（光学工程专业论文）重型汽车一体式铸造桥壳结构分析.pdf

青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 随着我国汽车行业的飞速发展，传统的汽车驱动桥设计方法已不能满足当代 的设计要求，传统设计方法的缺陷逐渐显现出来，如：效率低、样机试制次数多、 产品丌发周期长等。针对这些缺陷，我们利用计算机设计手段，采用虚拟仿真方 法，对桥壳进行静力学特性仿真，为产品的改进提供有意义的参数依据。 本课题针对一体式铸造桥壳的结构特点及成型工艺利用三维建模软件建立 相对应的三维模型，再利用多体动力学分析软件对模型进行静力学仿真分析，主 要包括有限元结构、疲劳寿命等性能分析。通过不同方案的对比分析，选出最优 方案，实现高性能轻量化一体式铸造桥壳的设计及生产，同时以驱动桥壳台架试 验作为设计的验证检验手段，反馈并优化产品设计流程，为产品的生产和改进提 供可靠依据，从而达到铸造桥壳结构改进和性能优化的目的。 台架试验利用台架试验设备进行试验，测取标准试验条件下疲劳性能，验证 了有限元仿真分析和虚拟试验结果与实际的台架实验结果趋势基本一致，证明了 仿真分析结果的正确性。 关键字：铸造车桥，静力学仿真，优化设计，疲劳分析 青岛理工大学工程硕士学位论文 暑皇皇皇皇皇皇皇詈詈詈鼍皇詈曼堂蕾詈_ i i i i i 量皇e 暑昔等量暑鲁鼍章皇昌暑暑暑皇鲁皇罩詈詈詈暑墨昌詈掌詈罩暑墨昌暑暑昌曹昌= = 暑暑穹置暑喜量暑量暑詈置量墨_ 日曩量量置鼍| 墨墨篁詈皇皇詈! 詈 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi nc h i n a ，t h ed e s i g n m e t h o do ft h et r a d i t i o n a la u t o m o b i l ed r i v i n ga x l ec o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so f c o n t e m p o r a r yp r o d u c td e v e l o p m e n t t h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dh a v e a p p e a r e dg r a d u a l l y , s u c h a sl o we f f i c i e n c y , m a n yt r i a l - p r o d u c e so fp r o t o t y p e ，l o n g p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，e t c t h i sa r t i c l ei st ob ea i m e da t o n e p i e c ec a s t i n g a x l e h o u s i n g s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n dm o u l d i n gt e c h n o l o g y ，b u il dc o r r e s p o n d i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gp r o es o f t w a r e ，t h e nb u i l ds t a t i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s a b o u tt h em o d e lw i t ha n s y sa n a l y s i ss o f t w a r e ，w h i c hi n c l u d st h ea n a l y s i so ff i n i t e e l e m e n ts t r u c t u r e ，m o d a lv i b r a t i o n ，f a t i g u e l i f e a c c o r d i n gt ot h ed if f e r e n ts c h e m e c o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，t h eo p t i m a l s o l u t i o ni st ob es e l e c t e d a n dt h e h i g h p e r f o r m a n c el i g h t w e i g h to n e p i e c ec a s t i n ga x l eh o u s i n gd e s i g na n dp r o d u c t i o nw o u l d b er e a l i z e d a tt h es a m et i m e ，t h ed r i v ea x l eh o u s i n gb e n c ht e s ti st a k e na sv e r i f i c a t i o n t e s t i n gm e a n s ，w h i c hf e e d b a c ka n do p t i m i z et h ep r o d u c td e s i g np r o c e s s ，a n dp r o v i d e r e l i a b l eb a s i sf o rt h ep r o d u c t i o no fp r o d u c t sa n di m p r o v e ，t h u sa c h i e v et h ep u r p o s et h a t c h a n g ec a s t i n ga x l eh o u s i n g s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n t h ev a l i d a t i o no fb e n c ht e s tu s e db e n c ht e s te q u i p m e n tf o rt h et e s t ，m e a s u r e dt h e f a t i g u ep r o p e r t i e si nt h es t a n d a r dt e s tc o n d i t i o n s ，v e r i f i e dt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n a n a l y s i s t h ev i r t u a lt e s tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t hp r a c t i c a lp l a t f o r me x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h i sp r o v e st h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t s k e y w o r d s ：c a s t i n ga x l e ，s t a t i c ss i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o na n dd e s i g n ，f a t i g u ea n a l y s i s 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 随着我国经济和社会的发展，重型汽车发挥着越来越大的作用。重型汽车驱 动桥是重型汽车的重要组成部分，该总成承担着整车的动力传递和支撑车身的作 用，其设计合理性直接影响到重型汽车传动系、行驶系和制动系性能，进而影响 整车的使用性能。因此，我们应该从设计角度来提高桥壳的性能指标。 在汽车的设计和开发中，c a d c a e 技术已经得到广泛的应用，它表征着一个 国家汽车设计水平的高低。在国外，大多数汽车公司在汽车设计之初便应用 c a d c a e 技术，不仅缩短了整个新车的研发周期，而且提高了产品的性能和质量， 从而并进一步降低了产品的开发成本，使得公司在市场中的核心竞争力得到了大 大的提高川。因此，我们国家的汽车公司也应该大力发展并应用c a d c a e 技术， 使其真正在整车设计以及各零部件设计中发挥作用。 在汽车实际行驶中，由于行驶工况以及道路环境的复杂多变，作用在桥壳上 的载荷也是多变的，如果桥壳的设计及加工制造不合理，桥壳则会在冲击载荷的 作用下发生大的变形甚至断裂。因此，桥壳在设计时必须拥有足够的强度、刚度 以及良好的动态特性f l 】。除此之外，工程结构以及机械零件有相当大程度的失效原 因来自于疲劳破坏，然而造成疲劳破坏的循环载荷的最大值通常远小于由静力分 析所计算出的安全静载荷，因此开展疲劳分析研究有着十分重要的意义。 本课题研究的目的是提高汽车驱动桥的设计效率、缩短设计周期。驱动桥在 汽车工作中发挥着重要的作用，其设计合理性直接影响到汽车的使用性能。在对 车桥的实际生产过程中，一种新型驱动桥的设计总是按照例行的步骤去完成，包 括计算、校核、设计出各零件、画出二维图、试验和反复修改等等，最后得出一 种比较完善的设计方案。新型驱动桥的研发大多是在已有成熟驱动桥基础上根据 实际运行工况不同或所应用车型不同，对已有驱动桥的尺寸进行修改，最终形成 系列化的驱动桥。而这些例行的工作却还是由设计者一步一步的手工完成，将时 间都花在这些没有创新且枯燥的工作上；而且，人工完成这些工作将会使开发周 期变得漫长。根据二维图纸去加工实物时经常发现结构上有许多不合理之处，于 青岛理工大学工程硕士学位论文 是重新修正，因此浪费时间、人力、物力、财力。 鉴于此，应用仿真软件建立虚拟样机模型，对一体式铸造桥壳的静力分析将 对桥壳的设计具有非常重大的实际意义。 一方面，目前国内对重型汽车驱动桥壳做总体分析的不多，尤其是桥壳的模 态分析【2 1 。主要是由于国内在力学仿真分析方面中处于学习与探索阶段，许多技术 还依赖于国外。应用力学仿真技术对桥壳做静力学性能分析可以在设计前进行， 减少试验、试产、改进所需的时问和经科2 1 ，通过计算机模拟来实现产品的设计、 改进，从而达到缩短产品设计时间和降低研究成本的目的。 另一方面，通过静力学仿真技术应用，可以对桥壳作进一步的结构性能分析， 并最终为桥壳的设计、改进提供可行的依据。 1 2 国内外研究现状 国内重型汽车用驱动桥铸造桥壳目前为桥壳壳体与套管分体式压装制成，其 铸造和加工工艺复杂，自重高、效率低并且故障率高；而国外重型汽车生产及研 究单位目前已对桥壳壳体与套管一体式成型桥壳进行着研究分析，一体式铸造桥 壳相比分体式铸造桥壳在自重轻的条件下受力分布更加均衡，并且减少合件所产 生的故障可能性。 国内对重型汽车驱动桥设计的方法通常是采用力学解析法和装车实车验证， 这种方法存在着周期长并且精度低等缺点，因而此设计方法通过整车实际运行查 找零部件薄弱环节，直接将风险转嫁到顾客手中。发达国家从2 0 世纪7 0 年代开 始，已经对c a e 技术进行了广泛研究，并逐步将c a e 仿真设计手段应用到整个 汽车设计领域。 对重型驱动桥壳而言，其结构的复杂和工作环境的多变，决定了用传统的方 法很难精确地计算桥壳各位置的应力大小，在实际中，我们只能利用经验公式估 算桥壳的最大应力。此外，以前我国还利用台架试验及整车路试来对大量的样车 进行结构强度、刚度及疲劳寿命方面的测试。 目前，有限元技术的发展使得桥壳的设计分析变得更加轻松、方便和准确， 国内外桥壳研究人员对桥壳进行了有关结构静力、动力及疲劳方面的分析研究， 并取得了比较好的结果。 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 驱动桥壳静态分析方面 在国外，有限元技术早已发展成熟。早在2 0 世纪7 0 年代前后，有限元技术 就开始被应用在重型汽车的驱动桥壳设计方面，并取得了大量的研究成果。如美 国的机械研究所及万国汽车公司，都曾利用有限元法对桥壳结构强度进行计算分 析。 在国内，有限元法的研究和应用相对较晚，但是随着我国汽车工业的快速发 展，有限元技术也得到了快速的发展和应用，特别是在桥壳的结构强度分析方面。 2 0 0 5 年，吉林大学的苏恩生通过三维建模p r o e 软件，建立了某汽车后桥壳 的三维实体简化模型，利用m s c p a t r a n 和n a s t r a n 软件对桥壳进行分析处理得到了 有限元模型，并对4 种典型工况进行了结构静力分析，结果显示桥壳的应力分布 基本合理，最大应力在月牙形开口和螺栓孔相邻位置处，而中央法兰盘根部有较 大变形【4 】。另外，还对桥壳进行了相关模态分析，得出了前2 0 阶固有频率和振型， 结果证明了该桥壳不会因地面激励而发生共振。 2 0 0 6 年，南昌大学的朱峥涛等利用a n s y sw o r k b e n c h 协同仿真平台，按照国 家驱动桥壳台架试验标准，模拟了不同厚度的桥壳台架试验，分析结果表明该系 列厚度的桥壳有足够的静强度和刚度，符合国家要求。 2 0 0 8 年，辽宁曙光汽车集团的郭迎春针对6 5 型桥壳出现的半轴套管和桥包焊 接处开裂的现象，利用a n s y sw o r k b e n c h 软件对该型桥壳进行了不同焊接质量下 的结构强度分析，并结合其它检测手段，最后得出了半轴套管与桥包间焊接质量 缺陷是造成个别桥壳断裂失效的主要原因。 2 0 1 0 年，武汉理工大学的张成波利用c a t i a 建立了某重型货车驱动桥壳的简 化实体模型，然后导入h y p e r m e s h 软件进行了网格划分，并进一步利用此软件进 行了4 种典型工况的静力分析以及自由状态下的模态分析，得出了相应的应力、 变形分布结果和前6 阶固有频率及振型，该结果显示该桥壳结构设计合理。最后， 根据上述分析结果，利用h y p e r m e s h 中的结构优化模块，对桥壳进行了厚度优化， 实现了桥壳的轻量化设计。 ( 2 ) 驱动桥壳的疲劳寿命预测方面 疲劳破坏问题一直是影响汽车设计的重要问题，1 0 0 多年来，人们对疲劳破坏 问题的研究从没停止，特别是在疲劳产生的机理、疲劳寿命预测以及抗疲劳技术 等方面总结了非常多的经验和理论，并且形成了一套比较完善的疲劳分析方法。 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 通过有限元技术和各种疲劳分析方法的结合，出现了许多优秀的疲劳分析软件， 如a n s y s 中的疲劳模块、a n s y sw o r k b e n c h 中的f a t i g u et o o l 、m s c f a t i g u e 和 n c o d e 公司的n s o f i 软件等。现如今，这些软件已经在汽车结构疲劳分析中得到 了广泛的应用。 2 0 0 5 年，燕山大学的崔亚平教授以某载重车液压胀形桥壳为例，通过对材料 的s - n 曲线按照材料的强化进行修正，再利用a n s y s 软件结合修正后的s - n 曲 线对桥壳进行疲劳分析，总结出了材料强化 3 1 与桥壳寿命以及承载能力的如下关 系： 第一，当桥壳强度提高7 8 ，疲劳寿命则能提高原来的9 7 9 倍。 第二，当疲劳寿命相同时，其失效应力提高5 7 7 。 第三，疲劳寿命为国家标准8 0 万次时，其承载能力提高3 3 3 。 2 0 0 7 年，清华大学的高晶与东风车桥有限公司的张布良首先利用p r o e 建立 了某型后桥壳的三维实体模型，然后利用m s c p a t r a n 和n a s t r a n 进行分网，并做了 结构静力分析，在此基础上利用m s c f a t i g u e 疲劳分析软件对桥壳进行了疲劳寿命 预测，并与疲劳台架试验做对比，其结果一致，最后还提出了最佳的改进措施。 2 0 0 9 年，江苏大学的朱茂桃等对某轻型汽车后桥壳通过应用疲劳分析软件 f e s a f e ，对模拟台架试验下的疲劳载荷来计算，分析了桥壳各个部位的疲劳损 伤情况，有限元疲劳分析结果与台架试验结果相一致，表明了桥壳有限元疲劳寿 命预测是可行的。 1 3c a e 仿真技术存在的问题 随着c a d c a e 技术的成熟与发展再加上相应c a d c a e 系统价格的下降，国 内各车桥厂也纷纷采用c a d c a e 技术进行驱动桥总成设计。国外一些汽车零部件 生产企业已经用参数化设计技术研制出一些实用的产品开发软件系统( 如英国 l o c u s 集团采用的制动器设计系统) 州。各种软件的开发，使得汽车零部件的质量和 性能得到很大程度地改善，并大幅度地节省了开发时间和成本，但是c a e 仿真技 术仍然存在着以下问题。 第一，对出发点而言，c a e 技术仅以甩掉图板为目的。 第二，很多设计者仅以展示汽车驱动桥三维模型为主要目的，很少考虑驱动 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 桥模型的参数化和虚拟设计。 第三，对汽车驱动桥的有限元分析，主要是对已经设计完的成型零件，很少 应用到新零件的设计中。 第四，在应用c a d c a e 技术时，只是根据成熟的二维图纸建立三维实体模型 和进行有限元分析，较少考虑c a d c a e 的参数化和集成化。 1 4 本文的主要研究内容和研究方法 本案在外形设计时借鉴德国进口奔驰桥桥壳，该桥壳已做过台架试验，结果 是：加载1 6 吨时，试验次数达到2 0 0 万次不断，再加载1 8 吨后达3 2 3 万次断裂， 在二维图设计时，从桥壳截面、板簧处加筋，板簧处不加筋、桥壳大圆弧过渡r 角处、轴头过渡处分别采取了多种方案，并根据二维图样建立三维模型，分别做 了多种方案的c a e 计算分析，结果如下： 本次分析采用a n s y s 有限元分析软件计算3 0 0 铸铁桥壳的应力场和位移场， 并验证改进设计的合理性。论文的主要思路是利用p r o e 建模功能和a n s y s 分 析功能，通过在p r o e 软件中建立一体式铸造桥壳的三维模型，并对模型进行符 合实际的简化处理，导入a n s y s 分析软件中，对模型进行静力学分析。分析主要 是对一体式铸造桥壳进行结构静力学分析；模态振动分析及疲劳寿命分析，详细 的研究内容和方法如图1 1 所示。最后提出一体式铸造桥壳的改进方案，并对各种 改进的方案分析比较，选出最优的一种方案，根据该最优方案试制出实际的产品， 然后对试制品进行台架实验，对比台架实验结果和仿真分析结果，验证模型建立 的正确型，并对模型做进一步的改进。最后对改进的模型进行优化处理，确定最 终的生产方案。 进行台架试验，检验新设计产品的性能特性，通过实验计算一体式铸造桥壳 的疲劳寿命值，得到标准试验条件下驱动桥桥壳的强度、刚度、振动、疲劳性能， 验证有限元仿真分析和虚拟试验结果。 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 一 t 一体式铸造桥壳参数统计，统计台架实验参数，。 一体式铸造桥壳二维模型建立 i 一? 仿真分析模型建立及处理 1 5 本章小结 i “ji 营 鞯! 模 型模：墅 霉1 莛蓁 蠢 计 薪 析 伊o jl l “ l 。 台架实验 0i 实验结果 一“j 1 对比实验结果和仿真结果 i 反馈结果修改模型并进行优化 设计 j 提出可行性的 改进方案 图1 1 课题研究内容及方法 本章介绍了本课题研究的背景和意义，叙述了一体式铸造桥壳的研究主要内 容，并简述了c a e 仿真分析软的现状和软件存在的问题，重点叙述了壳体的研究 步骤和研究方法。 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章一体式铸造桥壳三维建模及载荷分析 2 1 三维建模软件基本性能 本课题三维模型是采用p r o e 软件，它是全球最著名的3 d 机械设计软件，属 于c a d 软件开发商p t c 公司的产品。该软件具有功能强大，通俗易学的优点， 被广泛应用在家电生产企业，汽车配件生产企业、汽车发动机的生产企业、航空 航天所需要零部件的生产制造企业、医疗器械生产企业、工业产品生产企业等方 面【5 1 。 就当前三维设计软件的应用情况而言，p r o e 属于主流的设计软件，它是一套 由设计至生产的机械自动化软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化、基于 特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能【5 j 。 ( 1 ) 参数化设计和特征功能：p r o e 采用的是参数化设计、基于特征的实体 模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如 腔、壳、倒角及圆角，这样就可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性 给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 ( 2 ) 单一数据库：p r o e 是建立在统一基层上的数据库之上，不同于传统的 c a d c a m 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来 自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门 的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计 过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，n c ( 数控) 工具路径也会自动 更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特 的数据结构与工程设计的完整结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点使 得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜 6 1 。 p r o e 功能如下： 第一，具有特征驱动功能； 第二，可以实现参数化模型： 第三，通过特征值、载荷和边界条件与特征参数之间的关系来进行设计； 第四，支持大型、复杂组合件的设计。 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 第五，贯穿所有应用的完全相关性，任何一个地方的变动都将引起与之有关 的每个地方的变动，其它辅助模块将进一步提高扩展p r o e 的基本功能。 2 2 一体式铸造桥壳建模 2 2 1 模型的简化 有限元分析模型是在三维实体几何模型的基础上得到的，因此在几何建模时 要考虑到以下两个因素，即与实际结构体的相符性和与后续建立有限元模型的方 便性。为了使有限元模型既能够真实的反映实际几何体的结构特征和重要力学特 性，又要在保证较高计算精度的前提下使模型尽量简单，所以在建立几何模型前 需要对实际结构进行一定的合理简化，简化模型的原则如图2 - 1 所示。 模型的简化方法是：首先略去不必要的圆角，即将实际结构中的圆角简化为 直角；其次略去实际结构中的工艺结构：最后忽略不重要的细节特征，如对整体 结构应力结果影响不大的小孔、倒角等。 l 尽量减少模型单元数量 模型简 化原则 1保持实际结构不变 l 保留特殊部位细节特征 2 2 2 模型建立的简化假设 为适应后续有限元模型的建立，并结合一体式铸造驱动桥壳的结构特点和工 作状况，在利用p r o e 建立桥壳几何模型时，需要对桥壳做如下的简化和假设：三 图2 2 桥壳三维模型 昏 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 不考虑桥壳附件的影响，即将桥壳作为一整体进行研究； ( 2 ) 假设桥壳材料为匀质材料并且各向同性： ( 3 ) 忽略掉加油螺母、放油螺母等对计算结果影响不大的几何特征； ( 4 ) 将不重要区的倒角简化成直角，如后盖处的倒角。 2 3 模型载荷分析与计算 2 3 1 载荷工况计算 根据汽车在实际工作中会遇到不同的工况，通过对各种不同的工况的分析和 研究，总结出了在五种特殊工况下车桥受力比较特殊，这五种特殊工况分别是： 满载工况、冲击载荷作用工况、最大牵引力时工况、紧急制动工况和临界侧翻工 况等。然后通过对这五种特殊的工况进行静力学性能分析，得出对应的受力云图 和变形特性。在五种工况下，约束加在每侧车轮中心线附近，模拟两端支承。上 述的约束处理会使安装轮毂轴承附近的应力与实际情况有差别，但不会影响桥壳 其它部位的应力分布。驱动桥壳在各种工况下的载荷加载方式如表2 1 所示。 表2 1 不同i ：况载荷施加 l ：况施加载荷 满载乖向力平均施加到两侧板簧座面上 冲击载荷作川乖向力平均施加剑两侧扳簧j 唪面上 在两侧板簧座面上施加垂向力，且住该面1 7 点上施加与运动方 最人牵引力行驶 向一致的最人牵引力。 在两侧扳簧庵面上施加垂向力，且住该面1 i ，- 恳。上施加与运动方 紧急制动 向相反的最人制动力。 住两侧皈簧庠面上施加乖向力，且住该面1 j 点上施加横向的切 临界侧翻 向力。 2 3 2 桥壳受力分析及载荷计算 ( i ) 汽车满载时载荷计算 满载时驱动桥桥壳的受力分析如图2 2 所示，由于满载时桥壳只受到车身通过 板簧的压力和地面通过车轮的反作用力。 9 青岛理工大学工程硕士学位沦文 图2 3 满载时受力分析简图 其中，s 一驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间距离，m m ： b 一驱动车轮轮距，m m 。 此时，车身通过板簧给桥壳施加的作用力f 为： f ：o _ q ：1 3 1 03 9 8 上：6 3 7 1 0 4n( 2 1 ) 2 2 g 一汽车满载车重，n ： f 一板簧座承受力，n 。 ( 2 ) 冲击载荷作用 当汽车在不平路面上高速行驶时，桥壳除承受静止状态下那部分载荷外，还 承受附加的冲击载荷。此时，桥壳垂向负荷通常取为满载静止时所承载荷的2 5 倍， 受力分析图如图2 2 所示。 施加载荷力f 为： f ：2 5 兰二：2 5 6 3 7 1 0 4 ：1 5 9 1 0 5n 一( 2 2 ) 2 g 一汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，n ； f 一桥壳所承受的垂向负荷，n 。 ( 3 ) 最大牵引力行驶 汽车以最大牵引力行驶时，后驱动桥壳的受力分析如图2 3 所示。为使计算简 化。不考虑侧向力，仅按汽车作直线行驶的情况进行计算，另从安令系数方面作 适当考虑。 l o 青岛理工大学工程硕士学位论文 譬 芋啊。 图2 - 4 最大牵引时受力分析 s 一驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间距离，i i l l l l ； b 一驱动车轮轮距，m m 。 此时，桥壳板簧承受的载荷f 为： f = ( 为”，1 3 1 0 3 9 8 1 2 - - - = 一= - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 22 ：7 6 1 0 4n( 2 3 ) g 一汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，n ； m ，一行驶时的桥负荷转移系数，通常取1 2 ； 地面对左、右驱动车轮的最大切向反作用力p m 默为【7 1 ： p m 。：r o i o r j ：2 3 5 4 0 x 4 8 x 0 9 ：2 0 3 4 1 0 4n ( 2 4 ) 麟 兀05 一驱动桥最大输入扭矩， n 。i i i i l l ； 屯一主减速器速比； 气一轮胎滚动半径，m i l l ； 刁一传动系效率( 由驱动桥突缘输入至轮边) ； ( 4 ) 紧急制动工况 汽车紧急制动时，可不考虑侧向力。图2 5 为紧急制动时驱动桥壳的受力分析 简图。 青岛理工大学工程硕士学位论文 旦2 拥昙m 百m 图2 5 制动时受力分析简图 s 一驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间距离，n l n 3 ； b 一驱动车轮轮距，t o n i 。 受力f 为： f ：鱼聊，m ! 三兰! q ：兰! ：璺x u 一8 ：5 1 u x l o 。n( 2 5 ) ，= 一所 一 舀= ) 1i unl z - ) j 22 t ：里m ，汐：! ! 兰! q ：兰! ：璺0 80 8 ：4 0 81 0 。n ( 2 - 6 ) x x4xu = 一m 汐= 一 舀 2 2 2 m 汽车紧急制动时的质量转移系数，通常取肌7 m 0 8 。 r 车桥板簧座水平方向力，n 。 ( 5 ) 临界侧翻工况 当汽车满载高速急转弯时，则会产生一个作用于汽车质心处相当大的离心力。 汽车也会由于其它原因而承受侧向力【8 1 。当汽车所承受的侧向力达到地面给轮胎的 侧向反作用力的最大值即附着力时，汽车处于侧滑的临界状态，侧向力一旦超过 侧向附着力，汽车则发生侧滑。汽车向右侧滑时的受力分析如图2 - 6 所示。图中， 砭、e r 分别表示地面对左、右驱动车轮的侧向反作用力；z ：、z 2 r 分别表示侧 滑时左、右驱动车轮的支承反力。 1 2 图2 - 6 侧滑时桥壳的受力不慈图 当汽车处于侧翻临界状态时，与侧滑方向相反的车轮的垂直反力和侧向力等 于零，而侧翻方向的车轮的垂直反力和侧向力达到最大值。此时唿纯b = o 5 ，地 面给左、右驱动车轮支撑力分别为：z ：三= 0 ，z 2 足= g 。驱动桥壳所承受的垂向力 疋、疋r 分别为： 疋，= o 5 g 7 一g 仍魄一) = 0 5 4 0 x1 0 3 9 8 4 0 1 0 3 9 8 x1 o ( 9 3 0 6 0 4 ) x l 1 0 4 5 = 7 3 7 x1 0 4n ( 2 7 ) e 尺= o 5 g + g 仍魄一) = o 5 4 0 1 0 3 9 8 + 4 0 1 0 3 1 o 9 8 ( 9 3 0 一6 0 4 ) 而1 = 3 1 8 x 1 0 5n ( 2 8 ) 一汽车质心高度，m m ； 一弹簧座上表面离地面的高度，m m ； 了一弹簧板支座中心间距，m m ： 纯一轮胎与地面的侧向附着系数，计算时取缈。= 1 0 ： 车轮右侧外轴承和内轴承上的径向力按下式计算： = 籍_ z 2 r 南2 南t 一刚 沼9 ， = 学( 1 0 x 5 1 2 - 1 3 1 5 ) - 7 3 5 x 1 0 5n 1 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 s l r = s 2 尺+ g = 7 3 5 x1 0 5 + 3 9 2 1 0 5 = 1 1 2 7 1 0 6n ( 2 1 0 ) 上式中地面给右驱动车轮的侧向反作用力k 尺为： e 只= z 2 月纯= g = 4 0 x1 0 3 9 8 = 3 9 2x1 0 5 n 2 4 本章小结 本章主要对建模软件和建模过程做了简要的说明，重点对汽车的五种特殊工 况下的桥壳进行了受力分析，并对载荷的计算和施加做了详细的阐述，这为下一 步的仿真提供施加载荷的依据。 1 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 第3 章桥壳的静力学性能分析及改进 3 1 静力学仿真分析 本章利用有限元分析软件a n s y s 对所建立的桥壳有限元模型进行结构静力 分析，计算桥壳在各个工况下的变形情况、应力集中情况及最大应力值等，并为 后续桥壳的改进和优化设计做准备川。一体式铸造桥壳的材料参数如表3 1 所示。 表3 - 1 桥壳参数 载重4 0 t ( 静载) 轮距簧距 l8 8 0 m m l0 2 5 m m 弹性模量( g p a ) 1 7 3 泊松比 0 3 桥壳材料 q t 5 0 0 7 屈服强度( m p a ) 3 2 0 抗拉强度( m p a ) 5 0 0 计算过程中：假定荷载通过板簧座均匀地传递至桥壳。约束加在每侧车轮中 心线附近，模拟两端支承【9 】。上述的约束处理会使安装轮毂轴承附近的应力与实际 情况有差别，但不会影响桥壳其它部位的应力分布。对桥壳进行自由网格划分， 划分结果如图3 1 所示。 厌则受竭 图3 1 桥壳有限元模型划分网格图 1 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 对上章所述的五种工况进行静力学仿真分析，输出结果如表3 2 所示，其中分 别列出了不同工况下的桥壳变形情况、桥壳大法兰处的应力集中情况和桥壳上过 渡圆处的应力分布情况。 表3 2 各工况下分析图 工况名桥壳名称项受力分析输出结果 l 桥壳受力 ； ；黧筝t 变形情况图 “ j j “熟i i a 、一出3 b 搏j 1 _ 1 - 1 - 三 满载 桥壳富法兰处 篓甲广 条件下 应力集中情况 3 0 7 7 8 8 6 6 2 | i n _ _ i雾 噜 桥壳上过渡圆处 萱 应力集中情况 t 9 0 l - i n h j - i - j 蕾， 青岛理工大学工程硕士学位论文 i 。蕞蠛霉蠢。：j 。 。，一一、lr + 。- i _ ， =：； 耋溢0 桥壳受力 i 11_潞54965496飞匕 1 y 一 0 6 1 9 8 3 变形情况图 是 壁国彦k0 3 0 9 9 2 薯 0l i i 一w 睦r - i 兰 冲击载荷 桥壳大法兰处 曼 作用下 1 4 8 2 4 7 7 一产_ 、 - 1g l 应力集中情况 i 岫 i - _ i i 二 桥壳上过渡圆处 曼 应力集中情况 焉 ! 已 i 。 最大牵引 广 桥壳受力 毫 力作用下变形情况图 置- 涵一 謦蟠一 q l l t v1 - 青岛理工大学工程硕士学位论文 蔓 _ 桥壳大法兰处 | 弘4 一1 应力集中情况 誓 i ： 一二。 桥壳上过渡圆处 l _ 应力集中情况 i l 二 ；：囊b ，p 一 紧急制动桥壳受力 曼 i 品3 9 t 圈曩渔 状况下 变形情况图 曩 。”。 碍避 06 l 鹎3 w - o2 0 9 1 3 2 趣厶0i i i n ，k i 溺一 一- 曛门r 一 i i i 贬5 4 - i 1 5 8t 口 二 1 3 33 3 t 2 70 8 曼 1 2 1 1 9 一吣 桥壳大法兰处应 t 0 532戳习prr 甲 t g5 8 力集中情况 _ 5 6 t 2 1 38 5 2 i n 1 i 乱 青岛理工大学工程硕士学位论文 一 桥壳上过渡圆处 _ 鎏? 镟一 葺 一 应力集中情况 _ u 瓤一一- 桥壳受力 享 09 6 0 2 5 变形情况图 e l 36 1 0 1 0 一 jju黔 0i i 墓建越 。魈 。圈 、罗1 f 1 7 8 6 0i - z 1 5 67 9 1 3 99 3 t 2 6d 5 临界状态 粥2 1 9 ：四眇， 桥壳大法兰处应 工作时 9 4 4 6 力集中情况 7 8 5 8 s 27 2 1 38 5 2 1 丘 桥壳上过渡圆处 麓弋彩 ，一 应力集中情况 l ，4 i 。 吨、目韪b s s5i i 、咒：、通学l y ， 青岛理工大学工程硕士学位论文 大应力值，如表3 3 所示。 表3 3 桥壳各工况的最大位移和应力 桥壳最大位法兰盘缺口最 桥壳中段过渡 序号状态 圆弧最人应力， 移，m i l l大应力，m p a m 【p a l 满载状态 1 8 9 71 4 6 1 2 0 1 1 3 2 受冲击状态 4 7 4 0 3 6 6 62 5 7 3 3 牵引状态 2 4 9 9 1 9 5 5 82 5 7 2 8 4 制动状态 2 8 6 51 9 2 5 42 3 6 4 5 5 侧滑状态 2 1 0 31 7 8 6 02 2 5 3 6 对比上述分析结果，单独不同工况下的受力情况而言，一体式桥壳在承受冲 击状态下桥壳变形和位移最大，对于单桥在承受4 0 吨以及2 5 倍冲击载荷作用时， 其每米最大变形2 5 m m ，已远超出国标要求，国标要求桥壳每米轮距最大变形不 超过1 5 m m ，桥壳中段的过渡圆弧最大应力值为4 8 9 8 6 m p a ，该位置已经接近于材 料的抗拉强度极限值5 0 0 m p a 。然而，当桥壳装配上主减速器等部件时，其桥壳中 部的应力和变形将会有较大幅度的下降。 3 2 桥壳过渡处不同加强筋设置的方案对比及分析 根据对一体式铸造车桥各种工况下的仿真分析，得出了各工况下桥壳的上弧 过渡区域、下弧过渡区域、大法兰、后盖区、轴管区和小法兰最大应力值，以及 桥壳变形量的大小。 由上面分析知道冲击载荷工况是最危险的工况，所以下面以冲击载荷工况为 典型工况进行分析，在设计时就板簧座处是否加筋这一方式共做了五种方案，建 立相对应的有限元模型，将约束、载荷施加到已建好的有限元模型中，并分析各 种方案的桥壳变形和危险截面应力。在分析时我们取桥壳整体变形、桥壳大法兰 最大应力、上下圆弧过渡区最大应力值进行对比，以下为这五种方案的参数变化 情况和静力学性能分析的图片资料。 方案一：在板簧座处不加任何加强筋，只是平滑的过渡。其三维结构图如图 3 2 所示。 青岛理工大学工程硕士学位论文 蠡 图3 - 2 第一方案三维模型图 对此方案一体式铸造车桥进行静力学性能分析，分别输出位移变形图和受力 分布云图。具体的输出结果如图3 3 所示，从图上可以清楚的看出桥壳的最大变形 量为5 7 r a m ，大法兰处的最大应力值为4 1 9 o m p a ，上圆弧最大应力值为4 2 8 3 m p a ， 下圆弧的最大应力值为4 4 6 4 m p a 。 钉僻舭睁c 5 0 a 9 3 44 0 5 仔 38 0 1 9 3 1 6 8 3 25 3 4 9 矗”岫 粥 强 b 撕1 1 8 1 ，g 2 拍g 1 9 5 1 9 1 6 18 口 2 t 雕 h l 幔9 l 醚盯研 1 2 i - 匿 。 冬 毫 图3 - 3 第一方案输出结果 方案二：板簧座下侧加垂直方向的筋，而不加横向的筋，其三维的结构图如 图3 4 所示。 j 画 图3 _ 4 第二方案三维模型图 2 1 矗。i_，_ 青岛理工大学工程硕士学位论文 通过对第二种方案的模型进行静力学仿真分析，得出了一体式铸造桥壳的受 力云图、变形位移以及受力集中等图，如图3 5 所示。对输出的图进行分析可以得 出桥壳的最大变形量为5 6 r a m ，大法兰处的最大应力值为3 9 9 7 m p a ，上圆弧最大 应力值为4 2 0 1 m p a ，下圆弧的最大应力值为4 3 8 6 m p a 。 雕 r 目凇1 9 3 g _- i | | h9 95 舯 吲5 。6 。7 投， i 图3 5 第二方案输出结果 方案三：在桥壳的法兰和板簧座过渡区域加上水平方向横筋，不在板簧座处 加纵向加强筋。三维实体模型如图3 - 6 所示。 ， 雨 图3 - 6 第三方案三维模型图 对第三种方案的模型进行静力学仿真分析，分别得出了一体式铸造桥壳的受 力云图、变形位移以及受力集中等图，如图3 7 所示。分析输出的图可以得出桥壳 的最大变形量为5 5 4 m m ，大法兰处的最大应力值为4 8 0 7 m p a ，上圆弧最大应力 值为4 8 7 3 m p a ，下圆弧的最大应力值为4 3 3 1 m p a 。 2 2 r 叫 蚋一 l9 2 ) i 4 如7 3 ，的1 9 4 8 7 , ) 1 1 a 瞧 u 1 9 4 0 5 u 1 3 6 8 4 h 7 96 3 uz 2 4 盈m k l 慝 一3 i 8 h 引7 7 l 一8 8 自, 6 2 n 2 懿 3 9 s0 9 3 5 7o b 3 1 93 3 2 8 1 2 1 2g t 2 0 49 4 f 6 69 1 1 2 88 8 帅舾5 帅 厂 吖 i 谴 图3 7 第三方案输出结果 方案四：该方案是在法兰和板簧的过渡区域以及板簧的垂直方向分别都加上 加强筋，加上后的三维模型图如图3 8 所示。 ? ， 。葛f 。 、i _ 一7 支 纵阳i j i _ 1 i 自! 筋i懒枷烈新 、 幽3 - 8 第四方案三维模型图 通过对第四种方案的模型进行静力学仿真分析，列出了一体式铸造桥壳的受 力云图、变形位移以及上下过渡圆处受力等图，如图3 - 9 所示。分析输出的图可以 得出桥壳的最大变形量为5 5 m m ，大法兰处的最大应力值为4 8 7 6 m p a ，上圆弧最 大应力值为4 7 7 1 8 m p a ，下圆弧的最大应力值为4 9 0 1 m p a 。 啊粼脚 l j42 0 4 9 匪 雪淤 1 - - 一j 2 3 i - 一 k 丑 饕迭黧嚣溢h几h日 青岛理工大学工程硕士学位论文 孵 h 7 _ 孤7 0 啪 3 15 嘲 雕 u 1 5 ”7 目 0 1 h 宴 点 图3 - 9 第四方案输出结果 方案五：在弹簧座孔的两边分别加上两个加强筋，其结构与进口的奔驰车桥 相似，三维的实体模型如图3 1 0 所示。 图3 10 第五方案三维模型图 通过对第五种方案的模型进行静力学仿真分析，分别得出了一体式铸造桥壳 的受力云图、变形位移以及受力集中等图，如图3 1 l 所示。对输出的图进行分析 可以得出桥壳的最大变形量为5 7 m m ，大法兰处的最大应力值为4 8 2 9 m p a ，上圆 弧最大应力值为4 3 2 1 m p a ，下圆弧的最大应力值为4 4 8 m p a 。 t 1 1 7 - 帆1 1 1 ： 3 1 3 , 1 1 l = t i i l 骞l 羹一 腿一 1 i i 强 3 眦l i = 怠 图3 1 1 第五方案输出结果 通过对满载4 0 吨和冲击载荷1 0 0 吨计算分析，以上五种方案上下圆弧及大法 籽11二m 青岛理工大学工程硕士学位论文 兰处最大应力和整体最大变形如表3 5 所示。 表3 - 5 不同方案最大变形和最大应力对比表 名称方案一方案二 方案三方案四 方案五 最大变形，m m 5 75 65 5 3 85 5 55 7 大法兰最大应力，m p a 4 1 9 03 9 9 74 8 0 74 8 7 64 8 2 9 上圆弧最大应