【文章內(nèi)容簡介】 ）（ LL hPGZ ga max2 212 ?? （ 24） 式中： Ga — 汽車滿載靜止于水平地面時(shí)給地面的總載荷； hg— 汽車質(zhì)心高度； 而作用在左右驅(qū)動(dòng)車輪上的轉(zhuǎn)矩所引起的地面對驅(qū)動(dòng)車輪的最大切向反作用力（即汽車驅(qū)動(dòng)力）為： riiTPrTge ?0maxmax? （ 25） 11 式中： Temax — 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩， m?N ； ig1— 變速器一檔傳動(dòng)比； i0 — 驅(qū)動(dòng)橋的主減速比； ?T— 傳動(dòng)系 的傳動(dòng)效率； rr — 驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑； 最大制動(dòng)力工況 汽車緊急制動(dòng)時(shí)的受力情況如下圖所示： 圖 汽車緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡圖 則 ）（ agL hLGZ ga 212 12 ? （ 26） 式中： g— 重力加 速度， m/s2 a— 制動(dòng)加速度， m/s2 因 ?GGaag ?a，故制動(dòng)加速度 a 為 a=g? （ 27） 其中 ? 表示制動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng)汽車以最大的強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，該值取地面的附著系數(shù)，一般 取 . 由上面兩式，可求得橋殼的垂向力和縱向力。 最大側(cè)向力工況 汽車在滿載、高速轉(zhuǎn)彎等工況中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于汽車質(zhì)心處的相當(dāng)大的離心力。汽車也會(huì)由于其他原因承受側(cè)向力。當(dāng)汽車所承受的側(cè)向力達(dá)到地面給車輪的側(cè)向反作用力的最大值時(shí)，汽車處于臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，則汽車將產(chǎn)生側(cè)滑。 12 下圖為汽車向右側(cè)滑時(shí)的受力簡圖，根據(jù)該圖可求出驅(qū)動(dòng)橋側(cè)滑時(shí)左右地面對驅(qū)動(dòng)車輪的支承反力和側(cè)向力。 圖 27 汽車向右側(cè)滑時(shí)的受力簡圖 當(dāng)汽車側(cè)滑發(fā)生在側(cè)翻之前時(shí)汽車所受到的側(cè)向力為 ?122 GP? (28) 其中， ?1取地面的最大側(cè)向力系數(shù)。 則左右車輪的支承反力為 )21( 122 BhGZ gl ??? (29) )21( 12r2 BhGZ g??? (210) 當(dāng)汽車側(cè)翻發(fā)生在側(cè)滑之前時(shí) ,地面對左側(cè)車輪的支撐力為零，則 ： 02 2l2 ??? BHYGZ gy (211) 其中， Yy為地面對車輪的側(cè)向力。通過力學(xué)的平衡方程，可以求得鋼板彈簧座的垂向力。 本章小結(jié) 本章主要對橋殼的構(gòu)造、類型、材料等進(jìn)行了簡要介紹，并且分析了驅(qū)動(dòng)橋殼在最大垂向力、最大牽引力、最大制動(dòng)力、最大側(cè)向力等四種典型工況下的受力情況，為下章對橋殼的有限元模型施加載荷和約束提供了參考。 13 3 驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型與有限元模型的建立 驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型的建立 建立驅(qū)動(dòng)橋殼的幾何模型包含兩個(gè)方面的工作，一是根據(jù) CAD 圖紙建立三維模型；二是根據(jù)分析的需要對三維模型進(jìn)行簡化，以便于有限元分析的進(jìn)行。 本文中研究的驅(qū)動(dòng)橋殼及汽車的部分參數(shù)如下： 表 汽車及驅(qū)動(dòng)橋殼的部分參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù) 汽車整備質(zhì)量 6430kg 汽車總質(zhì)量 17510kg 軸距 4300mm 后輪距 前軸載荷系數(shù)（空載） 48% 后軸載荷系數(shù)（空載 52% 前軸載荷系數(shù)（滿載） 30% 后軸載荷系數(shù)（滿載） 70% 輪胎 （直徑 1125mm） 主減速比 后板簧中心距 1030mm 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 （ 2100r/min） 發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩 （ 1300r/min） 汽車最高行駛速度 80km/h 變速器傳動(dòng)比 i1= i2= i3= i4= i5= i6=1 橋殼自重 橋殼型式 整體沖焊式 驅(qū)動(dòng)橋殼的 CAD 結(jié)構(gòu)如圖： 14 圖 驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)圖 根據(jù) CAD 結(jié)構(gòu)圖，在 CATIA 中建立驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型。 首先，作出橋殼本體部分的草圖： 圖 驅(qū)動(dòng)橋殼本體部分二維草圖 由于驅(qū)動(dòng)橋殼是對稱結(jié)構(gòu)，故可以先做出一半模型，最后使用鏡像命令，驅(qū)動(dòng)橋殼的一半模型為： 15 圖 驅(qū)動(dòng)橋殼一半模型 上圖中，橋殼本體的厚度為 15mm。半軸套管變截面的臺階結(jié)構(gòu)用 于安裝兩對圓錐滾子軸承，本文中貨車的輪距為 ，則左右半軸套管上距中間平面 處為兩對軸承的中間位置。 為了便于在有限元分析中對橋殼劃分模型劃分網(wǎng)格和定義材料屬性，驅(qū)動(dòng)橋殼模型采用裝配設(shè)計(jì)，將鋼板彈簧座和驅(qū)動(dòng)橋殼本體裝配在一起。鋼板彈簧座與驅(qū)動(dòng)橋殼本體間采用焊接的方式連接，傳力方式相當(dāng)于剛性連接。 最終得到的驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型如下圖： 圖 驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型 由上圖可以看到，所建立的驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型是 經(jīng)過簡化處理的。對橋殼模型進(jìn)行簡化，一方面，可以減小建模的難度，另一方面也有利于對橋殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)省計(jì)算資源。同時(shí)，對橋殼上的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，對于最終的有限元分析結(jié)果的影響較小，仍然可以認(rèn)為簡化模型的有限元分析結(jié)果比較接近于實(shí)際情況 [16]。驅(qū)動(dòng)橋殼的的簡化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1）省去了放油口、加油口、固定油管、橋殼中部的開口槽、板簧座的中心孔等幾何結(jié)構(gòu)。 （ 2）省去了橋殼后端蓋。 （ 3）忽略主減速器對于橋殼的支承作用。 （ 4）忽略半軸套管處軸徑的細(xì) 微變化，忽略臺階，簡化成一段直徑相同的軸套。 對三維模型進(jìn)行檢查，確認(rèn)無誤后將其保存為 CATIA 的裝配圖格式。 16 有限元分析方法 有限元分析簡介 有限元分析 是利用數(shù)學(xué)近似的的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的的元素（即單元），用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。 對于不同問題，有限元 方法的 求解步驟 基本 是相同的，有限元 方法 求解問題的基本步驟通常為： 前處理：前處理包括建立有限元模型，輸入材料特性，施加邊界條件和載荷，以及檢查有限元模型等步驟 。 求解：求解過程在求解器中進(jìn)行，求解器能夠解答線性和非線性的、靜態(tài)的、動(dòng)態(tài)的、屈曲、熱傳導(dǎo)和勢位能等分析問題。 后處理：后處理包括輸出位移和應(yīng)力云圖，根據(jù)各種失效準(zhǔn)則，諸如允許的最大偏移、材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)來比較有限元分析結(jié)果。 有限元分析方法的進(jìn)步誕生了新興的跨專業(yè)和跨行業(yè)的學(xué)科。作為一種新近發(fā)展起來的數(shù)值模擬分析技術(shù)， CAE 越來越受到工程技術(shù)人員的重視和青睞。 CAE 技術(shù)的引進(jìn)，使企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)過程產(chǎn)生了重大變化，下面兩幅框圖就說明了 CAE 技術(shù)的引進(jìn)對企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)流程產(chǎn)生的影響 [17]。 17 圖 傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖 從圖中可以看出，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中充斥著大量重新設(shè)計(jì)的可能性。在樣品的測試實(shí)驗(yàn)階段，甚至是產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)之后，如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不合格，就要重新對產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，根源在于缺乏對詳細(xì)設(shè)計(jì)得到的產(chǎn)品方案進(jìn)行模擬仿真和評估的工具。這導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)過程趨于盲目性和經(jīng)驗(yàn)性。如果有這樣一種分析工具，可以在試制樣品之前就對詳細(xì)設(shè)計(jì)得到的產(chǎn)品方案進(jìn)行仿真模擬，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)問題，就能有效地消除設(shè)計(jì)中的盲目性， 基本上能夠在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中就擬定最終的比較可靠的產(chǎn)品方案。 CAE 技術(shù)的引入就使得這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。 18 圖 引入 CAE 后產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖 CAE 的重要性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1） CAE 本身就可以看作成一種實(shí)驗(yàn)。數(shù)值模擬在某種意義上比理論和試驗(yàn)對問題的認(rèn)識更為深刻。 （ 2） CAE 可以直觀地顯示目前還不易觀測到的，說不清楚的一些現(xiàn)象。 （ 3） CAE 促進(jìn)了試驗(yàn)的發(fā)展，對試驗(yàn)方案的科學(xué)制定、實(shí)驗(yàn)過程中測點(diǎn)的最佳位置、儀表量程等的確定提供了更 可靠的理論指導(dǎo)。 （ 4）一次投資，長期受益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用 CAE 技術(shù)后，開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)成本的比例，從 80%— 90%下降到 8%— 12%。 有限元分析在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 CAE 作為一項(xiàng)跨學(xué)科跨行業(yè)的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來越受到科技界和工程界的重視，在汽車工業(yè)研究中的應(yīng)用也越來越廣泛。運(yùn)用 CAE 技術(shù)，新產(chǎn)品開發(fā)涉及到的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)問題，可較好地在設(shè)計(jì)階段解決，這樣就可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省大量開發(fā)費(fèi)用。 CAE 分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體 力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、被動(dòng)安全、工藝、整機(jī)和整車性能等方方面面。概括起來，目前汽車開發(fā)過程中的 CAE 分析主要包括以下幾個(gè)方面 [18]： （ 1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析體現(xiàn)在：一，在汽車設(shè)計(jì)中對所有的結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析；二，在汽車結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，計(jì)算 19 出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以真實(shí)地描繪出各部件的動(dòng)態(tài)過程；三，在靜力分析和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在保證使用要求的同時(shí)減少材料使用，降低產(chǎn)品成本。有限元 分析在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實(shí)踐證明其可以從根本上提高車身設(shè)計(jì)水平，并降低研制成本。 （ 2） NVH 的有限元分析。 CAE 分析有助于分析汽車各個(gè)系統(tǒng)和部件的振動(dòng)特性，在汽車設(shè)計(jì)過程中，消除可能出現(xiàn)的振動(dòng)耦合現(xiàn)象，從而提高整車的振動(dòng)和噪聲控制水平。 （ 3）碰撞與安全性分析。對建立的整車有限元模型進(jìn)行整車碰撞的模擬仿真，得到碰撞后車身的變形結(jié)果和碰撞過程中模型的能量與速度變化曲線。從而可以直觀地掌握了汽車在碰撞過程中速度、變形和能量等參數(shù)的變化情況。 ANSYS 簡介 ANSYS 軟件是美國 ANSYS 公司 研制的大型通用有限元分析（ FEA）軟件，它是世界范圍內(nèi)增長最快的 CAE 軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱，聲、流體以及電磁場等學(xué)科的研究。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航天航空、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)藥、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 ANSYS 功能強(qiáng)大，主要可以進(jìn)行下列分析 [19]： （ 1）結(jié)構(gòu)分析。包括靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、特征屈曲分析及專項(xiàng)分析。 （ 2） ANSYS 熱分析。熱分析的類型包括相變、內(nèi)熱源、熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。 （ 3） ANSYS 電磁分析。磁場分析的類型包括靜磁場分析、交變磁場分析、瞬態(tài)磁場分析、電場分析、高頻電磁場分析等。 （ 4） ANSYS 流體分析。流場分析的類型包括 CFD、聲學(xué)分析、容器內(nèi)流場分析、流體動(dòng)力學(xué)耦合分析。 （ 5） ANSYS 耦合場分析，主要考慮兩個(gè)和多個(gè)物理場之間的相互作用，例如，在壓電力分析中，需要同時(shí)求解電壓分布（電場分析）和應(yīng)變（結(jié)構(gòu)分析）。 20 圖 經(jīng)典界面 ANSYS 分析過程主要包括三個(gè)步驟：前處理、加載并求解、后處理。 ANSYS 中建立橋殼的有限元模型 有限元模型的建立