【導(dǎo)讀】驅(qū)動(dòng)橋殼支承汽車重量，并將載荷傳給車輪。其設(shè)計(jì)的成功與否決定著車輛的。動(dòng)力性、平順性、經(jīng)濟(jì)性等多方面的設(shè)計(jì)要求。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)橋殼也是提高汽車平順性的重要措施。驅(qū)動(dòng)橋的總體方案確定和半軸的設(shè)計(jì)校核；橋殼模型的簡(jiǎn)化和Pro/E建模；運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)橋殼進(jìn)行多工況分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。限元分析的整個(gè)過程，并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核。

　　

【正文】 承承受力最大的情況是發(fā)生在汽 車側(cè)滑 23 時(shí)，所以輪軸（即半軸套管）也是在汽車滿載側(cè)滑時(shí)承受最大的彎矩及應(yīng)力 ， 如圖 所示 。半軸套管的危險(xiǎn)斷面位于輪轂內(nèi)軸承的里端處，該處彎矩為： mNlSlbaSM RR ?????? 0 8 4 5 3 6)( 12 （ ） 式中： l —— 為輪轂內(nèi)軸承支承中心至該軸承內(nèi)端支承面間的距離 mm11 。 圖 汽車向右側(cè)滑時(shí)驅(qū)動(dòng)橋殼所受垂直力及彎矩 彎曲應(yīng)力 M P aDdDMw 26 6. 72 3610)1(3233443 ?????? ?? （ ） 剪切應(yīng)力 M P adDS R )901 2 6(1 9 4 2 1 7)(4 22222 ????? ?? （ ） M P aw 22 ???? ??? （ ） 半軸套管處的應(yīng)力均不超過 MPa490 ，滿足使用要求。 經(jīng)過計(jì)算 得知 各種 工況 下校核 結(jié)果 均滿足橋殼的許用彎曲應(yīng)力 300~500MPa，許用扭轉(zhuǎn) 應(yīng)力 150~400 MPa，所以驅(qū)動(dòng)橋殼 滿足 各種種條件下使用 度要求 。 [2] 本章小結(jié) 本章選擇了整體驅(qū)動(dòng)橋橋殼，并 參考劉惟信版汽車設(shè)計(jì) 進(jìn)行了橋殼的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算。在靜彎曲應(yīng)力下，不同路面沖擊載荷作用下和汽車以最大牽引力行駛時(shí)及汽車緊急制動(dòng)時(shí)的 四 種情況下橋殼受力和強(qiáng)度進(jìn)行了校核，滿足設(shè)計(jì)要求。 24 第 5 章 驅(qū)動(dòng)橋橋殼幾何模型的建立 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，幾 何模型的好壞直接決定著有限元模型的優(yōu)劣乃至分析工作的進(jìn)展程度。另外，在保證模型正確及幾何元素相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，也要提高建模效率，能簡(jiǎn)化的盡量簡(jiǎn)化，以達(dá)到事半功倍的效果。 ： 1985 年， PTC 公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。 1988 年， 的 Pro/ENGINEER 誕生了。經(jīng)過 10 余年的發(fā)展， Pro/ENGINEER 已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ENGINEER 。 PTC 的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的 多項(xiàng) 功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等 。 Pro/ENGINEER 還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。 幾何模型的簡(jiǎn)化 幾何模型是有限元分析模型的基礎(chǔ)，我們?cè)诳紤]幾何模型的簡(jiǎn)化問題時(shí)，既要考慮到幾何模型建立的特點(diǎn)，也要考慮有限元模型建立的特點(diǎn)。 有限元模型是進(jìn)行有限元分析的最終模型，它既要如實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)特征和重要力學(xué)特征，又要采用盡量少的單元和簡(jiǎn)單的單元類型，以較少的時(shí)間和運(yùn)算量，保證較高的計(jì)算精度。本次所建有限元模型為實(shí)體模型，模型要能反映危 險(xiǎn)部位具體結(jié)構(gòu)對(duì)橋殼應(yīng)力的影響，因此有限元模型要盡量保留原結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。但為了減少有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)約機(jī)時(shí)、避免不必要的浪費(fèi)，需要 把 非危險(xiǎn)部位的細(xì)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 簡(jiǎn)化原則： 在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下 ， 盡量減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量以減少計(jì)算量；保持總體結(jié)構(gòu)不變；保留危險(xiǎn)部位的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。 簡(jiǎn)化方法： （ 1） 略去不必要的圓角； （ 2） 略去工藝結(jié)構(gòu)； （ 3） 忽略細(xì)節(jié)特征，如倒角，不重要區(qū)域的小孔及小尺寸細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)等； （ 4） 簡(jiǎn)化非危險(xiǎn)區(qū)域的小尺寸細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)橋殼的簡(jiǎn)化 25 本文以新型驅(qū)動(dòng)橋殼為例，應(yīng)用 Pro/E 軟件建立該驅(qū)動(dòng)橋殼的幾何模型。根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)形式和工作特點(diǎn)，擬對(duì)該橋殼模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化： （ 1） 忽略掉加油口、放油口、固定油管和導(dǎo)線的金屬卡、橋殼中部的開口槽、板簧座處的中心孔等幾何特征； （ 2） 假設(shè)輪轂軸管（半軸套管）和驅(qū)動(dòng)橋殼是一體的，它與驅(qū)動(dòng)橋殼是剛性聯(lián)接而不是裝配的； （ 3） 簡(jiǎn)化了受力小而又引起截面突變的部分，如忽略了輪轂軸管的臺(tái)階及臺(tái)階處的過渡倒角和圓角，將半軸套管視為兩段等直徑的套管，忽略掉橋殼兩端軸承座處的臺(tái)階； （ 4） 將一些不等厚度的結(jié)構(gòu)假設(shè)為等厚度的，以便于中截面的定位； （ 5） 省略 橋殼后蓋及主減速器對(duì)橋殼剛度的影響； （ 6） 略去通氣孔 擋 油罩、加油螺 栓 、放油螺 栓 以及各處螺紋孔。 [13] 驅(qū)動(dòng)橋橋殼幾何模型的建立 由于本文擬采用實(shí)體單元生成驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元模型，所以，建立幾何模型時(shí)直接采用實(shí)體來建立橋殼的幾何模型。 圖中詳細(xì)尺寸請(qǐng)查閱橋殼的零件圖。 以下簡(jiǎn)要介紹橋殼建模的創(chuàng)建步驟： （ 1） 打開 Pro/E 軟件，建立一個(gè)新的 .part 模型文件， Pro/E 中默認(rèn)的單位為 mm； （ 2） 使用旋轉(zhuǎn)工具先完成橋殼兩端法蘭盤端； 其中 d=90mm， D=126mm 來源于 17頁的橋殼設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)度來源于所 選車型的軸距，建立過程如圖 。 圖 旋轉(zhuǎn)過程圖 26 （ 3） 利用 Pro/E 軟件中的拉伸功能對(duì)橋殼的主 減速器殼 體部分進(jìn)行繪制 ，此過程的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來源于所選車型的主減速器的外廓尺寸，建立過程如圖 。 圖 旋轉(zhuǎn)過程示意圖 （ 4） 利用拉伸減材料對(duì)主體進(jìn)行減材料處理 過程如圖 。 圖 拉伸減材料過程 （ 5） 旋轉(zhuǎn)減材料處理 ，如圖 。 27 圖 旋轉(zhuǎn)減材料過程 （ 6） 新建面并使用拉伸命令及鏡像工具 進(jìn) 行最后的繪制 ， 完成圖如 圖 。 圖 生成的橋殼基本模型 （ 7） 保存文件。 并導(dǎo)入 ANSYS 中的模型如 圖 。 圖 ANSYS 模型圖 本章小結(jié) 本章 先對(duì)橋殼模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理 ， 以保證 既要如實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)特征和重要力學(xué)特征，又采用盡量少的單元和簡(jiǎn)單的單元類型 ， 參考 了 相關(guān) Pro/E 教材對(duì)模型進(jìn)行了繪制 。 并成功導(dǎo)入 ，為以后的分析校核作了充分準(zhǔn)備。 28 第 6 章 驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析 本章將利用前面所建立的驅(qū)動(dòng)橋橋殼的有限元模型及各項(xiàng)汽車參數(shù)，應(yīng)用 ANSYS軟件對(duì)它進(jìn)行多工況的靜力強(qiáng)度分析，通過有限元仿真計(jì)算，研究驅(qū)動(dòng)橋橋殼 的結(jié)構(gòu)性能。 驅(qū)動(dòng)橋殼的靜力分析 驅(qū)動(dòng)橋橋殼靜力分析的典型工況 驅(qū)動(dòng)橋橋殼在車輛行駛中的受力狀況比較復(fù)雜，承受的力主要有垂向力、切向力（牽引力和制動(dòng)力）和側(cè)向力，這里我們簡(jiǎn)化為以下四種典型的工況進(jìn)行計(jì)算： （ 1）橋殼承受最大垂向力工況 此工況為汽車滿載并通過不平路面，受沖擊載荷的工況，這時(shí)不考慮側(cè)向力和切向力。此時(shí)的橋殼猶如一個(gè)空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支承于車輪上，在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷，而沿左、右輪胎的中心線，地面給輪胎以反力 2G /2（雙胎時(shí)則沿雙胎的中心），橋殼則承受此力與車輪重力 wg 的差值，既 )2( 2wgG ?。 ?????? ??? wRR gGZZ 22 （ ） 式中， LZ ， RZ 分別為施加在左右鋼板彈簧座上的載荷， 2G 為汽車滿載靜止于水平路面時(shí) 驅(qū)動(dòng) 橋 給地面的載荷為 72471N。 wg =700N。故根據(jù)公式（ ）可得LZ = RZ = ?????? ?700272471 =。 （ 2）橋殼承受最大牽引力工況 此工況為汽車滿載以最大牽引力作直線行駛時(shí)的工況，不考慮側(cè)向力，設(shè)地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋左、右車輪的垂向反作用力為 LZ2 ， RZ2 相等，則 ???????? ????? L hPL LGZZ gaRL m a x122 21 （ ） 式中： Ga—— 汽車滿載靜止于水平地面時(shí)給地面的總載荷， Ga=96971N； hg—— 汽車質(zhì)心的高度， hg=； L—— 為汽車的軸距， L=； 1L —— 重心到前軸的距離， 1L =； maxP —— 驅(qū)動(dòng) 車輪的最大切向反力， maxP = 29 maxeT 為 —— 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 ， maxeT =450N? m。 此時(shí)左右驅(qū)動(dòng)輪除作用有垂向力外，還作用有地面對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪的最大切向反作用力（即牽引力），最大牽引力大小為： rTge r iiTF ?01m a xm a x? （ ） 式中： 1gi 為變速器 Ⅰ 檔傳動(dòng)比為 ； 0i 為驅(qū)動(dòng)橋主減速比為 ； T? 為傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率為 ； r 為驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑為 。 則根據(jù)（ ）和（ ）我們可以知道地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋左、右車輪的垂向反作用力為 LZ = RZ = ?????? ??? 1 0 1 6 9 7 121=， 最大牽引力為 NF 1 0 1 m a x ?????。 （ 3）橋殼承受最大制動(dòng)力工況 此工況為汽車滿載緊急制動(dòng)時(shí)的工況，不考慮側(cè)向力。 設(shè)地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋左、右車輪的垂向反作用力為 LZ2 ， RZ2 相等，則 ???????? ???? aghLLGZZ gaRL 122 21 （ ） 式中 a 為汽車的制動(dòng)加速度， ga ? m/s 汽車緊急制動(dòng)時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)車輪除了作用有垂直反力外，還作用有地面對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪的制動(dòng)力，最大制動(dòng)力大小為： 2/39。2 ?mGF? （ ） 式中， 39。m 為 汽車制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，對(duì)載貨汽車后驅(qū)動(dòng)橋一般取 — ；? 為驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取 — 。 計(jì)算時(shí)兩數(shù)都取 。 則根據(jù)（ ）和（ ）我們可以知道地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋左、右車輪的垂向反作用力為 LZ = RZ = ?????? ???? 6 9 7 121=， 最大動(dòng)力 值為： NF ???? 。 （ 4）橋殼承受最大側(cè)向力工況 當(dāng)汽車滿載、高速急轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用 于質(zhì)心處的很大的離心力。汽車也會(huì)由于其他原因而承受側(cè)向力。當(dāng)汽車所承受的側(cè)向力達(dá)到地面給輪胎的側(cè)向反作用 30 力的最大值即側(cè)向附著力時(shí)，汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，汽車則側(cè)滑。因此汽車驅(qū)動(dòng)橋的側(cè)滑條件為 ： 12222 ?GYYP RL ??? （ ） 式中： P2—— 驅(qū)動(dòng)橋所受的側(cè)向力， N； Y2L、 Y2R—— 地面給左、右驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向反作用力， N； ? —— 輪胎與地面間的側(cè)向附著系數(shù)，計(jì)算是取 ?? . 2G —— 汽車滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷， 2G =96971N。 根據(jù)汽車發(fā)生側(cè)滑時(shí)的受力情況，我們可以得出驅(qū)動(dòng)橋側(cè)滑時(shí)左、右驅(qū)動(dòng)車輪的支承反力為： ???????? ??????????? ?????BhGZBhGZgRgL1221222121?? （ ） 當(dāng)它達(dá)到地面給輪胎的側(cè)向 反作用力的最大值即側(cè)向附著力時(shí)，汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，汽車就側(cè)滑。此時(shí)驅(qū)動(dòng)橋的全部載荷有側(cè)滑方向一側(cè)的驅(qū)動(dòng)車輪承擔(dān)，驅(qū)動(dòng)橋承受的側(cè)向力為： 12 ???GP （ ） 式中， P為驅(qū)動(dòng)橋承受的側(cè)向力， N；則將各參數(shù)代入到公式（ ）和（ ）中我們可以求得 左、右驅(qū)動(dòng)車輪的支承反力為： NBhGZ gL 0 0 1)21( 122 ??? ? NBhGZ gR 64739)21( 122 ??? ? 驅(qū)動(dòng)橋承受的側(cè)向力 P=72471? 1=72471 N. 載荷與約束的處理 根據(jù)以上的計(jì)算方法，結(jié)合驅(qū)動(dòng)橋橋殼的參數(shù)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)橋殼在以上四種工況下的受力狀況，將力直接施加到相應(yīng)的位置，約束方式也是直接施加到相應(yīng)的位置的。約束與載荷情況見下 表 [6]。 表 各工況橋殼的約束情況 工況 約束 施加載荷 最大垂向力 約束橋殼兩端輪距處的節(jié)點(diǎn)三個(gè)方向的平動(dòng)，即將橋殼兩端輪距將垂向力施加在兩側(cè)鋼板彈簧座處的平面上。 31 處固定。 沖擊載荷 約束橋殼兩端輪距處的節(jié)點(diǎn)三個(gè)方向的平動(dòng)，即將橋殼兩端輪距處固定。 將垂向力施加在兩側(cè)鋼板彈簧座處的平面上。 最大牽引力 約束兩側(cè)鋼板彈簧座