【導讀】統(tǒng)傳遞給車架和車身。因此，驅(qū)動橋殼的研究對于整車性能的控制是很重要的。的參數(shù)化建模，到ANSYS中有限元模型的建立、邊界條件的施加等研究。應(yīng)工況的應(yīng)力分布及變形情況。從而在保證驅(qū)動橋殼強度、剛度與動態(tài)性能要求的。前提下，為橋殼設(shè)計提出可行的措施和建議。

　　

【正文】 驗評價指標》規(guī)定 ，滿載時 橋殼 每米輪距最大變形限度為 。 因此可以看出，該型橋殼的每米輪距變形量符合國家標準，其彎曲剛度滿足要求。 圖 沖擊載荷局部 mises 應(yīng)力圖 圖 沖擊載荷局部變形圖 最大驅(qū)動力工況 最大牽引力工況下，汽車滿載， 且 發(fā)動機以最大轉(zhuǎn)矩工作。此時主要考慮橋殼湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 26 承受的垂直力和輪胎切向最大牽引力。垂直力大小為： ? ?1 1 . 2 4 0 0 0 9 . 8 2 3 5 2 0 N22v mGF ??? ? ? 其中，汽車以最大驅(qū)動力行駛 時驅(qū)動橋負荷轉(zhuǎn)移系數(shù) m1=。 根據(jù)式（ ）最大驅(qū)動力為： max 1 0eTtrT iiF r ?? = 0 . 6 2 4 5 4 . 7 1 6 . 1 7 1 0 5 2 2 ( N )0 . 4 0 6? ? ? ? 此工況下 約束和載荷 施加情況如圖 所示，載荷通過作用力偏置距離為輪胎半徑的方式加在兩端半軸套管上，約束 兩端 鋼板彈簧座： 圖 最大驅(qū)動力工況 約束載荷圖 橋殼的 mises 應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大驅(qū)動力工況 mises 應(yīng)力圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 27 圖 最大驅(qū)動力工況變形圖 最大牽引力工況下，危險區(qū)域出 現(xiàn)在鋼板彈簧座附近。見圖 ，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在鋼板彈簧座外側(cè)尖角處，其值為 。針對這種 “ 危險 ” 情況的出現(xiàn)，下面作進一步的分析。在 數(shù)值上，可以通過在應(yīng)力奇異點附近的區(qū)域選取一個合理點，得到其大致的真實最大應(yīng)力值。如圖 ，真實最大應(yīng)力值為 。 橋殼的許用彎曲應(yīng)力為 300～ 500MPa， 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為 150～ 400MPa， 可鍛鑄鐵橋殼取小值，鋼板沖壓焊接橋殼取大值。 因此，滿足材料許用應(yīng)力值的要求。 并且，這個局部應(yīng)力集中危險點的產(chǎn)生是由于模型中出現(xiàn)尖角所致，不 是橋殼實際情況的 體現(xiàn)，從而并不會影響橋殼 實際的 正常工作。 對于這種個別點的應(yīng)力奇異，在有限元分析 中 可以通過 “ 不選擇該區(qū)域 ” 的方式，消除應(yīng)力奇異帶來的不良影響。 如圖 所示，最大變形量出現(xiàn)在半軸套管的法蘭盤上，其值為 。其次，半軸套管最外端變形量也較大。前者的出現(xiàn)是因為法蘭盤徑向尺寸較大，造成線位移比較大，但這并不是分析所要研究的主要參數(shù)。后者是因為載荷和約束作用引起的，其每米變形量 ， 顯然小于 ，因此符合要求。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 28 圖 最大驅(qū)動力工況局部 mises 應(yīng)力圖 圖 最大驅(qū)動力工況局部變形圖 最大制動力工況 最大制動力工況下，驅(qū)動橋殼主要承受垂直方向力和切向最大制動力。此工況下邊界條件施加情況類似于前面的最大驅(qū)動力工況，載荷通過作用力偏置距離為輪胎半徑的方式加在兩端半軸套管上（ 與 切向力方向相反），約束鋼板彈簧座。 單側(cè)車輪垂直方向上的作用力為： 2 0 . 7 4 0 0 0 9 . 8 1 3 7 2 0 ( N )22v mGF ??? ? ? 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 29 根據(jù)式（ ），切向最大制動力為： 2 0 . 7 4 0 0 0 9 . 8 0 . 8 1 0 9 7 6 ( N )22Xb mGF ? ??? ? ? ? ? 約束和載荷 的施加如圖所示 ： 圖 最大制動力工況 約束載荷圖 橋殼的 mises 應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大制動力工況應(yīng)力圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 30 圖 最大制動力工況變形圖 最大制動力工況在應(yīng)力分布以及變形情況上，與前面所述的最大驅(qū)動力工況比較類似。應(yīng)力較大區(qū)域也出現(xiàn)在鋼板彈簧座附近，最大值為 。 針對這種“ 危險 ” 情況的出現(xiàn)，下面作進一步的分析。在 數(shù)值上，可以通過在應(yīng)力奇異點附近的區(qū)域選取一個合理點，得到其大致的真實最大應(yīng)力值。如圖 ，真實最大應(yīng)力值為 ，滿足材料許用應(yīng)力值 。 此處的 應(yīng)力奇異 也是模 型中鋼板彈簧座尖角所造成，實際情況中應(yīng)力值會更小。半軸套管法蘭盤處最大變形量為 ，每米變形量 為 ,小于國家標準 ,滿足設(shè)計要求 。 圖 最大 制 動力工況局部 mises 應(yīng)力圖 最大側(cè)向力工況 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 31 最大側(cè)向力工況下，汽車處于側(cè)滑臨界工況，驅(qū)動橋的全部載荷由側(cè)滑方向一側(cè)的車輪承擔。單側(cè)車輪承受所有載荷，包括垂直方向上后軸載重和最大 側(cè) 向力。橋殼的這種極度危險狀況在實際中應(yīng)避免發(fā)生，但是在理論上作為一種極限工況，有其分析的價值 [19]。 此工況下 約束和載荷 施加情況 如圖 所示，載荷通過作用力偏置距離為輪胎半徑的方式加在側(cè)滑端半軸套管上（水平方向為沿 X 軸的橫向力），仍然約束鋼板彈簧座。 單側(cè)承載車輪所承受的垂直方向的力為： 4000 39200( N )vFG? ? ? ? 根據(jù)式（ ），最大側(cè)向力為： 39。 3 9 2 0 0 1 .0 3 9 2 0 0 ( N )YFG ?? ? ? ? 圖 最大側(cè)向力工況邊界條件 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 32 橋殼的應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大側(cè)向力工況應(yīng)力圖 圖 最大側(cè)向力工況變形圖 由上圖可知，最大側(cè)向力工況下的最大應(yīng) 力發(fā)生在半軸套管臺階與法蘭盤兩端附近，最大值為 ， 小于許用應(yīng)力值 490MPa[19]。之所以會出現(xiàn)這樣情況的應(yīng)力分布，是因為模型在半軸套管臺階與法蘭盤處相對較厚，從而產(chǎn)生一個過渡狀態(tài)，引起其附近區(qū)域的應(yīng)力變大。最大變形出現(xiàn)在側(cè)滑端半軸套管的端部，其值湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 33 為 ， 每米輪距變形量為 ，符合 。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 34 4 驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析 汽車在行駛過程中，驅(qū)動橋殼既是承載件又是傳力件，主要承受路面不平度和輪胎 不平度所產(chǎn)生的激勵。因此研究驅(qū)動橋殼是驅(qū)動橋設(shè)計的重要研究項目，也是研究汽車傳動系振動、噪聲控制和故障診斷的基礎(chǔ)。模態(tài)是振動系統(tǒng)特性的一種表征，它實為構(gòu)成各種工程結(jié)構(gòu)復雜振動的那些最簡單基本的振動形態(tài)。模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種方法，通過它可以得到固有頻率和振型等系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。固有頻率表明在哪幾階頻率下會產(chǎn)生振動，固有振型則表明在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對變形，它們是進行各項動力分析的前提和基礎(chǔ)，為振動系統(tǒng)設(shè)計以及故障診斷提供了依據(jù)。模態(tài)分析的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個方面： 1） 評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特 性 通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)參數(shù)，從而評價結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否符合要求，并檢驗理論計算結(jié)果的準確性。 2） 在新產(chǎn)品設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估計及優(yōu)化設(shè)計 3） 診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障 4） 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲 結(jié)構(gòu)振動時，各階模態(tài)對噪聲所產(chǎn)生的影響并不相同，通過調(diào)整或抑制對噪聲影響較大的 “ 優(yōu)勢模態(tài) ” ，便可達到降低噪聲的目的。 5） 識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的載荷 模態(tài)分析理論 橋殼的實際構(gòu)件是一個自由度無限多的系統(tǒng)。在模態(tài)分析中，將其看成是質(zhì)點、剛體及阻尼器構(gòu)成的系統(tǒng)，并將其離散成無限多個相互 彈性連接的剛體。因此，橋殼就由無限多自由度系統(tǒng)變成有限多自由度系統(tǒng)。其運動微分方程為： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?M U C U K U F t? ? ? （ ） 式中： ??M 、 ??C 、 ??K 分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣， ??U? 、 ??U? 、 ??U 分湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 35 別為振動 加速度、速度和位移列陣； F??t 為外載荷列陣。 對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析時，要求解的是機體的固有頻率和振型參數(shù)，固有頻率和外載荷無關(guān)，結(jié)構(gòu)阻尼對固有頻率影響很小。因此，研究固有頻率于振型時，可以不考慮外載荷與阻尼，此時得到無阻尼自由振動的運動方程為： ? ?? ? ? ?? ? 0K U M U?? （ ） 若結(jié)構(gòu)作如下簡諧運動： ? ?? ? ? ?t c o s t 0U ???? （ ） 式中， ? 為圓頻率， ??? 為特征向量，將（ ）代入（ ），可得： ? ? ? ?? ?? ?2 0KM???? 或： ? ?? ? ? ?? ?KM? ? ?? （ ） 稱式（ ）為廣義特征方程， ? 為特征值， 2??? 。在自由振動時，結(jié)構(gòu)中各節(jié)點的振幅 ??? 不可能全為零，因而式（ ）必有其系數(shù)行列式為零。由此得結(jié)構(gòu)的頻率方程為： ? ? ? ?KM?? （ ） 如果有 n 個節(jié)點，則式（ ）可以展開為： 1 1 1 1 1 2 1 2 1 12 1 2 1 2 2 2 2 2 21 1 2 20nnnnn n n n n n n nk m k m k mk m k m k mk m k m k m? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 若結(jié)構(gòu)剛度矩陣 ??K 和質(zhì)量剛度矩陣 ??M 都是 n 階方陣，則式（ ）是 ? 的 n 次代數(shù)方程。由 此可解得 n 個廣義特征值 i? （ i=1， 2， 3， … ， n） ,從而可求得 n 個固有圓頻率 i? ，由式（ ）可以確定 n 個節(jié)點振幅構(gòu)成的一個列向量，工程上稱為振型，其振幅構(gòu)成固定的形狀，絕對值可以任意改變。 建立模態(tài)分析有限元模型 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 36 本課題所進行的模態(tài)分析，沿襲的是前面靜力分析的有限元模型，所以其單元類型和單元數(shù)并不發(fā)生變化。橋殼結(jié)構(gòu)雖然左右對稱，但是模態(tài)分析是分析整個結(jié)構(gòu)的特性，因此模態(tài)分析的模型應(yīng)該是完整橋殼的模型。而 不能取其一半進行分析，否則就破壞了理論模態(tài)分析的真實性。其模型圖如下： 圖 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析網(wǎng)格模型 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 在典型的模態(tài)分析中唯一有效的 “ 載荷 ” 是零位 移約束，如果在某個 DOF 處指定了非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束在該 DOF 處的位置。載荷可以加在實體模型上或加在有限元模型上。在計算自由模態(tài)時，不加約束與力。這種自由狀態(tài)必然導致計算結(jié)果出現(xiàn)剛體模態(tài)：三個位移模態(tài)，三個轉(zhuǎn)動模態(tài)。位移模態(tài)由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量決定，轉(zhuǎn)動模態(tài)由三個轉(zhuǎn)動慣量決定。剛體模態(tài)對應(yīng)的固有頻率為零?？紤]到驅(qū)動橋殼 在實際工作狀態(tài)中是受到約束的，所以本課 題在下面的模態(tài)分析中，對驅(qū)動橋殼也進行了約束模態(tài)的分析 ， 并且在不同的約束情況下對驅(qū)動橋殼頻率的影響比較。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 37 自由模態(tài)分析 自由模態(tài)分析在有限元網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，不添加任何約束和載荷力進行分析。各階模態(tài)頻率值如下圖 所示： 圖 自由模態(tài)分析頻率柱狀圖 自由模態(tài)的綜合信息如下表 所示： 表 自由模態(tài)分析綜合信息表 模態(tài)階數(shù) 1 2 3 4 5 6 頻率值（ Hz） 0 0 0 最大位移（ m） 最小位移（ m） 模態(tài)階數(shù) 7 8 9 10 11 12 頻率值（ Hz） 最大位移（ m） 最小 位移（ m） 自由模態(tài)分析各階 模態(tài) 所對應(yīng)的振型圖如下所示： 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 38 圖 自由模態(tài)第一階單側(cè)橋殼斜向擺動振型圖 圖 自由模態(tài)第六階單側(cè)橋殼上下擺動振型圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 39 圖 自由模態(tài)第七階垂直 Y 軸 U 形彎曲振型圖 圖 自由模態(tài)第八階垂直 Z 軸 U 形彎曲振型圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 40 圖 自由模態(tài)第九階垂直 Z 軸 S 形扭 轉(zhuǎn)振型圖 圖