（机械制造及其自动化专业论文）轻型货车驱动桥壳结构分析及轻量化设计.pdf

摘要 摘要 驱动桥壳( 后桥壳) 乃载货汽车重要的承载件和传力件，与从动桥壳( 前桥 壳) 一起支撑车架本身和之上各总成的质量。本文所研究的整体式驱动桥桥壳在 载货汽车设计制造领域应用广泛，其不仅支承汽车自身和货物总重量，将载荷传 递给车轮，还承受由驱动车轮传递的牵引力、制动力、侧向力、垂向力的反力以 及反力矩，并经悬架传给车架或车身。在车辆行驶过程中，由于道路条件差异巨 大，驱动桥壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷之影响，可能引起桥壳变形或折 断。故而驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和较好的动态特性，技术人员对驱动 桥壳进行合理地设计显得十分重要。 本文以有限元的静动态分析及轻量化设计理论为基础，综合应用三维建模软 件p r o e 和有限元分析软件a n s y s ，完成了从驱动桥壳三维建模到有限元分析的 全过程，得出了驱动桥壳在四种典型工况下的应力分布、变形结果及自由状态下 的模态参数。通过有限元计算和实验验证，得出桥壳应力满足要求，可以认为它 在各种行驶条件下是可靠的，并且不会引起共振。在此基础上，应用a n s y s 优化 设计模块对桥壳进行轻量化设计，并对优化后的桥壳进行有限元计算。最终的优 化结果表明，桥壳质量在一定程度上有所减少，达到了最初的优化设计目标，最 大等效应力接近许用应力，较大地提高了桥壳材料的利用率，且应力分布更加合 理，从而使设计更加合理，在性质不变的情况下为企业节约了生产材料、降低了 生产成本。 轻量化设计在整个汽车设计领域所带来的低成本、低消耗、低排放符合最优 化设计理念，但传统的经验设计模式和滞后的评价手段使轻量化设计的改进余地 微乎其微。本文所采用的有限元方法在很大程度上缓解了设计者对设计经验的依 赖和对方案可行性的茫然。本文通过融合传统力学计算、实验验证分析和模拟对 比手段所提出的完整且合理的基于f e m 的轻量化设计方法，合理地解决了驱动桥 壳的轻量化设计问题，为其它汽车零部件的轻量化设计也提供了一定借鉴。 本课题为山东大学可持续制造研究中心与山东五征汽车集团合作的校企合作 项目。 关键词：驱动桥壳；有限元；静力分析；模态分析；轻量化 v a b s 下r a c t a b s t r a c t t h ed r i v ea x l eh o u s i n gi st h ei m p o r t a n tc a r r y i n ga n dp a s s i n gc o m p o n e n to ft r u c k i t s u p p o r t st h ew e i g h t so ff r a m ea n da s s e m b l yo ft h ev e h i c l ew i t ht h ef r o n ta x l eh o u s i n g t h ed r i v ea x l eh o u s i n gi nt h i sp a p e ra saw i d e l ya p p l i c a b l ep r o d u c tn o to n l ys u p p o r t s t h ew e i g h t so ft h ev e h i c l ea n dt r a n s f e rl o a d st oc a r t w h e e l sa tt h es a m et i m e ，b u ta l s o w i t h s t a n d st h eo p p o s i t ef o r c eo ft r a c t i v ef o r c e ，b r a k 啦f o r c e ，l a t e r a lf o r c ea n dv e r t i c a l f o r c ea sw e l la st h ec o u n t e r - t o r q u ea c to nt h ew h e e l sa n dt r a n s f e rt ot h ef r a m ea n db o d y t h r o u g hs u s p e n s i o nf o r k m o r e o v e r , b e c u a s eo fp h a n t a s m a g o r i cr o a dc o n d i t i o n s ，t h e a x l eh o u s i n gc o u l dg e td e f o r m e do rb r o k e nu n d e rt h ea f f e c t i o no fs h o c k i n gl o a d sw h i c h g e n e r a t eb e t w e e nw h e e la n dg r o u n d ，t h ed r i v ea x l eh o u s i n gm u s th a v ee n o u g hi n t e n s i t y , r i g i d i t ya n dg o o d d y n a m i cp e r f o r m a n c e f r o mw h a t h a v eb e e ns t a t e da b o v e ，t h e r e a s o n a b l ed e s i g no f d r i v ea x l eh o u s i n gi sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e ri sb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( v z m ) s t a t i ca n dd y n a m i ct h e o r y , t h e 3 dm o d e lo ft h ed r i v ea x l eh o u s i n gi se s t a b l i s h e di nt h ep r o e ，o nt h eb a s i so ft h i s m o d e lt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) i ss i m u l a t e di nc o m p u t e ru n d e rt h e c k c u m s t a n c eo fa n s y st og e tt h er e s u l t so fs t r e s sd i s t r i b u t i o n , d e f o r m a t i o na n dt h e n a t u r a l f r e q u e n c ya n d v i b r a t i o ns h a p eu n d e rt h ef r e ec o n s t r a i n t t h ef e aa n d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h ea x l eh o u s i n gm e e t st h es t r e n g t hd e m a n d ，i ti sr e l i a b l e u n d e ra l lk i n d so fd r i v i n gc o n d i t i o n sa n dc a n tc a u s er e s o n a n c eo ft h eh o u s i n g ，t h e n b a s e do nt h ef e a , t oo p t i m i z et h eh o u s i n gb yu s eo fa n s y s a st h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h ew e i g h to ft h ea x l eh o u s i n gi sr e d u c e da n dt h em a x i m u ms t r e s si nh o u s i n g a p p r o a c h e si t sb r e a k i n gp o 缸w h i c hb o o s tt h eu t i l i z a t i o no ft h em a t e r i a l , a n dt h es t r e s s d i s t r i b u t e sr e a s o n a b l y t h ep a p e ra l s os u m m a r i z er e l e v a n tn o r m sa b o u te s t a b l i s h i n g f e am o d e l sa n dr e l e v a n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nc o n d i t i o n sw h i c hc a nm a k e a n a l y s i s f a s t ，g a i nu s e f u lc o n c l u s i o n s l o w - c o s t ，l o w - c o n s u m p t i o n , l o w - e m i s s i o ni na r e ao fv e h i c l ed e s i g nw h i c hd e p r i v e d f r o ml i g h t w e i g h td e s i g na r ei nc o n f o r m i t yw i t ht h ep r i n c i p l eo fo p t i m i z a t i o nd e s i g n , w h i l et h ei m p r o v e m e n to fl i g h t w e i g h td e s i g nh a sb e e ns od i f f i c u l tb e c a u s eo ft h e t r a d i t i o n a le m p i r i c a ld e s i g np a t t e r na sw e l la sh y s t e r e t i ca s s e s s m e n tm e t h o d s t h e e n g i n e e r sw i l lr e d u c et h e i rd e p e n d e n c eo ne m p i r i c a ld e s i g np a t t e r na n di g n o r a n c ea b o u t p r o j e c t s f e a s i b i l i t yt oag r e a te x t e n ti ff e mw h i c ha p p l i e di nt h i sp a p e ri su s e d v i i 山东大学硕七学位论文 t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o n , e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n da n t i t h e s e sw e r es y n t h e t i c a p p l i e d i nt h i sp a p e rt op u tf o r w a r dac o m p l e t ea n dr a t i o n a ll i g h t w e i g h td e s i g n t h e o r e t i c a ls y s t e mb a s e do nf e m a tt h es a m et i m e ，t h es t a t e dm e t h o dw a su s e dt os o l y e t h el i g h t w e i g h td e s i g no fal i g h tt r u c k sr e a ra x l eh o u s i n gs u c c e s s f u l l y i ti sau n i v e r s a l a n a l y t i c a lm e a n sw h i c hc o u l db ea p p l i e dt oo t h e ra u t op a r t s t l l i ss u b j e c ti sc o o p e r a t e db ys h a n d o n gu n i v e r s i t ys u s t a i n a b l em a n u f a c t u r ec e n t e r a n ds h a n d o n gw u z h e n ga u t o m o t i v eg r o u p k e y w o r d s ：d r i v ea x l eh o u s i n g ；f e m ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d e la n a l y s i s ；l i g h t w e i g h td e s i g n v m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究目的及意义 在载货汽车的构造中，驱动桥壳是其最主要的承载件和传力件之一，驱动桥 壳是一根空心梁，它的作用包括传力，即把车体上的力传给车轮，把车轮上的 力传给悬架、车架；作为主减速器、差速器、半轴的装配基体。制动器底板或 制动钳也固定于其上。因而驱动桥壳应满足如下要求：保护装于其上的传动系 部件和防止泥水侵入；具有足够的强度和使用寿命，质量尽可能小；具有足 够刚度，一般要求最大变形不超过1 5 m m m 轮距，以保证主减速器齿轮正常啮合 和不使半轴承受附加弯曲应力；保证足够的离地间隙；结构工艺性好，成本 低；拆装、调整、保养、维修方便【l 】。根据上述要求，对驱动桥壳进行应力、变 形分析，提高其工作可靠性具有非常重要的意义。然而载货汽车驱动桥壳结构繁 复，并且货车本身行驶条件变化很大，利用传统的经验设计方法不易精确计算驱 动桥壳自身的应力分布及变形大小。但利用有限元方法( f e m ) 对其结构在不同 工况下的受力和变形进行计算和分析可以得到较为准确的分析结果【2 】。本文即采用 f e m 对某型号轻型载货汽车的驱动桥壳进行了轻量化，主要在于减薄其壁厚从而 降低其自身质量。 本文所研究的轻量化设计的任务即是：在最小的构造质量下，达到最大限度 的使用范围。尽可能使得在所有横截面上允许的应力载荷变化不超出设计值，这 也是在弹性力学、弹性热学与应力载荷设计中所面临的一个主要挑战。轻量化设 计通常还受限于所采用的材料参数和允许的变形。车辆的轻量化设计可以达到如 下的经济效益：增加载荷或者提高速度；较低的自重可以达到较低的滚动阻力、 加速阻力和爬坡阻力；总体上会实现较低的能耗。一辆汽车减重1 0 0 k g ，每百公里 燃油消耗平均减少0 5 l ，二氧化碳排放减少1 2 9 k m l 3 1 。 在载货汽车轻量化设计中，底盘轻量化至为关键，而作为主要支承载货汽车 重量的驱动桥壳，其自身的轻量化又是底盘轻量化的重中之重。轻量化的所有努 力都在于将设计的自重降低到最低值，同时也必须考虑到所受到的约束，即不能 妨碍到功能、安全与耐用性。目前主要采用的轻量化方法有：实现先进的构造； 山东大学硕士学位论文 采用更轻和强度更高的材料：新的制造技术；通过高水平的分析方法如有限元法、 边界元法分析掌握应力载荷与不稳定的情形。而实现这些原则须采用特定的设计 战略，主要包括形状轻量化一通过轻量化驱动的设计原则、适当的型材几何形状 与单一的力传递路径来实现；材料轻量化一采用性能参数尽可能高的、更轻的材 料替代体积质量比较大的材料；制造轻量化一充分利用所有的技术潜能，实现在 最少的材料使用和最少的连接点下的单一件功能集成【3 1 。在现实条件下，仍然使用 钢材或铸铁，但对结构型式进行优化，在保证承载能力和舒适性的前提下减轻质 量( 即形状轻量化) 更具有实际意义。一般情况下，非断开式驱动桥和轮毂、制 动器及制动鼓的总质量，约占普通载货汽车底盘质量的1 1 1 6 ( 大值属于带双 级减速的驱动桥) ，约占车辆总质量的3 5 5 ，对于重型货车而言，其所占比例 更大。而普通的非断开式驱动桥的质量在很大程度上取决于桥壳的结构，因此， 减少驱动桥壳的质量是载货汽车轻量化的重要途径之一。与此同时，通过减小驱 动桥壳质量，也减小了非簧载质量，使车身振动频率降低，而车轮振动频率升高， 对减少共振和改善汽车的平顺性是有利的 4 j 。 本课题研究的根本意义在致力于解决企业设计生产过程中的实际问题，为企 业对其产品的设计、制造、检验和优化提供参考和借鉴，从而降低产品的生产成 本，提高产品的设计水平，创造经济价值以加强企业核心竞争力。 1 2 国内外研究现状 低碳减排日益受到全社会的重视，油气资源也日益趋于枯竭，因此致力于降 低油耗、减少排放一直是汽车工业研究的热点。轻量化设计就是汽车降耗减排的 有效途径之一，而作为货车重要构件的驱动桥壳的轻量化设计研究更是研究的重 点和热点。 目前以形状优化为主的轻量化技术已经研究甚多。国外的结构轻量化研究主 要分为三类吲： ( 1 ) 提出先进的设计理念，如拓扑优化或形状优化。通过有限元方法或边界 元方法等新的优化算法，计算分析从而得到新的轻量化结构： ( 2 ) 采用先进的制造工艺技术并通过尺寸参数优化而得到新的轻量化结构； ( 3 ) 在碰撞、振动等动态过程中，对相关的尺寸参数进行优化并进行实验验 2 第1 章绪论 证，从而得到相应的轻量化结构。 而国内对载货汽车驱动桥壳的强度校核、评价方法、模态分析和基于结构优 化的研究较少。 文献【2 】较详细地介绍了驱动桥桥壳强度校核方法，应用m s c n a s t r a n 软件对 某型号驱动桥壳进行了静强度有限元分析，得出了主要载荷情况下的最大应力出 现处，同时研究了驱动桥壳轻量化方法及桥壳疲劳寿命的运算过程。文献【5 】着重 探讨了某轮式液压挖掘机驱动桥壳的四种典型工况，利用有限元分析软件a n s y s 对挖掘机驱动桥壳分别进行刚度和强度分析，并以翔实的受力及弯矩图得出结论。 陈效华、刘心文等人以有限元方法为基本手段，针对某型号汽车驱动桥壳在强制 检验时出现的断裂现象，建立分析模型。计算结果表明该桥壳局部出现明显应力 集中，通过改变驱动桥壳局部结构使其局部应力明显降低，再次实验避免了桥壳 断裂现象的出现1 6 。李玉河对某型号载货汽车驱动桥壳进行了大位移、大应变弹塑 性有限元分析，得出了加载点的载荷位移变化曲线，危险截面的弹塑性应力、载 荷变化曲线及达到全面屈服时的屈服载荷等，为该型号载货汽车驱动桥壳的疲劳 寿命估算提供可资借鉴的参考【7 1 。文献【8 】【9 】【1 0 】的作者根据汽车振动及有限元理论 和模态分析原理，阐述了结构应变模态的特点及测试方法，利用a n s y s 建立驱动 桥壳有限元动态响应模型，通过一系列分析找出了最大动应力发生的位置，在大 量实验数据获得的情况下，验证了所采用的有限元方法的可行性。羊玢、郑燕萍 等采用u g n x 对载货汽车汽车驱动桥壳进行参数化设计的方法，针对某载货汽车 驱动桥壳建立了动力学模型。对影响驱动桥壳强度和刚度的因素进行了研究，并 进行了产品结构的优化设计，优化后的桥壳本体厚度由8 m m 降至7 m m ，质量减轻 了4 2 k g 】。同济大学的曾金玲与一汽技术中心的雷雨成等合作，通过对某冲焊桥 壳的有限元模型进行参数化，经过优化分析，使得桥壳在满足垂直弯曲刚度、垂 直弯曲强度和垂直弯曲疲劳寿命的条件下，实现了冲焊桥壳的轻量化设计。最终减 重4 8 3 7 k g ，占桥壳总重量的5 7 。优化后的不等厚桥壳结构改变了国内传统的设 计方案，为以后的冲焊桥壳设计提供了新的设计思路1 1 2 】，合肥工业大学的王斌、 林正祥，重庆大学的卢天祥，东北大学的王革新，华中科技大学的丁律辉，吉林 大学的苏恩生、李丽、王翠风，河北工业大学的王亮，南昌大学的朱峥涛，山东 大学的麻常选等人同样运用建模、各工况计算、有限元分析等比较成熟的分析方 3 山东大学硕士学位论文 法和迭代等轻量化手段对不同的驱动桥壳进行了研究 1 3 - 2 3 】，取得了各自的结论。 y z h a n g 等运用常见的有限元方法优化了减轻了轿车前桥架重量的2 6 9 5 p 4 1 ， 取得了较大的减重效果。z h a n gy u 在碰撞实验的基础上对轿车车身进行了轻量化 设计【2 5 】。p r u c zj a c k yc 对重型汽车的轻量化设计提出了新的结构化设计概念f 2 6 1 。 y u l i a n gs h i ，z h up i n g 等人针对汽车前侧板提出了一种t w b ( t a i l o r - w e l d e db l a n k ) 的轻量化设计方法【2 7 1 。s i n g hs 通过对构件连接处的工艺进行优化达到轻量化的目 的【2 引。x uy o u z h o n g 也通过有限元方法研究了经济性轿车的车身轻量化【2 9 1 。t h o m a s d g i l l e s p i e 及m m t o p a 9 等研究者主要运用有限元方法对驱动桥壳的疲劳寿命 3 0 - 3 1 】进行了分析。 从上述研究现状可以看到，目前国内桥壳结构轻量化研究固然取得了一定成 果，但与国外相比仍存在较大差距，主要表现在： ( 1 ) 先进设计理念对实际设计生产的推动作用欠缺：新制造工艺研究较为滞 后，致使新工艺对机械产品零部件轻量化的推动作用未曾体现； ( 2 ) 过度依赖经验设计，多数时候按照主观经验修改部件尺寸参数，且对零 部件往往只校核其在静态条件下的强度、刚度； ( 3 ) 对驱动桥壳的疲劳寿命研究过少； ( 4 ) 充斥着大量低水平的重复性研究，没有探索出新的突破性轻量化方法。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本论文主要研究内容包括以下五部分： ( 1 ) 通过三维软件p r o e n g i n e e r 建立某型号轻型载货汽车驱动桥壳的几何模 型，之后以a n s y s 为基础，建立驱动桥壳的有限元模型； ( 2 ) 系统地对研究对象的结构进行了各工况下的力学分析： ( 3 ) 在有限元软件中进行驱动桥壳的静强度、刚度、模态分析，分析流程如 图1 1 t 2 1 ： ( 4 ) 进行驱动桥壳材料试验以得到其力学特性：进行驱动桥壳的台架实验并 分析实验结果； ( 5 ) 对驱动桥壳的结构优化。并考量优化后的驱动桥壳，与轻量化之前的桥 4 第1 章绪论 壳各个参数进行对比，确认轻量化设计方案的可行性。 1 3 2 技术路线 图1 1 有限元分析流程图 本文的设计肇始于传统的力学计算，选取驱动桥壳的典型工况进行计算，同 时进行有限元( f e ) 模型的建立和分析，以上述结果作为实验的边界条件和施加 载荷，而实验反之作为有限元分析的修正参照。以往的轻量化设计往往忽略实验 分析，而直接以常规力学计算结果作为初始条件加以应用，这直接导致此后f e 模 型的建立、边界条件和载荷的施加缺乏更实际的参照，使后来的轻量化设计缺乏 说服力。图1 2 为本文的技术路线，在实验分析和理论分析对比后，修正模型和边 界条件，以f e m 为基础，进行静力学、模态分析和以优化迭代为基础的轻量化设 计，之后对比轻量化前后力学和模态参数的误差，合理则加以进一步深入运算， 最终确定轻量化设计方案。 5 山东大学硕士学位论文 6 是 是 图1 2 本文的技术路线 第2 章驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算 2 1 1 汽车车桥筲介 汽车的驱动桥与从动桥统称为车桥1 3 2 - 3 7 】。车桥是行驶装置的核心承载部件， 其与车桥导向元件一起构成车轮与车架之间的连接，操纵汽车按所需要的方向行 驶。除了承受垂直方向的静载荷和动载荷以外，车桥还承受水平面内的驱动力、 制动力和转向力，它与弹性元件、减振器及稳定杆一起决定汽车的行驶性能。轿 车和公共汽车通常采用独立悬架，但载货汽车几乎无一例外地使用实心轴导向， 其显著特点是左右车轮之间用实心轴连接。轴体用优质钢模锻而成，与独立悬架 相比，轴体尤其是驱动桥的轴体连同弹性元件一起构成的簧下质量明显地大，对 垂直振动和前后桥摆振产生负面影响，影响汽车的平顺性。载货汽车采用刚性转 向前桥，既可以作为驱动轴，也可以是非驱动轴。载货汽车的后桥大多是带差速 器的驱动桥，常见的是斑卓琴式后桥，优点是包括差速器在内的整个轴头可以作 为一个部件在轴壳外装配和调整【3 7 1 。本文的研究对象就是山东日照五征汽车集团 的某型号轻型载货汽车，该车型的非断开式驱动桥桥壳结构，也属于斑卓琴式后 桥。如图2 1 所示。 图2 】本文所研究的非断开式驱动桥壳 图2 2 本文研究的轻型载货汽车及其底架 2 。1 2 驱动桥的功用及各组成部分的功用筒介 图2 2 所示为本文研究的轻型载货汽车及其底架，右图可以看出汽车的驱动桥 7 山东大学硕士学位论文 位于传动系的末端，不仅是汽车的动力传递机构，而且也是汽车的行走机构，此 外还起着支承汽车荷重的作用。驱动桥的功用包括：增大由传动轴传来的转矩； 改变传动方向：将动力合理地传给车轮。驱动桥由主减速器、差速器、车轮 传动装置和驱动桥壳( 或梁) 等组成。 一辆汽车采用哪种驱动桥与其悬架的结构形式密切相关。当采用非独立悬架 时，应该采用非断开式驱动桥，即驱动桥壳( 或梁) 是一根刚性梁。本文所研究 的轻型载货汽车的后轮驱动桥就是非断开式驱动桥，其后悬架采用钢板弹簧，属 于非独立悬架。而当采用独立悬架时，为保证运动协调，驱动桥应为断开式，此 时主减速器和差速器装在车架或车身上，车轮传动装置采用万向节传动。 具有完整桥壳的非断开式驱动桥结构简单，制造工艺性好，成本低，可靠性 好，维修调整容易，广泛应用于货车和部分车桥上。但是，其悬挂质量较大，对 降低动载荷和提高平顺性不利。断开式驱动桥结构较复杂，成本较高。但是，它 们与独立悬架接合起来，对于改善汽车平顺性、操纵稳定性和通过性有利，所以 在轿车和高通过性的越野车上应用相当广泛。 驱动桥应该满足如下基本要求：具有合适的主传动比，以保证汽车有最佳 的动力性和燃料经济性；工作平稳，噪声小；传动效率高；具有必要的离 地间隙；与悬架导向机构运动协调，对于转向驱动桥，还应该与转向机构运动 协调；具有足够的强度和刚度，同时其质量应该尽可能小：拆装、调整方便； 成本低1 3 2 3 5 1 。 车轮传动装置的基本功用是接受从差速器传来的转矩，并将其传给车轮。在 断开式驱动桥和转向驱动桥中，车轮传动装置的主要部件是万向节传动装置。在 非断开式、具有整体桥壳的驱动桥中，车轮传动装置的主要零件是半轴。半轴按 其轮端的受力情况，可以分为三种，即半浮式、3 4 浮式和全浮式三种【1 , 3 2 - 3 5 。 ( 1 ) 半浮式半轴。其特点是半轴在车轮一端直接与轴承内圈配合、支承，使 得半轴要承受路面对车轮的反力所引起的全部力和力矩。这种半轴结构较简单， 但半轴受载较大，只用于轿车和轻型货车、客车上。 ( 2 ) 3 4 浮式半轴。其特点是轮毂( 与半轴法兰固结) 通过一个轴承支承在 半轴套管上。这种半轴的受载情况与半浮式半轴的相似，但有所减轻( 例如半轴 不承受剪力) 。这种结构一般也仅用于轿车和轻型载货汽车上。 8 第2 章驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算 ( 3 ) 全浮式半轴。其特点是轮毂( 与半轴法兰固结) 通过一对滚锥轴承支承 在半轴套筒上，这种半轴在理论上仅受到转矩，而不承受其他的路面范例( 径向 力、轴向力、弯矩等) 。但是由于桥壳变形、轮毂与差速器半轴齿轮的不同心、半 轴法兰平面相对于其中线不垂直等因素，会引起半轴的弯曲变形，从而引起弯曲 应力。具有全浮式半轴的驱动桥外端结构较复杂，制造成本较高，但由于其工作 可靠，故广泛应用于轻型以上的各类汽车上。本文研究对象就是具有全浮式半轴 的驱动桥桥壳。 2 1 3 驱动桥桥壳的结构型式 驱动桥桥壳的结构型式 1 , 3 2 - 3 7 l 有三种，即可分式桥壳、整体式桥壳和组合式桥 壳，分别简要介绍如下： ( 1 ) 可分式桥壳 可分式桥壳由一般由两部分组成，它们通过螺栓连接成一体。每一部分都包 括一个铸造壳体和一个压入其孔中的轴管，轴管与壳体用铆钉连接。这种桥壳的 优点是制造工艺简单、主减速器轴承支撑刚度好；缺点是拆装、调整、维修很不 方便，这种桥壳用于轻型汽车上，目前已很少采用这种结构。 ( 2 ) 整体式桥壳 整体式桥壳强度和刚度较大，主减速器拆装调整方便。按照制造工艺的不同， 整体式桥壳又可分为三种，即冲压焊接式、扩张成形式、铸造式。本文的研究对 象即属于铸造式整体桥壳，这种桥壳强度和刚度大，但质量大、加工面多、制造 工艺复杂，适用的货车类型较广。 ( 3 ) 组合式桥壳 组合式桥壳又称为支架式桥壳，其特点是：中间是一个铸造主减速器壳，在 主减速器的两边各压入一根无缝钢管作为半轴套管，再用塞焊或铆钉连接方法把 它们固结在一起。这种桥壳有较好的从动锥齿轮轴承支撑刚度，主减速器的装配、 调整也较方便，但加工精度要求较高，这种桥壳用于轿车和轻型货车中。 2 2 驱动桥壳的力学计算 一般来说对驱动桥壳的力学计算分四种典型工况旧进行，参考理论力学和材 9 山东大学硕士学位论文 料力学的相关结论，同时借鉴相关研究者的著作或论文【2 ，4 ，i i ，1 3 - 2 1 ，3 7 1 ，本项目 的力学计算如下： 2 2 1 桥壳的静弯曲应力计算 驱动桥壳类似一根空心的横梁，桥壳两端经轮毂轴承支承于车轮上，桥壳在 钢板弹簧座( 板簧座) 处承受载货汽车的簧上载荷，而在桥壳两端轮胎的中心线 处，路面给轮胎以反力g j 2 ，而驱动桥壳则承受这个力与车轮重力g w 的差值，即 ( g e 2 - g w ) ，计算简图如图2 - 3 所示。 图2 3 桥壳静弯曲应力计算简图 在静载荷条件下，驱动桥壳在其两钢板弹簧座之间的弯矩为： m = ( 譬一9 w ) 字 n - m ( 2 - 1 ) 式中伤当货车满载静止在水平路面时驱动桥给地面的载荷，n ； 璺，_ 一包括轮毂、制动器等重量在内的货车车轮的重力，n ； 卜驱动车轮的轮距，m ； r 驱动桥壳上左右板簧座中心之间的距离，m 。 运算时，驱动桥取满载轴荷g 户6 5 0 0 0 n ，驱动车轮取轮距b = i 6 m ，驱动桥壳 上左右板簧座中心之间的距离s - - - 0 9 4 m ，包括轮毂和制动器在内的车轮的重力踟 相比g 2 很小，故而忽略不计，代入公式2 1 得出： m = 1 0 7 2 5n m 由弯矩图( 图2 3 ) 可见，驱动桥壳的危险断面通常发生在板簧座附近，静弯 曲应力，可由下式求出： = 茜1 0 - 6 m p a( 2 - 2 ) 式中 卜左右板簧座之间的弯矩，n m ； 矾一危险断面处( 板簧座附近) 驱动桥壳的垂向弯矩系数，m 3 ，见表2 1 。 1 0 第2 章驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算 表2 1 桥壳在钢板弹簧座附近的断面形状及截面系数w v 、，孵 垂向及水平弯曲截面系数扭转截面系数 断面形状 矾、w h 孵 7 l 入 i ! 囝口l 蕾 等( 1 一匐警( 1 一匐 l ，矾 丽1 3 ) ，一 譬 ， 2 6 1 ( 口一占) ( h 一西) 1 ， ， i w h 丽( h 口3 3 ) b h b 3 )一 - 对本文所研究之整体式驱动桥壳，其在板簧座附近的危险断面处的形状为矩 形管状，半轴套管为圆管断面，见表2 1 中的断面形状图。图中b = 0 1 1 2 m ，脚0 8 8 m ， h = 0 1 3 0 m ，h - - 0 1 0 6 m ，6 = 0 0 1 2 m ，6 ，_ 0 0 1 2 m ，据此计算出垂向弯曲截面系数 矽尸1 8 1 1 e 4 m 3 ，水平弯曲截面系数= 1 6 4 3 e 4 m 3 ，扭转截面系数彤= 2 8 3 2 e 4 m 3 。 据式+ ( 2 2 ) 得出驱动桥壳在板簧座附近危险断面的静弯曲应力为： j = 5 9 2 2 m p a 2 2 2 不平路面冲击工况驱动桥壳应力计算 当载货汽车在不平路面上高速行驶时，驱动桥壳在承受静止状态下的那部分 载荷之外，同时承受附加的冲击载荷作用。这两种载荷作用使驱动桥壳所产生的 弯曲应力c y w d 为： c t w d = i | ；：d ， m p a 式中七d 动载荷系数，普通轻型载货汽车取为2 5 ； ，驱动桥壳在静载荷下的弯曲应力，m p a ，见式( 2 2 ) 。 据此计算处在不平路面冲击载荷作用下桥壳所产生的弯曲应力： 吼谢= 1 4 8 0 5 m p a 2 2 3 最大牵引力工况驱动桥壳应力计算 这种工况下，假设货车仅作直线行驶，忽略它的侧向力，货车以最大牵引力 山东大学硕士学位论文 - - 一 r 量皇量皇量寡量量量量量鼍量量詈曼曼曼吕皇曹量曼皇晕曼置置皇曼舅鼍量量鲁璺宣曼鲁置曼葛皇量皇| 舅鼍皇皇 行驶，驱动桥壳在承受由垂向反作用力引起的垂向弯矩之外，同时承受由路面对 驱动车轮作用的最大切向反作用力引起驱动桥壳的水平方向弯矩和切向力引起的 转矩。图2 4 给出了货车以最大牵引力行驶时驱动桥壳的受力分析简图。 警 图2 4 货车以最大牵引力行驶时驱动桥桥壳的受力分析简图 ( 1 ) 垂向负荷在板簧座处产生的弯曲应力： 假设路面对驱动桥左、右车轮的垂向反作用力z 2 l 、z 2 尺相等，则 z 2 l = z 2 r = 导m 2 n ( 2 3 ) 式中磊l ，z 2 r 分别表示路面对左、右驱动车轮的垂向反力，n ： g 2 货车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，6 5 0 0 0 n ： m 2 货车加速行驶时驱动桥的质量转移系数，取为1 3 。( 对轿车后驱动 桥取m z = 1 2 1 4 ，对载货汽车后驱动桥取所2 = 1 1 1 3 ，由于本文在研究时为安全起 见考虑使用较大的安全系数，故取最大的质量转移系数) 由此可得： z z l = z z r = 4 2 2 5 0n 此时驱动桥壳在左右板簧座之间的垂向弯矩m y 为： 帆= 偿m 2 一夕w ) 等n m ( 2 - 4 ) 式中g 2 、肌、b 、s 见式( 2 1 ) 下的说明。 据此得出： m 0 = 1 3 9 4 2 5n 。m 垂向负荷在板簧座处产生的弯曲应力为： = 老1 0 一6 m p a ( 2 - 5 ) 式中板簧座附近驱动桥壳的垂向弯矩系数，其值为1 8 1l e 4 m 3 ，见表2 1 。 据此得出： 1 2 第2 苹驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算 ，= 7 6 9 9 m p a ( 2 ) 最大切向反作用力在钢板弹簧座处产生的弯曲应力： 地面对左、右驱动车轮作用的最大切向反作用力按最大附着力计算，即 x 2 = x 2 詹= 导m 2 妒n ( 2 6 ) 式中妒轮胎与地面的附着系数，取妒= 0 8 。 据此得出： 也l = x 2 r = 3 3 8 0 0n 此时驱动桥壳在左、右板簧座之间的水平弯矩为： m h = 偿仇2 妒) t 8 - s n m( 2 - 7 ) 据此得出： m h = 1 1 1 5 4n 。m 切向反作用力在板簧座处产生的弯曲应力为： = 鲁1 0 - 6 m p a( 2 - 8 ) 式中板簧座附近危险断面处驱动桥壳的水平弯矩系数，其值为1 6 4 3 e 4 m 3 ， 见表2 1 。 据此得出： = 6 7 8 9m p a ( 3 ) 最大切向反作用力在板簧座处产生的扭转应力： 切向反作用力在板簧座处引起的转矩为： t = 导7 7 1 2 妒呼n - m ( 2 - 9 ) 式中耳驱动车轮的滚动半径，1 1 1 ，本文分析的驱动桥壳该值为0 4 0 7 m 。 据此得出： t = 1 3 7 5 6 6n m 由此转矩在钢板弹簧座处产生的扭转应力为： f = 鲁1 0 x1 0 - 6 m 一p a( 2 1 0 )f = 二 o ( 一1 ) 坼 。 一 式中眦板簧座附近危险断面处驱动桥壳的扭转截面系数，其值为3 9 0 4 e 4 m 3 ， 见表2 1 。 据此得出： 山东大学硕士学位论文 t = 4 8 5 8m p a ( 4 ) 板簧座处产生的合成弯曲应力： 驱动桥壳在板簧座附近的危险断面为矩形管状，该断面处的合成弯曲应力 为： = + l | l ( 2 - 1 1 ) 式中垂向负荷在板簧座处产生的弯、曲应力，m p a ； l l 切向反作用力在板簧座处产生的弯曲应力，m p a 。 由以上可得，当载货汽车以最大牵引力行驶时，驱动桥壳在板簧座附近危险 断面处的弯曲应力和扭转应力f 分别为 j _ = 1 4 4 8 8 m p a lf = 4 8 5 8 b l p a 2 2 4 最大制动力工况驱动桥壳应力计算 当载货汽车在紧急制动工况下，忽略侧向力时，驱动桥壳的受力状况与货车 以最大牵引力行驶时的受力状况基本相似，驱动桥壳除承受由垂向反作用力引起 的垂向弯矩外，还承受路面对驱动车轮作用的制动力引起驱动桥壳的水平方向弯 矩和制动力引起的转矩。图2 5 给出了载货汽车紧急制动时驱动桥壳受力分析简图。 图2 - 5 货车紧急制动时驱动桥桥壳的受力分析简图 ( 1 ) 垂向负荷在板簧座处产生的弯曲应力： 设路面对驱动桥左、右车轮的垂向反作用力z 2 l ，z 2 尺相等，则 z 2 l = z 2 詹= i 6 2 m 2 n ( 2 1 2 ) 式中z 2 l 、z 2 r 分别为路面对左、右驱动车轮的地面垂向反作用力，n ； g 2 货车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，6 5 0 0 0 n ； 7 n 2 货车紧急制动时驱动桥的质量转移系数，取为0 9 5 。 1 4 第2 章驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算 由此可得： z 2 l = z 2 r = 3 0 8 7 5 n 此时驱动桥壳在左、右两侧板簧座之间的垂向弯矩m v 为： 帆= 俘m 2 9 w ) 等n m ( 2 - 1 3 ) 式中g 2 、9 w 、b 、s 见式( 2 - 1 ) 下的说明。 由此可得： = 1 0 1 8 8 7 5n 。m 垂向负荷在板簧座处产生的弯曲应力为： ：磐1 0 - 6m p a o w v 2 两1 0 。 式中板簧座附近危险断面处驱动桥壳的垂向截面系数，其值为2 2 8 9 e - 4 m 3 ， 见表2 1 。 将相关数值带入据此得出： o w v = 5 6 2 6 m p a ( 2 ) 制动力在板簧座处产生的弯曲应力： 地面对左、右驱动车轮作用的制动力按下式计算，即 x 2 l = 憨r = 导m 2 t p n( 2 1 4 ) 式中妒轮胎与地面的附着系数，按通常情况取为p = o 8 。 由此可得： 恐l = x 2 r = 2 4 7 0 0n 此时驱动桥壳在左、右两侧板簧座之间的水平弯矩为： = 俘7 7 1 2 妒) 丁b - $ n m ( 2 1 5 ) 由此可得： m h = 8 1 5 1n m 切向反作用力在板簧座处产生的弯曲应力为： o w h = 瓮舢- 6 式中板簧座附近危险断面处驱动桥壳的水平截面系数，其值为1 6 4 3 e 4 m a ， 见表2 1 。 山东大学硕七学位论文 据此得出： o w n = 4 9 6 1 m p a ( 3 ) 制动力在板簧座处产生的扭转应力 制动力在板弹簧座处引起的转矩为： t = 等m z t p r r n m( 2 - 1 6 ) 式中斥驱动车轮的滚动半径，m ，本文分析的驱动桥该值为0 4 0 7 m 。 据此得出： t = 1 0 0 5 2 9n m 由此转矩在板簧座处产生的扭转应力为： f = 磐 m p a l 0 - 6 f = 访 式中眦一一钢板弹簧座附近危险断面处驱动桥壳的扭转截面系数，其值为 2 8 3 2 e 4 m 3 ，见表2 1 。 据此得出： r = 3 5 5 0m p a ( 4 ) 在板簧座处产生的合成弯曲应力： 驱动桥壳在板簧座附近的危险断面为矩形管状，在该断面处的合成弯曲应力 为： = 吼卯+ _ l 式中：垂向负荷在板簧座处产生的弯曲应力，m p a ； l l l 制动力在板簧座处产生的弯曲应力，m p a 。 由以上可得，货车在紧急制动工况下，驱动桥壳在板簧座附近危险断面处的 弯曲应力和扭转应力f 分别为： f = 1 0 5 。8 7 m p a l f = 3 5 5 0m p a 2 2 5 最大侧向力工况桥壳应力计算 当载货汽车高速行驶之时，将生成一个作用于货车质心处的巨大的离心力， 地面给左、右驱动车轮的侧向反作用力与这个力产生平衡。当货车所承受的侧向 力达到路面给轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力时，货车处于侧滑的临 1 6 第2 章驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算 界状态，当侧向力超过侧向附着力时，货车出现侧滑。根据本文实际研究对象的 实测数据，货车整车质心高度为1 3 0 0 r a m ，驱动车轮的轮距为1 6 0 0 m m ，质心高度 大于轮距的一半，在轮胎与地面侧向附着系数为1 0 的情况下，最大侧向力发生在 整车的侧向倾覆状态。计算时可以认为地面给轮胎的切向反作用力为零1 2 们。 图2 - 6