基于Solidworks的十三吨后桥壳强度分析研究.doc

1、目录 1目录 12论文摘要 23前言 34现阶段桥壳设计方法 45目前国内开发现状 46有限元模型的建立 56.1桥壳三维实体的建立 56.2.Ansys有限元分析网格的划分 57.力学分析 67.1驱动桥壳强度传统化力学分析计算 6711桥壳参数化的基本内容 7712相关劲力加载及分析 77.2.ansys有限元分析 87.21相关网格划分及分析 97.22分析结论 98.国外部分车桥的国产化应用实例 108.1桥壳改进基求 118.2改进实例及应用 128.3改进结果实践分析 129.总结 1310 .参考文献 1411 鸣谢 15基于solidworks的十三吨后桥壳强度分析研究 论文摘

2、要 后桥是汽车传动系的最后一个总成，处十动力传动系的末端。其基本功用就是在承受载荷的同时，将发动机输出的扭矩最后传递到驱动轮，以达到车辆行驶的目的。作为驱动兀件装配基体的桥壳，在车辆行驶过程中需承受多种载荷的作用，其性能直接影响汽车的安全性和可靠性，是车辆中极为重要的安全件和功能件。由十制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的。疲劳作为一种破坏模式，是这些微裂纹的扩展和汇合，形成的宏观裂纹进一步扩展会导致最后的破坏。为了避免事故和减少损失，人们一直在研究提高构件的抗疲劳能力措施、探索更精确的寿命估算方法。Abstract Rear axle is the last general

3、 assembly of car transmission. It is locates at the end of the automobile transmission parameters. The basic usage of rear axle is that it is bearing the load when engine output the tensional moment, then send it to drive wheel, aiming at driving. Driving elements basic axle housing will affect thec

4、ars security and reliability. It is the important safety critical component andfunctional part. Because the disadvantage of the making progress, the small microcracks always exact. Fatigue as a failure mode, is the extension and confluence offailure mode. Macroscopic crack will destroy it at last. I

5、n order to avoid accidentand decrease loss, people always research the methods of measures on improving he fatigue strength, exploration of more exact of life.前言 车辆桥壳的功用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定；同从动桥一起支承车架及其上的各总成重量；汽车行驶时，承受由车轮传来的路面反作用力和力矩，并经悬架传给车架。对于大吨位车辆来说，气驱动桥一般见于后桥 。驱动桥壳应有足够的强度和刚度，质量小，并

6、便于主减速器的拆装和调整。由于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难，故其结构型式在满足使用要求的前提下，要尽可能便于制造。 驱动桥壳可分为整体式桥壳和分段式桥壳两类。整体式桥壳具有较大的强度和刚度，多为冲压件或部分冲压件焊接而成，相比于铸件有较高的强度且不易损坏，其力学性能要大于铸件，便于主减速器的装配、调整和维修，因此普遍应用于各类汽车上。 现阶段桥壳设计方法 目前，车辆驱动桥壳的设计大多还是图解法，这种设计计算量大且很复杂，精度不高。应用计算机的可视化技术和参数化造型和建模能力，在车辆的设计阶段进行三维实体建模（本设计用solidworks软件建立3d参数化模型），并利用有限元分析方法进行满

7、载荷静力学分析，从而提高车辆驱动桥壳结构的设计水平，减少实际试验研究费用和时间，提高设计效率。 桥壳作为汽车上的主要承载构件之一，应对其应力和变形进行分析。由于其形状复杂，而汽车的行驶条件如道路状况、气候条件及车辆的运动状态等又是千变万化的，采用传统的工程力学计算力一法难以准确求出在各种工况下的应力分布和大小，因此需要利用有限元力一法，3倍满载轴荷下的垂直弯曲强度和刚度计算，并进行模态分析和参数化结构优化，进行分析。下而采用工程有限元分析软件ANSYS对载重车驱动桥桥壳的应力场和位移场，验证设计的合理性以及为设计改进提供依据。桥壳设计常采用的计算载荷工况有五种:（1）满载;（2）冲击载荷作用;

8、（3）最大牵引力行驶;（4）紧急制动;（5）最大侧向力。对于具体设计过程则有以下几种情况：(1)参数化建模：包括建立构件的实体模型，建立设计变量，并施加约束和载荷等； (2)满载荷静力学分析：确定桥壳每米轮距变形量和最大许可应力值； (3)结构模态分析：确定不同设计变量下的结构固有频率及振型，并与试验值比较； (4)参数化优化设计：在指定优化目标、定义约束和定义变量之后，计算出最优结果。 目前国内开发现状：我国汽车后桥制造企业的开发模式主要由测绘、引进、自主开发二种组成。我国汽车零部件企业技术创新能力不足，大中型企业普遍存在技术引进经费占技术开发经费的比例较高的问题。即使花费了高额费用，购入的

9、往往也只有使用权，并无知识产权，或引进了产权，也没有引进知识。多数后桥企业对引进的技术只停留在消化阶段，尤其对软件消化吸收的速度很慢，对引进的硬件设备只停留在使用上。这样长期注重硬件引进看轻软件引进，重引进技术轻消化吸收和创新，是导致引进、落后、再引进恶性循环的根源，目前，关于后桥强度的研究较多。一般是利用力学分析方法，计算危险截面的强度和刚度。随着计算机的普及和发展，有限兀方法也越来越多的应用到汽车后桥的性能分析中的研究者用ALGOLFES对转向驱动桥进行静强度分析，用后桥危险截面的应力值进行强度校核;有的研究者利用ANSYS对后桥进行强度刚度分析，综合考虑各种工况，给出后桥的应力分布;还有

10、的研究者对后桥进行强迫振动分析。目前，关十后桥疲劳寿命的研究，有的研究者基于Miner线性累积损伤理论对其进行疲劳可靠性分析计算;有的研究者结合试验所测载荷谱，估算后桥寿命;有的研究者利用有限兀方法对后桥寿命进行分析。有限元模型的建立：1.桥壳三维实体的建立一般来说，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。这一般包括几何建模、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）、定义单元类型，网格划分、添加约束与载荷等。由于汽车零部件结构形状较为复杂，包含许多复杂曲面，而一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，针对较复

11、杂的结构，可以先在三维CAD软件（如在solidworks中）建立几何模型，然后在有限元分析软件ANSYS中通过输入接口读入实体模型，最后在ANSYS中完成其分析过程。2.Ansys有限元分析网格的划分根据桥壳实际结构特征，在solidworks中建立其实际模型，并导入到Ansys中作为有限元计算的简化模型，如图1。图1该模型略去了钢板弹簧紧固用U型螺栓对桥壳下半圆周的约束作用，忽略了桥壳后盖和半轴套管等部件。在ANSYS下对其进行网格划分，划分网格时选用具有较高的刚度及计算精度的四面体10节点92号单元，这样将该零件划分为60183个节点，29805个单元，如图2所示。该单元能较好地描述桥壳

12、的儿何形状，计算的位移及应力又有较高的精度。计算时，假定荷载通过钢板弹簧座均匀地传递到桥壳。对于前四种工况，约束加在每侧车轮中心线附近，模拟两端简支支承。最大侧向力工况时，约束加在侧翻一侧的车轮中心线附近，支承为固定支承。上述约束处理会使安装轮毅轴承附近的应力与实际情况有所差别，但不会,影响桥壳其已部位的应力分布。图2该车桥板簧间距为0.95m，桥壳材料为16MnL， 弹性模量为206GPa，泊松比为0.30。力学分析一、驱动桥壳强度传统化力学分析计算： 可将桥壳视为一空心横梁，两端经轮毂轴承支撑于车轮上，在钢板弹簧座处桥壳承受汽车的簧上载荷，而沿左右轮胎中心线，地面给轮胎以反力（双胎时则沿双

13、胎中心），桥壳承受此力与车轮重力之差，受力如图1所示。图3图3 驱动桥壳的受力简图 桥壳强度计算可简化成三种典型的工况，只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在汽车行驶条件下是可靠的。 1)牵引力或制动力最大时，桥壳钢板弹簧座处危险断面的弯曲应力和扭转切应力分别为： 式中：MV地面对车轮垂直反力在桥壳板簧座处断面引起的垂直平面的弯矩，；（b为轮胎中心平面到板簧座之间的横向距离）MH 牵引力或制动力（一侧车轮上的）在水平面内引起的弯矩，；TT牵引或制动时，上述危险断面所受转矩，；WV, WH, WT 分别为危险断面垂直平面和水平面弯曲的抗弯截面系数及抗扭截面系数. 2)当侧向

14、力最大时，外轮和内轮上的垂直反力和FZ20，以及桥壳内、外板簧座处断面的弯曲应力、之间的关系，分别为：； 3)当汽车通过不平路面时，危险断面的弯曲应力为： 式中k为动载荷系数。对于轿车，k取1.75；对于货车，k取2.0；对于越野车，k取2.5。 桥壳的许用弯曲应力为300MPa500MPa，许用扭转切应力为150MPa400MPa。可锻铸铁桥壳取较小值，钢板冲压焊接桥壳取较大值。 上述桥壳强度的传统计算方法，只能算出某一断面的应力平均值，而不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。因此，它仅用于对桥壳强度的验算，或用作与其他车型的桥壳强度进行比较，而不能用于计算桥壳上某点（例如应力集中点）的

15、真实应力值。使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析，只要计算模型简化得当，受力约束处理合理，就可以得到比较详细的应力与变形的分布情况，这些都是上述传统计算方法所难以办到的。二、桥壳参数化的基本内容1.设计目标以冲击载荷工况为例，由于桥壳在 承受最大铅垂力时，危险断面出现在钢板弹簧座附近，因此以桥壳的轮距(方断面长、圆断面长)和断面(高度、厚度)为参数化设计目标。此时的弯曲应力为(1)式中，G是汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷;B是驱动车轮轮距;s 是驱动桥壳上两钢板弹簧座中心 间的距离;kd是动载荷系数，对载货汽车取2.5;Wv是桥壳在危险断面处的垂向弯曲截面系数，弹簧板弹簧座附近的断面

16、形状及截面系数三.ansys有限元分析1.对于汽车桥壳来说，其主要失效是满载荷冲击造成的，根据国家标准在2.5倍满载荷冲击条件下对其进行有限元分析计算，在本文中采用3倍满载荷。所用材料为16MNL（参照陕汽集团标准），密度7850图4 3.0倍满载荷条件下位移云图2.分析结果：在有限元模型中，驱动桥壳在3.0倍满载轴荷工况下，应力及位移云图分别如图4、图5所示，最大位移为0.207E+11m，最大应力为2185MPa，出现在半轴套管约束处。在不考虑由于约束影响造成的局部过大应力的情况下，应力较大值分布在钢板弹簧座的两侧及桥壳中心壳体附近，约为207MPa，远小于材料的许用应力510MPa610

17、MPa。所以，该桥壳是符合结构强度要求的。图5 3.0倍满载荷条件下应力云图四国外部分车桥的国产化应用实例：重汽公司引进的斯太尔91系列重型汽车，所使用的13t后桥壳是由钢板冲压焊接制成,斯太尔后桥壳结构如下图所示，13t级的桥壳中段为14mm的St52钢板，国产化为16mm的16Mn钢板，热压成上下两半部分，用自动埋弧焊将上下两部分焊接成一整体，构成桥壳中段。桥壳中段和后盖在专机上Cot自动焊接，手工电弧焊将弹簧垫板、弹簧压板和连接板焊接在桥壳中段上，用电子束焊接两端轴头和固定环，构成后桥壳总成。斯太尔后桥壳有13t级和16t级两种，一般汽车用的是13t级后桥壳。桥壳改进基本要求（国内生产应

18、用实例）驱动桥是汽车传动系统中主要总成之一。驱动桥的改进设计是否合理直接关系到汽车使用性能的好坏。因此，设计及改进应当满足如下基本要求: 1.选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。 2.外形尺寸要小，保证有必要的离地间隙。 3.齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。 4.在各种转速和载荷下具有高的传动效率。 5.在保证足够的强度、刚度条件下，质量应尽量小，以改善汽车平顺性。 6.与悬架导向机构运动协调，对十转向驱动桥，还应与转向机构运动相协调。 7.结构简单，加工工艺性好，制造容易，拆装、调整方便。 8.设计中应尽量满足“二化”。即产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化。、斯太

19、尔后桥壳国产化相关缺陷改进实例由于我国在引进时其本来设计的缺陷，国产化时采用16MNL冲压而成，其静刚度和静强度都现不足，陕汽集团根据多年生产经验及售后服务反应情况对其相关缺陷提出以下解决方案。1).对使用工况较差，长轴距的汽车，在目前13t级后桥壳未作改进的情况下，可暂用16t级后桥壳代替13t级后桥壳使用，但整车重量增加，且强度提高有限，这只是权宜之计。 2).采用淬火强化工艺，提高桥壳材料强度。台架试验和实际使用表明，效果较好，是一个较好的解决方案。虽然目前热处理有一定困难，但只需少量投人，作适当的生产准备，是可以克服的。3).改进桥壳的局部结构:如图7所示，桥壳改进使用情况（根据桥壳使

20、用情况得出结论）淬火桥壳在使用中证明其良好的力学性能，其可以在恶劣路况下长时间使用，且在生产中能够容易加工，不需要对现有生产线进行改造，但是由于其工艺复杂，大批量生产较难以实现，现多用于特种车辆和工程车辆。3方案使簧垫板和弹簧压板的焊缝位置尽量靠近桥壳中性面，以降低焊趾处的应力。 桥壳牙包与桥管过渡处圆弧加大，如图7虚线所示，使制动凸轮轴支座焊缝远离桥壳下棱边，以避免支座下焊缝焊趾处疲劳断裂，同 综上所述，按第2,3条措施改进，将大幅度提高其强度储备及静刚度，且改动部位和改动件少，不影响整车布置和桥壳的通用性，工艺上也是可行的。总结 本文在SolidWorks环境中实现了后桥壳的三维造型设计，

21、从运行实例可以看出，基于SolidWorks的后桥壳快速设计系统充分利用了SolidWorks的功能模块，实现了后桥壳的快速设计和参数化实体造型，计算决捷、设计方便、绘图准确，大大缩短了设计周期，且由于ansys的应用，对其可以进行更精确，更快速的设计校核，以高工作效率，且ANSYS可以实现传统力学所不能完成的材料整体应力计算分析。另外总结了国内部分车桥生产厂家所生产的车桥及在实践中的改进方案及结果。使我们的设计研究更接近实际。参考文献1.刘惟信.汽车车桥设计.北京:清华大学出版社，2004.2.李微寒主编.汽车现代设计制造.北京:人民交通出版社，1995.3.汽车工程编写组编辑委员会.汽车工

22、程手册设计篇(第1版).北京:人民交通出版社，2001.4.周立.我国汽车零部件工业发展战略选择及政策措施.吉林:汽车工业研究，2000.5.5.张龙飞.CD1058车桥制动跑偏原理分析与改进方法(四川大学工程硕士论文).2004.6.杨波，罗金桥.基于ANSYS汽车驱动桥壳的有限元分析7.杨朝会，王丰元，马浩.基于有限元方法的载货汽车驱动桥壳分析8.农业装备与车辆工程，2006,(10):19一21.9.王望予.汽车设计(第4版)M.北京:机械工业出版社，200410.陈家瑞.汽车构造(第2版)M.北京:机械工业出版社，2005.11.谭继锦.汽车有限元法M北京:人民交通出版社，2005.鸣谢 本文是在我的指导师的悉心指导和关怀下完成，胡老师严谨的治学之风和踏实的工作态度给我留下了深刻的印象，他渊博的理论知识和丰富的实践经验保证了我论文方向的始终正确，并使我的科研水平得到了进一步的提高，这些都将让我终身受益。在此，我表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 当然，还要感谢父母多年的养育之恩，感谢家人们给予我莫大的支持和理解。他们始终是我的最忠实的支持者和最坚强的后屑。 最后，我还要感谢所有关心、帮助、支持我的同学、朋友和亲人! .