【正文】 ve the fracture problems. The results show that the driving axle housing has enough static strength and stiffness。汽車工業(yè)的振興能帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又支撐著汽車工業(yè)的振興。面對(duì)汽車 產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，人類在使用汽車工具的同時(shí)也面臨著隨之而來的問題。因此如何采用新技術(shù)、新材料、新工藝降低汽車耗油量，同時(shí)保證其良好的動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性己成為汽車工業(yè)發(fā)展的核心問題車輛輕量化是降低能量消耗，減少排放的最有效措施之一，并且減輕車輛自重還能夠減少原材料的消耗，降低車輛的生產(chǎn)成本。后一種途徑能夠在應(yīng)用現(xiàn)有材料 (主要是鋼材 )、工藝條件基本不變或新工藝技術(shù)易于獲本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 2 得的情況下有效減輕質(zhì)量，因此更具有實(shí)際意義。 驅(qū)動(dòng)橋是汽車中的重要部件，它承受著來自路面和懸架之間的一切力和力矩，是汽車中工作條件最惡劣的總成之一，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成嚴(yán)重的后果。 研究背景 過去我國主要采用對(duì)橋殼樣品進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和整車行駛試驗(yàn)來考核其強(qiáng)度和剛度，有時(shí)采用橋殼上貼應(yīng)變片的電測方法，讓汽車在選定的典型路段上滿載行駛，以測定橋殼的應(yīng)力；但這些方法都是在有橋殼樣品的情況下才能 采用。這一方面造成局部材料強(qiáng)度余量較大而又無法及早判斷出材料浪費(fèi)程度的情況；另一方面對(duì)車輛實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的局部強(qiáng)度不足的闖題，只能采取“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的局部加強(qiáng)方案，而且需要進(jìn)行多次全面的實(shí)車試驗(yàn)才能確定其有效性。有限元設(shè)計(jì)方法是迄今為止國內(nèi)、外使用最為普遍、最為經(jīng)濟(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 3 有效的輔助手段，它所包括的有限元輔助設(shè)計(jì)、有限元輔助分析等一系列內(nèi)容，可極大地減少資源投入、縮短工作周期，而且在工作者認(rèn)真 細(xì)致的工作作風(fēng)下，可保證較高的準(zhǔn)確性和與實(shí)際情況十分理想的吻合程度。例如，日本有的公司對(duì)橋殼的設(shè)計(jì)要求是在 倍滿載荷的作用下，各斷面(彈簧座處、橋殼與半軸套管焊接處、輪轂內(nèi)軸承根部圓角處 )的應(yīng)力不應(yīng)超過其材料的屈服極限。 ，提高橋殼抵抗破壞的能力。 課題研究的意義和目的 汽車驅(qū)動(dòng)橋殼 (汽車后橋 ) 是汽車上的主要承載構(gòu)件之一 ,其作用要有 :支撐并保護(hù)主減速器、 差速器和半軸等 ,使左右驅(qū)動(dòng)車輪的軸向相對(duì)位置固定 。合理地設(shè)計(jì)橋殼也是提高汽車平順性和舒適性的重要措施。汽車的行駛狀態(tài)是復(fù)雜的，車橋要經(jīng)受各種復(fù)雜工況所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，這些動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力往往比靜態(tài)應(yīng)力大出很多倍，它們才是導(dǎo)致橋殼破壞的危險(xiǎn)因素。本課題研究的目標(biāo)是通過對(duì)某中型貨車的驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析、模態(tài)分析，校核橋殼結(jié)構(gòu)在多種工況下的應(yīng)力強(qiáng)度和變形剛度，計(jì)算出橋殼的固有頻率和振型，獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性；針對(duì)橋殼強(qiáng)度不足導(dǎo)致易發(fā)生塑性變形，強(qiáng)度儲(chǔ)備較低，應(yīng)力分布不 合理等問題進(jìn)行研究，為完善驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)提供一些數(shù)據(jù)參考。 課題的來源和主要研究內(nèi)容 綜上所述，驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)分析水平對(duì)整車性能具有很大的影響，應(yīng)用有限元法進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及模態(tài)等分析更是當(dāng)今分析方法的必然選擇。 文中利用 UG 軟件建立力學(xué)分析模型，利用基于 ANSYS 軟件的有限元方法對(duì)橋殼進(jìn)行了靜力計(jì)算 (垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算 )和模態(tài)分析 (計(jì)算橋殼的固有頻率及振型 )。 (4)對(duì)橋殼進(jìn)行靜態(tài)分析 (四種典型工況的分析：最大鉛垂力工況、最大牽引力工況、最大制動(dòng)力工況和最大側(cè)向力工況 )和模態(tài)分析 (計(jì)算橋殼的振動(dòng)模態(tài)和固有頻率 )，分析所得的結(jié)果，通過對(duì)比驗(yàn)證建立的有限元模 型的合理性 [2,3]。因此，合理地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼，使其具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動(dòng)態(tài)特性，減少橋殼的質(zhì)量，有利于降低動(dòng)載荷，提高汽車行駛平順性和舒適性。 圖 分段式橋殼是橋殼與主減速器殼鑄成一體，且一般分為兩段由螺栓連成一體。因此，驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動(dòng)態(tài)特性，合理地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼是提高汽車平順性的重要措施。 (2) 外形尺寸要小，保證有必要的離地間隙。 (6) 與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，對(duì)于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，還應(yīng)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)。 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析要求 汽車后橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標(biāo)，汽車后橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析也是 CAE在汽車工程中應(yīng)用的一個(gè)重要方面。 (2) 通過特征值分析可以求得結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)的振型。 汽車后橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) 后橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下三方面： (1) 滿足汽車行駛的平順性和通過性 由于在汽車行駛過程中，驅(qū)動(dòng)橋的受力情況復(fù)雜。對(duì)于很多汽車來說，常常會(huì)遇到坎坷不平的壞路面，特別是越野汽車有時(shí)還要通過無路區(qū)，為了避免驅(qū)動(dòng)橋與地面或其上的凸起物相碰撞而使零件損壞或使汽車受阻，因此，驅(qū)動(dòng)橋中 部安裝減速器處的輪廓尺寸不應(yīng)太大，使之有足夠的離地間隙，以滿足汽車在通過性方面的要求。 (3) 零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化、產(chǎn)品的系列化 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及汽車技術(shù)的提高，驅(qū) 動(dòng)橋的設(shè)計(jì)、制造工藝都日益完善。有限元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種數(shù)值計(jì)算方法。 Courant 等人的 5 組論文探討了早期有限元法的理論，促成了有限元法的誕生。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，有限元法已成為計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程領(lǐng)域里最有效的計(jì)算方法，它幾乎適用于求解所有連續(xù)介質(zhì)和場的問題。 有限元方法的分析過程 有限單元法是將連續(xù)的區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式互相聯(lián)系在一起的單元的組合體。先對(duì)單元特性進(jìn)行分析，然后根據(jù)各單元在節(jié)點(diǎn)處的平衡和協(xié)調(diào)條件建立方程，綜合后作整體分析。 ANSYS 有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。分析計(jì)算模塊包括以下幾個(gè)方面： 1. 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。 ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 6. 電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。 9. 壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC（交流）、 DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。有限元法在汽車設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用有： (1) 結(jié)構(gòu)靜力分析：分析計(jì)算汽車結(jié)構(gòu)與時(shí)間無關(guān)的應(yīng)力分布和變形關(guān)系，這是有限元法在汽車設(shè)計(jì)中最常見的應(yīng)用。 (4) 流場分析：用有限元法求解汽車流體力學(xué)問題，如應(yīng)用于汽車的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算。這樣，可以在較短的時(shí)間內(nèi)，以較少的投資獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品 [14]。有限元法在橋殼設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面： (1) 橋殼垂直彎曲的靜力分析：主要是計(jì)算橋殼的垂直彎曲強(qiáng)度和剛度。 (4) 橋殼隨機(jī)振動(dòng)分析 :在兩側(cè)車輪的垂直方向輸入標(biāo)準(zhǔn)路譜，計(jì)算橋殼關(guān)鍵部位處的功率譜。 表 整備質(zhì)量（ kg） 4850 裝載質(zhì)量（ kg） 5000 最高車速（ km/h） 90 軸距（ mm） 2500 輪距 (mm) 1740 最大功率（ Kw） 117 最大扭矩 (N根據(jù)文獻(xiàn)，垂向動(dòng)載荷取后橋滿載荷的 倍。m； ig1—— 變速器 I 擋傳動(dòng)比； ig0—— 驅(qū)動(dòng)橋的主減速比； ηt—— 傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率； rr—— 驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑。汽車的輪胎規(guī)格： 。 ηt 為 傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率 , 為 。 φ — 驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù) ,計(jì)算時(shí)取 0. 75～ 0. 8,取 0. 8。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 17 第四章 驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型的建立和網(wǎng)格劃分 UG 軟件簡介 幾何模型的建立是整個(gè)有限元分析工作的第一步，也對(duì)以后的所有工作有著至關(guān)重要的作用，而建模的第一步則選用 UG 軟件進(jìn)行三維建模。另外它所提供的二次開發(fā)語言UG/OPen GRIP， UG/open API件具有以下特點(diǎn)： (1) 具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實(shí)現(xiàn)了 CAD/CAE/CAM等各模塊之間的無數(shù)據(jù)交換的自由切換，可實(shí)施并行工程。 (5) 出圖功能強(qiáng)，可十分方便地從三維實(shí)體模型直接生成二維工程圖。 (7) 具有良好的用戶介面，絕大多數(shù)功能都可通過圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)；進(jìn)行對(duì)象操作時(shí)，具有自動(dòng)推理功能；同時(shí)，在每個(gè)操作步驟中，都有相應(yīng)的提示信息，便于用戶做出正確的選擇。 圖 驅(qū)動(dòng)橋橋殼草圖 (2) 通過拉伸命令形成橋殼部分實(shí)體，拉伸距離為 130mm。 圖 做邊倒圓模型 將模型導(dǎo)入 ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分 驅(qū)動(dòng)橋有限元模型的建立 在有限元法中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)被看作是由有限個(gè)單元通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)連接而成的計(jì)算模型。這樣不僅要求每個(gè)單元與對(duì)應(yīng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)之間幾何類型 (即幾何的逼真性 )一致，而且要求單元傳遞力和傳遞運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性 (即力學(xué)特性的逼真性 )相一致。因此，有限元分析的計(jì)算速度和結(jié)果準(zhǔn)確度直接受分析模型與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性符合程度的影響 [18,19]。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因素綜合考慮。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果。如果計(jì)算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下應(yīng)取相對(duì)較多的網(wǎng)格。在熱分析中，若結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯度不大，不需要大量的內(nèi)部單元，這時(shí)可劃分較少的網(wǎng)格。采用疏密不同的，網(wǎng)格劃分，既可以保持計(jì)算精度，又可減少網(wǎng)格數(shù)量。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析 (包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力 )，而計(jì)算固有特性時(shí)，則趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式，這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量 分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。但高階單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元 組成的模型規(guī)模要大得多，因此在使用時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算精度和時(shí)間。劃分網(wǎng)格時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量要達(dá)到某些指標(biāo)要求。 (5)網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)：結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點(diǎn)應(yīng)分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點(diǎn)以便 定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件，即應(yīng)使網(wǎng)格形式滿足邊界條件特點(diǎn)，而不應(yīng)讓邊界條件來適應(yīng)網(wǎng)格形式。否則，單元之間須用多點(diǎn)約束等式或約束單元進(jìn)行約束處理。選用單元類型為 SOLID185 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，它是高階三維 8節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，每個(gè) 節(jié)點(diǎn)具有 3 個(gè)沿 XYZ方向的平移自由度，具有任意空間的各向異性。如以普通碳鋼為代表的塑性材料，以發(fā)生屈服現(xiàn)象、出現(xiàn)塑性變形為失效的標(biāo)志；脆性材料，以鑄鐵為代表的脆性材料，失效現(xiàn)象則是突然斷裂。按照這類假說，無論簡單或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，引起失效的因素是相同的，即造成失效的原因與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，這類假說稱為強(qiáng)度理論。在本次強(qiáng)度分析中選用第四強(qiáng)度理論。 (2) 對(duì)有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析求解， 強(qiáng)度是機(jī)械零件正常工作必須滿足的最基本的要求。在體積強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度中，又可以各自分為靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度。 圖 X 方向位移云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 26 查看 Y 方向位移 , 由圖 可知驅(qū)動(dòng)橋橋殼在 Y 方向的最大位移為。承受 倍滿載荷時(shí)，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。 圖 第一主應(yīng)力云圖 查看 第二主應(yīng)力 分布，由圖 可知 第二主應(yīng)力的 最大應(yīng)力值為 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 30 最大縱向力工況 (1) 由于最大牽引力 =40398N，最大制動(dòng)力 F=21623 N，因而只需要校核最大牽引力的工況。 圖 X 軸方向位移云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 31 查看 Y 軸方向位移如下圖 ，由圖可知驅(qū)動(dòng)橋橋殼在 Y 軸方向的最大位移為 。 圖 第一主應(yīng)力分布云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 33 查看第二主應(yīng)力分布，由圖 可知，第二主應(yīng)力最大值為 290MPa。 結(jié)果優(yōu)化 通過增加橋殼的橫截面尺寸實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，將其增加到 160mm150mm，如下圖 所示： 圖 優(yōu)化后的 UG 模型的橫截面 查看優(yōu)化后的模型 X 軸方向的位移，如下圖 所示，最大位移為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 35 。 圖 等位移力云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 37 查看第一主應(yīng)力云圖，如圖 所示，最大應(yīng)力為 107MPa。 圖 等效應(yīng)力云圖 從以上所有應(yīng)力圖中可以看出最大應(yīng)力為 117MPa，比需用應(yīng)力 400MPa 小，所以滿