斯太尔重卡驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元分析

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1、1斯太尔重卡驱动桥桥壳斯太尔重卡驱动桥桥壳结构强度结构强度与模态的有限元分析与模态的有限元分析马腾飞 安徽理工大学机械工程学院 安徽淮南 232001摘要 汽车驱动桥壳是车辆中重要的安全部件。论文以某重型货车后驱动桥壳为研究对象，运用 三维软件 CATIA 建模；运用 ANSYS 软件开展了桥壳在各种工况下的静力学分析，分析结果表明，桥 壳的强度和刚度满足设计要求；运用 ANSYS 软件对桥壳开展了模态分析，分析结果表明桥壳的结构 设计合理。上述静力分析和模态分析的结果可以为新产品的开发和结构优化设计提供重要的参考依据。 关键词 驱动桥壳 CATIA ANSYS 静力分析 模态分析 Struc

2、tural Strength and Modal Analysis of Heavy Truck Driving Axle Housing Tengfei Ma School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and TechnologyAbstract The automobile drive axle housing is an important safety component in vehicle. The 3D model of the drive axle housing is established i

3、n the CATIA，Based on the actual use conditions for a heavy truck drive axle housing, this paper used finite element analysis software ANSYS to analyze the strength, stiffness and modal of the axle housing, which results show that the design of the axle housing is rational. These results of static an

4、alysis and modal analysis can provide some references for the development of new products and the structure optimization design in the future.Key words drive axle housing CATIA ANSYS Static analysis Modal analysis 0 0引言引言随着中国经济高速发展，汽车工业迈 进了新的发展时代，重型载货车的需求量 不断增大，对重型汽车的性能要求也愈来 越高。汽车驱动桥壳是其主要承载构件之 一，其主要

5、功用是支撑汽车重量，并经悬 架传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方 向作用力及其力矩，同时它又是主减速器、 差速器、半轴等的装配基体。根据汽车设 计理论，驱动桥壳的设计应满足应力和变 形要求，局部应力集中不应该导致桥壳的 断裂或塑性变形。为保证车桥工作的可靠 性和安全性，对其进行应力和变形分析具 有非常重要的意义。为了提高强度、刚度 和可靠度等指标，目前大量采用现代设计 方法，运用有限单元法对驱动桥壳进行计 算、分析与优化。1 1 驱动桥壳受力分析驱动桥壳受力分析图 1 为某重型货车后驱动桥壳的三维 模型。建模时，根据桥壳的受载情况，在 满足计算精度的前提下，可以简化或者省 略有些细节，如不

6、考虑焊接处材料性质的 变化、忽略不重要的小尺寸和小孔结构、 桥壳的材料为均质材料且各向同性等。利 用 CATIA 建立简化的几何模型如图 1 所示。图 1 某重型货车后驱动桥壳三维模型在实际的运动过程中，不同的运动状 态对桥壳的受力情况影响很大。主要对桥 壳的 4 种工况进行分析，分别是 2.5 倍冲击2载荷工况、最大牵引力工况、最大制动力 工况和最大侧向力工况。该后桥额定载荷 按 10T 来计算。1.1 冲击载荷行驶工况汽车在不平路面上高速行驶时，后桥壳 除承受静载荷外，还承受附加的冲击载荷。 图2是桥壳在冲击载荷时受力分析简图。此 时，后桥壳垂向载荷通常取满载静载荷的 2.5 倍，即kGF

7、FZZi420式中：G2 为汽车满载静载荷；K为动载荷 系数，对载货汽车取2.5。图 2 冲击载荷时受力分析简图1.2 最大牵引力行驶工况 汽车以最大牵引力行驶时，后驱动桥 壳的受力分析如图3所示。此时，后桥内、 外车轮所承受的垂向负荷分别为4220mGFFZZi式中，m2 为行驶时的车桥负荷转移系 数，对于牵引车取1，地面对外驱动车轮的 最大切向反作用力Fx 为rE xri iTF401式中：TE 为发动机最大转矩，单位Nm，i1 为变速器挡速比，i0 为主减速器速比，rr 为轮胎滚动半径，为传动系 效率（由发动机至轮边） 。 由最大切向反作用力Fx 产生一个绕轮 胎中心线方向的转矩T 为r

8、xrFT 图 3 最大牵引力时受力分析简图1.3 紧急制动行驶工况 汽车紧急制动时，可不考虑侧向力。 图 4为紧急制动时后驱动桥壳的受力分析 简图。图中后桥内、外车轮所承受的垂向 负荷FZi、FZo 分别为420mGFFZZi式中：m为汽车紧急制动时的质量转移系 数，取1.2。 另外，水平方向的纵向力Fx 为42mGFx式中：为轮胎与地面的纵向附着系数， 计算时取=0.8。 同时，由水平方向的纵向力Fx 而产生 一个绕桥壳中心线的力矩T，其大小为rxrFT 图 4 紧急制动时受力分析简图1.4 最大侧向力行驶工况当汽车所承受的侧向力达到地面作用 于轮胎的侧向反作用力的最大值（即附着 力）时，汽

9、车处于侧滑的临界状态，侧向 力一旦超过侧向附着力，汽车则侧滑。汽 车向右侧滑时的受力分析如图5。图中， Fyi、Fyo 分别表示地面对后驱动桥内、外驱 动车轮的侧向反作用力，FZi、FZo 分别表 示侧滑时内、外驱动车轮的支撑反力。图5 侧滑时时受力示意图当汽车处于侧滑状态时，汽车向右侧 滑时的受力分析如图6。此时，地面给后桥 内、外驱动车轮所承受的垂向力FZi、FZo 分别为30iZF2210GFZ式中：G2 为汽车满载静止于水平路面时后 驱动桥的载荷。上述地面给内、外驱动车 轮的侧向反作用力Fyi、Fyo 分别为NFFZiyi01100ZyFF式中：1 为地面的侧向附着系数，取 0.6。

10、作用在右侧车轮上的侧向力会使桥壳 产生一个绕前进方向的转矩T，其大小为ryrFT02 2 驱动桥壳强度分析驱动桥壳强度分析2.1 约束及加载 文中桥壳所用的材料铸钢 ZG35Mn， 屈服强度极限是 345Mpa,拉伸强度极限是 570Mpa，许用应力值 345Mpa。半轴套管 的材料是合金钢 40MnB，许用应力值是 785Mpa。根据汽车行驶时的各工况状态对 模型进行约束，如表 1 所示。表 1 各工况下桥壳的约束条件工况约束条件最大垂向力约束左钢板弹簧座处 X、Z 方向的平动和Y 向的旋转，右钢板弹簧座处 X、Y、Z 方向的平动和 Y 向的旋转。最大牵引力约束桥壳两端半轴套管安装内外轴承位

11、置处 X、Z 方向的位移以及约束桥壳中间对称截面处节点 Y 方向的位移。最大制动力约束桥壳一端的半轴套管上内外轮毂轴承外圆面处 X、Y、Z 方向的平动，另一端内外轮毂轴承外圆面处 Y、Z 方向的平动，桥壳中央加强圈面上的 Z 方向的位移。最大侧向力约束左钢板弹簧座处 X、Y 和 Z 方向的平动，右钢板弹簧座处 X、Z 方向的平动。针对各种工况对桥壳进行垂直力、纵 向力及力矩的加载，如表 2 所示。表表 2 各工况下桥壳的加载方式各工况下桥壳的加载方式工况施加载荷最大垂向力在两侧车轮轮距处各节点施加垂直向上的垂直载荷。最大牵引力桥壳两侧的钢板弹簧座上施加垂向载荷和切向载荷，在两侧钢板弹簧座间施加

12、转矩。最大制动力桥壳左右两侧钢板弹簧座上施加垂向载荷和卡车行驶方向相同的切向力，在两侧钢板弹簧座之间作用大小相等，方向相反的力矩。最大侧向力侧滑方向一侧轮轮距处各节点施加垂直向上的垂直载荷和水平方向的侧向力。2.2 等效应力及应变云图各个工况下的等效应力和应变云图如 图6图9所示。a. 等效应力云图b. 应变云图 图 6 最大垂向力工况下等效应力和位移云图a. 等效应力云图b. 应变云图图7 最大牵引力工况下等效应力和位移云图a. 等效应力云图4b. 应变云图图8 最大制动力工况下等效应力和位移云图a. 等效应力云图b. 应变云图图9 最大侧向力工况下等效应力和位移云图2.3 结果分析 桥壳各

13、个工况下的等效应力和应变的 分析结果见表3表3 各工况下等效应力和应变工况最大等效应力/MPa最大应变/mm最大垂向力262.730.786最大牵引力270.681.434最大制动力222.890.436最大侧向力621.883.133由表3可知，桥壳在最大牵引力工况下 等效应力最大，发生在左右两边轮毂轴管 处，值为621.88MPa，小于材料的许用应 力785Mpa；同时形变也最大，值为 2.633mm，每米轮距变形量为 2.633/1.860=1.42mm/m，满足国家标准规 定满载轴荷时每米最大变形不超过1.5mm的 要求。因此4种工况下该桥壳的强度和刚度 均满足要求。3 3 驱动桥壳的

14、模态分析驱动桥壳的模态分析模态分析是获得结构固有频率和振型， 研究结构振动特性的一种方法。本节通过 模态分析提取整个桥壳在前6阶的固有频率 和模态振型等参数。根据需要，提取结构的前6阶固有频率，前6阶模态振型如图 10图16所示。图10 第1阶模态振型图11 第2阶模态振型图12 第3阶模态振型图13 第4阶模态振型图14 第5阶模态振型图15 第6阶模态振型桥壳后六阶模态的固有频率和振型如 表4所示。阶数固有频率/Hz振型特征1838.79一阶侧向弯曲2940.66一阶垂向弯曲31045二阶垂向弯曲541101.1二阶水平弯曲51137.7二阶侧向弯曲61201.5一阶扭曲变形汽车在正常行驶

15、时,其振动系统主要承 受频率为050 Hz的路面激振。由分析结 果可知,该桥壳自1阶至6阶的各阶模态的固 有频率都大于50Hz,因此该桥壳不会发生共 振现象,由此说明该桥壳的结构设计合理。4 4 结论结论综上所述，由静力分析可知，桥壳的 最大应力小于材料的屈服极限，满足强度 要求。桥壳的最大变形量未超过国家标准 规定满载轴荷时每米最大变形1.5mm的要求， 满足刚度要求。由模态分析可知，桥壳各 阶模态的固有频率都大于路面激励频率， 不会发生桥壳共振现象，因此桥壳的结构 设计合理。 利用 CATIA 建立某重型载重货车驱动 桥壳简化三维模型，导入 ANSYS 软件建立 其有限元模型。通过对桥壳的

16、静力分析和 模态分析，可大大降低设计开发成本，具 有较强的指导作用和经济价值。参考文献1 刘惟信.汽车车桥设计M.北京:清华大学出版社,2004:332-335. 2张安鹏,霍有朝.CATIA V5 基础培训标准教程M.机械工业出版社,2010:66-713黄靖龙,缪协兴,罗善明.重载货车驱动桥壳有限元分析J. 机械设计与研究,2010,34(7):9-15.4詹东安,范云霄.汽车驱动桥壳三维实体建模和有限元分析5 X.X. Chen, J.Z. Xing and Y.K. Wang: ANSYS Analysis Examples and Engineering Application (Machinery industry press, China, 2012), P. 45-55 (In Chinese).6 C.H. Zhang: ANSYS12.0 structure analysis examples of e