车；前桥；强度；模态分析；建模；有限元分析Strength and modal analysis of front axle based on
3、ANSYS AbstractFront axle is one of important components of the automobile， and the safety and dynamic characteristics of the automobile depend on its intensity。The wheels and tires mount to the front bridge, and the front axle connects with the frame through suspension system. The force and torque f
4、rom the wheels and tires when breaking system is working transmits to the front axle, at the same, the force from the suspension system is applied to the front axle directly. Therefore in order to insure the safety and reliability of the front axle, the intensity, stiffness, anti-impact ability, fat
5、igue life requirement and reliability of the front axle must meet requirements. Not only does it bear the large part of weight of the whole car, it is also affected by the external stimulation from the ground, engine and other moving component. If the coupling condition is achieved between the natur
6、al frequency and external stimulation, it may leads to resonance, fatigue life of the front axle and other assembled component may be affected. So not only should we take the intensity and stiffness of the front axle into consideration, but also the dynamic characteristics of it should be considered
7、 when we begin to design the car. It will provide a theoretical basis for improving the NVH of the car.Obtaining the analysis results under three kinds of load modes, we may conclude that the front axle satisfies the intensity and distortion requirement. The values of the safety factor are also acce
8、pted. The coupling condition between the natural frequency and external stimulation is not likely to happen. There is a big gap between the foregoing six natural frequencies and human resonance frequency.Key words：light truck and vans；front axle；intensity；modal analysis；modeling；finite element analy
9、sis目 录第一章 绪论51.1工程背景51.2前轴的结构综述51.3研究意义61.4有限单元法在汽车前轴设计中的应用71.5研究的主要内容8第二章 前轴有限元建模及网格划分821 前轴的材料特性922 前轴的单元类型923 前轴的实体建模1024 前轴的网格划分11第三章 前轴的载荷分析1231 越过不平路面工况（垂直冲击工况）前轴的载荷分析1332 紧急制动工况前轴的载荷分析1333 侧滑工况前轴的载荷分析13第四章 前轴的有限元强度分析1441 越过不平路面工况（垂直冲击工况）下前轴的有限元强度分析1442 紧急制动工况下前轴的有限元强度分析1543 侧滑工况下前轴的有限元强度分析164
10、4 结论18第五章 前轴的模态分析1851前轴的有限元自由模态计算及结果分析1952 前轴的固有频率分析及结论22第六章 总结与展望2361 全文总结2362 工作展望24参考文献24致谢27第一章 绪论1.1 工程背景从改革开放以来，中国的汽车工业随着国民经济的发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速发展。特别在2001年中国加入WTO以后，全球性的贸易给中国的汽车行业带来巨大的竞争，但同时也带来了新的发展机遇。目前，全球的汽车生产商不仅仅在车型、价格、新技术等方面激烈角逐，同时更加注重产品质量。因此，如何以最低的成本生产出性能最佳，质量最好的汽车产品成为当今我国汽车制造的一大主题。为了争夺市
11、场份额，全世界的汽车制造商对零部件的要求也越来越高，由原来的只从内部配套厂采购的保护政策转变为向全球的零部件制造商进行采购的竞争政策，这种政策的转变给我国现有的规模小，生产效率低，缺乏自主创新能力的汽车零部件生产企业带来巨大的冲击。而且现阶段我国各种能源资源人均占有量相比于国际水平依然很少，为了提高能源资源的利用率，党的历年政府工作报告中就明确的把能源资源的节约与高效利用提上了议事日程，倡导全民共同努力，充分利用和节约现有资源。在这种国际形势下，生产经济、耐用、节约资源的汽车零部件就成为全球各汽车零部件制造商共同追求和奋斗的最终目标。如今全球的汽车工业正处在高速发展阶段，而作为汽车工业的重要配
12、套行业，中国汽车车桥行业自然面临着重要的机遇与挑战。同时现代汽车通过采用各种设计不断追求更高的动力指标、经济指标及舒适性指标，相应会使车桥的机械负荷不断增加，形状也越来越复杂，这对汽车车桥的设计与制造提出了更高的要求。1.2 前轴的结构综述汽车的车桥通过悬架与车架连接，其支承了汽车大部分的重量，并将车轮受到的牵引力或制动力，以及侧向力通过悬架传递给车架。在汽车设计时，为了便于与不同类型的悬架相配合，汽车的车桥分为整体式和非整体式两种。而按车桥的使用功能划分，其又可分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥。而转向桥和支持桥都属于从动桥，其中起主要承载作用的是前梁，又称前轴，在车辆行驶时主要承受弯矩
13、和扭矩的作用。与非独立悬架相配合使用的转向桥前轴多为工字形结构，主要是因为采用工字形断面可以有效的提高前轴的抗弯强度，同时还可以减轻前轴重量，另外在钢板弹簧处向两侧车轮方向逐渐由工字形断面过渡为方形断面，可以提高前轴的扭转刚度，又可以保持其断面强度相等。目前，该种形式的前轴结构主要应用于载重货车。而本文研究的就是轻型载货汽车的整体式前桥，它的前轴就是工字形结构。图1-1 整体式转向桥结构1. 转向节推力轴承 2.转向节 3.调整垫片 4.主销 5.转向梯形臂 6.转向节臂 7.前轴 8.转向横拉杆 9.球销 10.钢板弹簧支座 11.钢板弹簧1.3 研究意义在前轴的初始设计阶段，传统的简化方法
14、对前轴的强度及刚度计算，不可能得到较精确的解析解，甚至可能是错误的解。为得到满足工程要求的数值解，就必须运用最近得到不断完善和快速发展的现代数值模拟技术，其成为现代工程学形成和发展的重要推动力之一。传统的产品设计流程是一个设计者反复进行多次设计的过程。一般首先由工程师借助 CAD 工具进行产品的初始设计，接着提交给工厂进行加工制造，然后对实物产品进行试验，如果产品不能满足各方面功能要求或者失效，就需要工程师对产品的设计进行修改，甚至重新设计，如此不断反复，直至实物产品在实际试验中满足全部功能要求为止。随着有限元分析技术的发展与成熟，利用有限元分析，能够在产品设计之初，就对产品的结构和强度进行比
15、较全面的分析，尤其对于需要进行模具开发的产品，能够显著的提高产品开发的一次成功率，缩短产品的开发周期，提高产品品质，降低开发成本，减少资源浪费，并且可以使产品的结构得到最大的优化，减少零件自身的质量。因此，在汽车初始设计阶段利用有限元分析软件ANSYS进行有限元分析计算具有十分重要的意义和作用。其能够对汽车的结构和各零部件进行比较全面的分析，有效地减少产品的试验周期，降低设计与制造费用，显著减少了产品的开发周期。1.4 有限单元法在汽车前轴设计中的应用现今国外利用有限元法进行汽车的结构分析和计算方面的技术已经相对比较成熟。国外从20世纪60年代中后期开始就十分重视利用有限元法对汽车结构进行辅助
16、分析和计算，为汽车的初始设计提供理论依据，并且在汽车的某些结构件静态分析方面取得了大量的研究成果。到20世纪70年代，人们在汽车结构的分析方面，不仅仅满足于静态特性分析，开始向动态特性分析方面拓展，一般采用一些大型计算程序并逐渐开发专用程序，但是计算量大，计算过程复杂。而国内在汽车有限元法方面的发展主要是在前轴的成型制造方面，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的蒋鹏教授等人利用有限元软件模拟前轴的精密辊锻成型过程，了解了前轴精密辊锻成型机理，掌握变形规律，直接在计算机上检验模具设计和工艺设计的合理性，提高了模具设计质量，缩短产品试制周期，对前轴精密辊锻技术的发展和提高具有重要意义。此外我国设计者还普遍利用有限元
