（光学工程专业论文）1141重型货车驱动桥桥壳轻量化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 重型载货汽车驱动桥壳支撑着汽车的荷重，是主要的传力件承载件，还 将其载荷传递给车轮。作用在汽车驱动轮上的三种力即制动力、牵引力和侧 向力，同样也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车身上。汽车在行驶过程中会 遇到各种各样的天气和路况，因此，驱动桥壳结构性能对整车性能及使用寿 命有着直接的影响作用。随着人类社会的不断发展，对汽车的平顺性和舒适 性能要求日益提高，随着能源短缺问题的日益严重，使得人们对汽车轻量化 要求越来越高。这使得传统的设计计算方法己经无法满足现代汽车设计的要 求。随着近代数学水平及其在工程上的应用日趋成熟，有限元法作为一种日 益普遍运用的计算分析工具，其产生和发展推动了计算机辅助设计的技术水 平。通过有限元法对驱动桥壳结构进行性能分析，在设计时考虑驱动桥壳结 构的优化，对提高整车的各种性能，减轻桥壳重量，降低制造成本等都具有 十分重要的意义。 本文重点研究大致包括以下内容：结合某车型的驱动桥壳实际模型，和现 在的能源危机下不断发展的轻量化设计要求，提出了对驱动桥壳进行轻量化 的研究目标，以有限元线性静态分析、自由模态分析及机械结构优化设计理 论为基础，将c a d 软件c a t i a 和有限元分析软件h y p e r m e s h 结合使用，首先 在原驱动桥壳的结构和使用条件下结合三维建模理论对研究对象进行了一定 程度上的简化处理，完成了驱动桥壳c a t i a 三维简化后的模型建立，然后将 建立好的三维模型导入h y p e r m e s h 分析软件，进行了h y p e r m e s h 有限元模型 的建立及分析的整个过程，得出了驱动桥壳在四种典型工况下的综合变形结 果和应力分布及它在自由约束状态的前6 阶固有频率和振型，通过上述分析 结果结合桥壳实际使用时的材料许用应力和路面激励频率，证实该桥壳满足 设计要求，即可认为它在要求的各种行驶状况下是具有可靠性，而且不会引 起共振。最后应用h y p e r m e s h 的结构优化模块对其进行厚度优化，结果表明， 桥壳质量有了明显的减少，最大应力与许用应力更接近，有较好的实际工程 应用意义。 关键词：驱动桥壳；h y p e r m e s h ；静态分析；模态分析；结构优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h em a i n l yc a r r y i n ga n dp a s s i n gc o m p o n e n t so ft h ev e h i c l e ，t h ea u t o m o b i l e d r i v ea x l eh o u s i n gs u p p o f t st h ew e i g h to fv e h i c l e ，a n dt r a n s f e rt h ew e i g h tt ot h e w h e e l t h r o u g ht h ed r i v ea x l eh o u s i n g ，t h et r a c t i v ef o r c e ，b r a k i n gf o r c ea n dl a t e r a l f o r c ea c to nt h ew h e e lt r a n s f e rt ot h es u s p e n s i o ns y s t e m ，f r a m eo rc a r n a g e s ot h e p e r f o r m a n c e o fa u t o m o b i l ed r i v ea x l e h o u s i n gs t r u c t u r e a f f e c t sw h e t h e rt h e a u t o m o b i l ed e s i g ni ss u c c e s s f u lo rn o t w 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 e i n d u s t r y t h ep e r f o r m a n c e r e q u e s tb e c o m e ss t r i c t e r a n ds t r i c t e r , w h i c hm a k e s c o n v e n t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o d so fd e s i g nc a n tm e e tt h en e e d so fm o d e m a u t o m o b i l ed e s i g n t h ea p p e a r a n c eo fc o m p u t e r sa n dt h ed e v e l o p m e n to ff i n i t e e l e m e n tm e t h o db r i n go nan e wr e v o l u t i o na b o u tt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f a u t o m o b i l ed r i v ea x l eh o u s i n gs t r u c t u r e u s i n gf i n i t ed e m e n tm e t h o dt oa n a l y z e a u t o m o b i l ed r i v ea x l eh o u s i n gs t r u c t u r ea n dt a k i n gi to p t i m i z a t i o ni n t oa c c o u n tm a k e s e n s ei ni m p r o v i n ga u t o m o b i l ep e r f o r m a n c e , r e d u c i n gt h ec o s to fd e s i g na n d m a n u f a c t u r eo f c a r sa n di n c r e a s i n gc a p a b i l i t yo f m a r k e tc o m p e t i t i o n t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri sc o m b i n e dw i mav e h i c l e sd r i v ea x l ea n dt h ea c t u a l m o d e l ，t h ec u r r e n te n e r g yc r i s i sa n dt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fl i g h t w e i g h t d e s i g n ，m a d eo fl i g h t w e i g h td r i v ea x l eh o u s i n gt ot h er e s e a r c ho b j e c t i v e s i ti sb a s e d o nf e ms t a t i ca n dd y n a m i ct h e o r y , t h e3 dm o d e lo ft h ed r i v ea x l eh o u s i n gi s e s t a b l i s h e di nt h ec a t i ao nt h eb a s i so ft h i sm o d e l ，t h ef e ai ss i m u l a t e di n c o m p u t e ru n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fh y p e r m e s ht og e tt h er e s u l t s o fs t r e s s d 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 ef i r s te l e v e nn a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o ns h a p e u n d e rt h ef r e ec o n s t r a i n t t h er 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 h d e m a n d ，i ti sr e l i a b l eu 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 e o ft h eh o u s i n g , t h e nb 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 i n go f h y p e r m e s h a st h er e s u l ti n d i c a t e st 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 d r e m a r k a b l ya n dt h em a x i m u ms t r e s si nh o u s i n ga p p r o a c h e si t sb r e a k i n g - p o i n tw h i c h b 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 sd i s t r i b u t e sr e a s o n a b l y i ti sa u n i v e r s a la n a l y t i c a lm e a l l sw h i c hc o u l db ea p p l i e dt oa n yo t h e rk i n do fa x l eh o u s i n g 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：d r i v ea x l eh o u s i n g ；h y p e r m e s h ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ； s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另l j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：这邈退日期：竺! ! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 驱动桥在众多的汽车零件中作用相当重要，它承担着道路和汽车悬架之间 的各种复杂力以及力矩，是汽车工作条件最差的一个总成，如果设计得不恰当， 将导致严重后果。今天汽车业面临的主要挑战是一个买方市场的形成和产品更 新快速的步伐的加快。汽车产品开发的变型设计的一个重要手段，是在现有产 品的基础上，保持了一系列基本结构不作改变，将它的局部结构的作出相关改 变和一定的调整范围，包括尺寸或配置功能，以适应市场需求快速形成新产品。 为了确保驱动桥壳的可行性和在设计过程中工作的可靠性变型设计必须考虑应 力分布，变形和应力的计算和验证的关键部件1 1 l 。 1 1 研究意义和目的 近年来，为了应对可能的能源危机，在不降低汽车性能的情况下，降低汽 车油耗具有重大的现实意义。从环境角度看，汽车每年向大气中排放的二氧化 碳量多达4 0 亿吨，占世界全部二氧化碳排放量的2 5 ，而其它汽车排放物如氮 化物、硫化物、微粒物等也是大气污染的重要因素。 欧、美、日等国家在数年前已开始重视能源及环保的议题并制定相关法令。 轻量化、环保回收及节约能源已成为全球汽车产业发展的趋势。从汽车销售的 角度来看，随着油价的不断攀升，汽车油耗也越来越成为影响国家政策及消费 者选择车型甚至是决定是否购车的重要因素。 有研究数据显示，若汽车整车重量降低1 0 ，燃油效率就可以提升6 0 o , - - - 8 ， 汽车整备每减少1 0 0 公斤，百公里油耗可降低0 3 - 0 6 升，二氧化碳排放可减 少约5 克公里。汽车车身约占汽车总重量的3 0 ，空载情况下，约7 0 的油耗 用在车身重量上【z l 。从驾驶方面来看，汽车轻量化后加速性提高，车辆控制稳定 性、噪音、振动方面也均有改善。从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性小，制动距 离减小。因此，在现如今新能源开发及其配套设施尚未着落之前，轻量化科技 对于提升汽车燃油效率方面的价值应该是更加值得重视的。 武汉理工大学硕士学位论文 驱动桥桥壳作为汽车的主要传力件和承载件，使用频繁，故障率较高，其生 产质量和性能直接影响到车辆的整体性能和有效使用寿命。因此桥壳必须具有 足够的强度、刚度和良好的动态特性。合理地设计桥壳也是提高汽车平顺性和 舒适性的重要措施。由于还必须保证车辆在加速、紧急制动和各种不同路面条 件下的正常工作，所以桥壳是车辆上工作环境最恶劣的部件田。根据经验，它们 的损坏大部分都是由于外界激励的频率达到车桥固有频率产生的共振引起的较 大动应力而造成的【3 l 。因此，关于桥壳强度的研究就成了车辆零部件破坏研究的 重中之重。汽车的行驶状态是复杂的，车桥要经受各种复杂工况所产生的动态 载荷，这些动态载荷产生的动应力往往比静态应力大出很多倍，它们才是导致 桥壳破坏的危险因素。研究驱动桥壳静态和动态特性，有利于合理地减轻桥壳 的质量、降低动载荷，提高汽车行驶的平顺性，具有重要的现实意义，这也是 研究整车的重要课题之一。 1 2 国内外汽车轻量化技术应用现状 汽车轻量化是当代国内外汽车工业发展的一个重要课题： ( 1 ) 在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件 的质量，降低燃耗，减少排放污染。 ( 2 ) 在使汽车减轻质量、降低燃耗、减少排放的同时，努力谋求高输出功 率、高响应性、低噪声、低振动、良好操纵性、高可靠性和高舒适性等。 ( 3 ) 在汽车轻量化的同时，汽车的价格应当下降或保持在合理水平，具有 商业竞争能力，即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。 汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用。汽车轻量化减小了汽 车的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力，这些都可以降低油耗。同时如果使动力 性能不变，通过恰当的齿轮传动比也可以使油耗降低。汽车轻量化有利于改善 汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能等多方面的性能。 目前国内外汽车轻量化技术的发展迅速，主要的轻量化措施是如下所述。 ( 1 ) 轻量化的结构设计和分析，而且这种设计已经融合到了汽车的前期概 念设计阶段。由于计算机技术的飞速发展，目前利用c a d c a e c a m 一体化技术 可以实现汽车的轻量化设计、制造。计算规模、计算容量和计算速度对于各种 实用程序来说已不是主要矛盾，有关理论与软件的不断发展进步使计算机辅助 2 武汉理工大学硕士学位论文 分析如虎添翼，计算机辅助分析技术将在汽车工业中起着越来越重要的作用。 计算机辅助结构优化设计分析技术在汽车开发设计中的地位和作用。它不仅使 得汽车开发周期大为缩短，研发投入大大减少，而且使开发的产品更为优秀可 靠。 ( 2 ) 轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料 等，并在前期与结构设计融为一体，以及相应的装配、制造、防腐、连接等工 艺的研究应用。很多汽车公司都在发动机的活塞、散热器、油底壳、缸体和缸 盖、曲轴箱、连杆、滤清器、发动机架等部件上采用铝合金材料。发动机使用 铝材不光是带来了减重省油的效果。现在的轿车发动机多为前置式，造成前重 后轻，为了保证良好的操纵稳定性和乘坐舒适性，必须平衡前后质量。宝马新7 系发动机中的很多部件就由铝合金加工而成，另外还采用了铝合金引擎盖、铝 合金保险杠等。除此以外，铝合金材料还被广泛用于车门、发动机罩、行李箱 罩、地板和翼子板、座椅等，铝合金在汽车上已经无处不在，如奔驰s 级轿车 中的铝件：前盖板、前围板、副车架、后桥、气缸体等。奔驰s 级轿车上的铝 件目前镁合金在汽车上一般用于：发动机部分的气缸体、曲轴箱、汽油和空气 滤清器壳体、进气歧管、油泵、配电器、风扇等；底盘上离合器和变速器的壳 体、车架、方向盘和转向器、轮毂等。 目前，塑料大都使用在汽车的内外饰件上，如仪表板、侧围内衬板、车门 防撞条、扶手、车窗、散热器罩、挡泥板、车门外板、行李舱盖、扰流板、座 椅支架等，为汽车饰件的软饰化、高档化、舒适化起到了很大的作用。塑料在 汽车功能件上的运用也越来越多，例如发动机及其相关系统、冷却系统等。同 时，塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。 近年来国内在驱动桥壳的优化设计方面做了不少的工作。充分反映了轻量 化发展速度之快。 文献 1 针对某微型汽车驱动桥样件在进行强检时出现桥壳断裂的现象，以 有限元的基本理论为依据，利用面向特征建模方法，建立了该驱动桥三维几何 模型和有限元分析模型。根据解算结果，该车桥在桥壳局部出现明显应力集中 区域：通过改变桥壳局部结构和受力，局部应力明显降低：将改进后样件进行实 际装车试验，未出现桥壳断裂现象 文献砰 2 作者对我国生产的一种汽车后桥壳进行了大位移、大应变弹塑性 有限元模拟分析，求得了加载点的载荷一位移变化曲线、最大应力点的弹塑性 武汉理工大学硕士学位论文 应变、载荷变化曲线、危险截面的弹塑性应力、载荷变化曲线、危险截面达到 全面屈服时的屈服载荷等，为汽车后桥的强度评价及疲劳寿命估算提供了有关 数据。 文献 3 作者基于多学科交叉的对某微型货车进行了优化设计，作者将各零 部件的焊接方法改进，结合噪声与振动对某些厚壁零件进行了拓扑优化，最后 综合达到轻量化的目的，方法有创造性，值得借鉴使用。 文献 5 】 6 7 8 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，利用先进的有限元分析软件a n s y s 建立桥 壳的有限元动态响应模型，计算出任意载荷条件下结构的应变响应，确定疲劳 危险点，进而可进行结构疲劳分析的计算机模拟，并进行了有限元的模态分析 和瞬时动态分析及强迫振动分析，找出了最大动应力的出现位置，得出了大量 的实验数据，验证了有限元方法的正确性。 相信经过中国汽车技术人员的不断的努力，我国设计和制造驱动桥桥壳的 水平会很快赶上国外先进水平。 1 3 课题研究内容 通过理论仿真分析的方法研究现有某车型驱动桥壳的工作性能，在应用原有 材料，且保证其行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性的前提下尽可能降低汽 车产品自身重量，以达到减重，降耗，环保，安全的综合指标。 研究内容： ( 1 ) 应用c a t i a 软件构建驱动桥壳的几何模型的研究； ( 2 ) 应用h y p e r m e s h 软件对已有几何模型进行网格划分； ( 3 ) 应用h y p e r m e s h 软件对模型进行四种工况下的静态分析； ( 4 ) 用有限元法建立桥壳的动力学分析模型，对汽车驱动桥壳进行模态分析， 提高仿真模拟精度； ( 5 ) 对驱动桥桥壳结构轻量化的研究。 拟解决关键问题： ( 1 ) c a t 认几何模型建立的精确度； ( 2 ) 用h y p e r m e s h 软件对模型进行四种典型工况下的静态分析和模态分析 前网格划分及施加载荷的准确度； 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 桥桥壳结构轻量化研究时结构优化方法的选择。 以下是本文的大致工作流程图： 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章驱动桥壳三维模型的建立 2 1c a t i a 软件简介 2 1 1c a iia 概述 c a t i a v 5 是基于w i n d o w s 平台的全参数化和以特征建模技术为核心的特征造 型软件，它与w i n d o w s 保持一致风格的菜单条、标准的快捷键、上下关联的菜 单、多文档界面、可以使不同的w i n d o w s 应用程序共享数据的o l e 集成，c a t i a v 5 的功能模块包括下述各个部分【5 】： ( 1 ) 轮廓的参数设计 ( 2 ) 零件的造型 ( 3 ) 曲面的造形 ( 4 ) 装配造型 ( 5 ) 工程图生成 ( 6 ) 数据交换功能 ( 7 ) 二次开发 ( 8 ) 标准件库 零件装配是c a t i a 基本的、也是最具优势和特色的功能模块，包括创建装 配体、添加指定的部件或零件到装配体、创建部件之间的装配关系、移动和布 置装配成员、生成产品的爆炸图、装配干涉和间隙分析等主要功能。 应用c a t l a 构建精确的模型可以直接应用于其他分析软件a n s y s 有限元 方法。q 虹认的三维c a d 软件和其他与标准数据接口软件，便于模型的数据 转换。 2 1 2 基于c a t i a 的三维造型与装配及其优点 由于本论文主要依靠c a t i a v 5 版本来建立三维立体模型，之所以要使用 c a t i a 软件建模，就是因为它具有极其方便快捷的操作性，强大的数据交换功能， 能够将模型快速而准确的建立起来，然后将模型导入到分析，仿真或者计算软 件中，一来节省建模时间，二来可提高模型质量。下面重点介绍一下基于c a t i a 6 武汉理工大学硕士学位论文 的三维造型步骤方法及其优点。 ( 1 ) 草图设计 草图设计是三维设计的起点，其实质是二维线、面设计，具有传统二维软 件设计的功能。参数化设计的基本方法是从开始，通过施加尺寸和几何约束生 成草图特征，再应用尺寸驱动技术自动生成零件的三维实体模型，在利用草图 技术生成二不必输入，可以在以后的参数设计过程中得到。这样，在进行产品 设计时，可以随时根据需要调整设计尺寸，而不必在设计之初就明确各设计尺 寸，增强了的易操作性，更好地实现了人性化设计，而且对于设计系列产品及 原产品的改进和零部件的”借用”都方便。 ( 2 ) 生成三维零件毛坯 c a t i a 具有很强的三维实体建模的功能，当用户在草图平面绘制二维图形 后，进入零件设计( p a r t d e s i g n ) 模块，可以通过旋转、拉伸、放样、加肋、拔 模等方法生成所需的三维零件毛坯。同时还可利用参数化约束功能，根据需要 随时进行修改。设计者可以直接针对零件毛坯进行形体改变，实现了设计过程 由”绘图”向”设计的转变，而且c a t i a v 5 提供的各项具体功能使三维模型的设 计更类似于生产加工过程，较好地实现设计与加工的结合。 ( 3 ) 完成三维造型 c a t i a v 5 提供基于特征的设计，即将特征作为设计的单元，将产品视为特征 的有机结合，通过由类到对象的逐步描述来实现具体的形状设计。在生成三维 零件毛坯后，可利用打孔、开槽、抽壳、倒角、加凸、内外螺纹等t 具对”毛坯 ”进行加工”，最终完成机械零件实体造型。 ( 4 ) 完成虚拟装配 虚拟装配是利用虚拟装配技术，在计算机上将三维模型装配到一起，这样 可避免物理原型的应用，也可对零部件进行间隙和干涉检验，减少样品差错率。 能在产品设计过程中利用各种技术手段如分析、评价、仿真等，并充分考虑产 品的装配环节及其相关过程中各种可能因素的影响。在满足产品性能与功能的 条件下改进产品的装配结构，使设计出的产品不但可以装配，并尽可能降低装 配成本和产品总成本，大大缩短设计周期。 基于c a t i a 的虚拟装配模式有并行、自下而上和自上而下的产品开发方法， 本文重点介绍自下而上的设计方法。先在零件模块中构造各零件的三维模型， 然后在装配模块中建立零部件之间的位置约束、定位关系，即将零件间的实际 7 武汉理工大学硕士学位论文 配合关系量化为虚拟装配过程中的各零部件实体之间的位置约束关系i s 。这样， 零部件的几何体是在装配过程中被利用，而并不是简单地被复制到装配中，真 正地实现了零件的”虚拟”装配。 c a t i a 的装配工作台提供灵活、直观的工具，用来确定各零件间的关系。 装配工作台允许用户将各个组成零件和各种子装配件组合到一起形成最终的装 配体，在装配环境中，根据定义的约束，零件可以被修改、分析以及重定位h j 。 c a t i a 具有单一数据库的特性，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个 装配部件保持关联的一致性，如果修改整个零部件，则引用它的装配件自动更 新，实时反映零部件的最新变化。虚拟装配的步骤：在c a t i a v 5 所提供的装配 工作台上，导人需装配的零、部件( c a t i a 提供的插入部件的方法主要有插入部 件、插入产品、插入新部件和插入已存在的部件等) 。然后，对零部件进行适当 的约束并建立装配关系，根据不同零件的装配要求，选用不同的约束关系，最 后得到完整装配模型1 5 j 。 和p r o e 的相比，为了方便设计师在零件之间的设计标准和部件的装标 准有一个清晰的区别认识，利用c a t i a 的组装过程中自动设置了两个包含 设计基准点重合关系的组装部件。 2 2 驱动桥的结构简介 汽车的驱动桥处于传动系的末端，其基本功用是增大由传动轴或直接由变速 箱传来的扭矩，将扭矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车 行驶运动学所要求的差速器功能，同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或 车厢之间的垂直力、纵向力和横向力。本章就国内某生产重型载货汽车企业生 产的一系列产品进行简单介绍，包括其系列驱动桥的结构组成，在使用过程中 的容易损坏的零部件及其各项参数介绍等等。以期望从整体上了解国内驱动桥 的技术特点，以便对后面的研究工作给予一定指导作用。 2 2 1 驱动桥的基本结构 载货汽车常见结构中，驱动桥主要是由主减速器总成、差速器总成、桥壳 总成、半轴等零部件组成，见表2 1 。图2 1 和2 2 为该汽车公司1 1 4 1 车型的驱 动桥后桥总成图以及后桥分解图。 武汉1 人学砸十学位论立 半轴的功用是将差速器传来的动力传给驱动轮，为实心轴，在商用车上常 采用全浮式半轴支撑，即半轴仅承受转矩，而不承受弯矩。 桥壳的结构型式目前可分为可分式桥壳，整体式桥壳和混合式桥壳，其中 可分式桥壳由于由两到三段组成剐度和强度都不如整体式桥壳的好，而且装 配和维修主减速器和差速器等零件时需要整体拆卸，现在极少被使用。组合式 桥壳具有质量轻精度高等特点，但是由于刚度较差，主要使用在微型汽车，轿 车和轻型载货汽车上。”峰文要研究的是重型载货汽车驱动桥壳，使用的一般为 整体式桥壳，它具有加工简单，刚度和强度大的优点。 重型载货汽车桥壳型式有铸造桥壳和冲焊桥壳两种。铸造桥壳型式为铸造 桥壳体两端压八半轴套管，并用止动螺钉限止它相对壳体的轴向移动。1 0 9 2 f 、 2 0 8 1 e 、2 0 8 2 e 、1 1 0 8 g 6 d 系列载货汽车的驱动桥属于此类型。【7 】 冲焊桥壳型式为钢板冲压而成的上下两个半壳体、四块三角形镶块、前后两 加强环、一个后盖以及两端两个半轴套管焊接而成。2 1 0 0 e 、2 1 0 2 、1 1 4 1 g 、4 2 4 3 g 、 3 2 0 6 g 、3 2 0 8 g 、4 1 8 6 g 系列载货汽车的驱动桥属于此类型。冲焊桥壳与铸造桥 壳相比大大减轻了重量。 图2 一l1 1 4 1 后桥总成 武汉4 t 大学碗j 学位论立 图2 21 1 4 1 后桥分解图 本文将要研究的某汽车公司的各种车型的主减速器总成均为单级减速、准双 曲面齿轮。 差速器总成由四个圆锥行星齿轮、四个行星齿轮垫片、一个十字轴、两个圆 锥半轴齿轮、两个半轴齿轮垫片和差速器左右壳及联接螺栓组成。半轴为全浮 式半轴。 图2 - 31 1 4 1 冲焊后桥壳结构 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 主要车型后桥基本组成 车型后桥总成后桥壳总成桥壳型式主减速器总减速比 成 1 0 9 2 f2 4 d - 0 0 0 0 5 b2 4 0 1 d 0 1 0 - b 铸造桥壳 2 4 0 2 d 1 0 c6 3 3 1 1 1 2 f 4 d2 4 d 7 2 0 0 0 0 52 4 0 1 d - 0 1 0 b 铸造桥壳 2 4 0 2 d 7 2 1 05 8 3 1 0 9 2 f 8 d2 4 d 8 6 4 ) 0 0 0 5 2 4 0 1 d 0 1 0 - b 铸造桥壳 2 4 0 2 6 8 5 国1 06 3 3 4 0 9 2 f 8 d2 4 d 4 6 - 0 0 0 0 52 4 0 l d 0 1 0 b铸造桥壳2 4 0 2 8 6 8 一0 1 06 8 3 1 1 l o k r 62 4 d r l o 旬0 0 0 5 2 4 0 l d r l o 旬l 铸造桥壳 2 4 0 2 d r l 0 _ o l o6 8 3 dao a 1 0 9 4 f 6 d2 4 f i - 0 0 0 0 52 4 0 1 f 旬l o冲焊桥壳 2 4 0 2 f 2 0 l o6 8 3 旬2 6 1 0 9 4 f 6 d2 4 f a - 0 0 0 0 52 4 0 l f a 一0 1 0 铸造桥壳 2 4 0 2 f 2 0 1 06 8 3 0 2 7 1 1 0 8 g 62 4 8 4 0 0 0 0 0 52 4 0 l b 4 0 - 0 1 0 冲焊桥壳 2 4 0 2 f 2 - 0 1 06 3 3 d 1 3 1 1 5 4 f 6 d2 4 h 2 0 a - 0 0 0 0 5 2 4 0 l h 2 0 旬l o 冲焊桥壳 2 4 0 2 f 2 - 0 1 06 8 3 1 1 3 5 f 1 92 4 f 5 5 - 0 l o 0 0 52 4 0 1 f 5 5 - o l o 冲焊桥壳 2 4 g la a 0 55 8 3 d 1 1 4 1 g2 4 n - 0 0 0 0 52 4 0 l n - 0 1 0冲焊桥壳 2 4 0 2 n 旬1 06 1 6 6 1 1 4 l g l2 4 n 2 旬0 0 0 s2 4 0 1 n - 0 1 0冲焊桥壳2 4 0 2 n 2 _ 0 1 05 5 7 1 2 2 2 驱动桥型号选择 通过对对该公司一系列车型的介绍，最后我选择了1 1 4 1 型驱动桥的桥壳作 为研究对象，考虑选择因素是 ( 1 ) 该车型在国内广泛被用来作为专用车的改装基础，使用的不同工作条 件可能比较多； ( 2 ) 该车型的驱动桥壳为冲焊式整体桥壳，其结构主要包含两块钢板，而 对钢板的厚度比较方便进行改进； ( 3 ) 其结构为而且它还是该公司比较早期的型号，应当有改进的余地。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 为该型号桥壳设计时的相关技术参数。 表2 - 2 11 4 1 型后桥主要技术参数 额定轴荷1 0 0 0 0 k g 自重 5 6 8 k g 适用车轮轮距1 8 6 0 m 适用轮辋型式 7 5 - 2 0 制动器规格 4 1 0 x1 8 0 m m 最小离地间隙2 4 8 m m 最大输出扭矩 3 0 0 0 0 n m 可选速比 6 8 36 56 1 6 6 5 5 7 14 8 7 54 4 4 2 3 驱动桥壳的实体造型 2 3 1c a t i a 建模简化原则及方法 有限元分析必须进行机械零、部件的三维实体造型。三维实体模型的建立 对于仿真和分析十分重要，有限元模型是进行有限元分析的最终模型，它既要 如实反映实际结构的重要结构特征和重要力学特性，又要采用尽量少的单元和 简单的单元类型，以较少的时间和运算量，保证较高的计算精度【1 0 l 。 ( 1 ) 简化原则： 保证计算结果的准确性，1 尽量减少节点数量：保持总体结构不变：保留危险 部位的细节结构。 ( 2 简化方法： a 略去不必要的圆角： b 略去工艺结构： c 忽略细节特征，如倒角，不重要区域的小孔及小尺寸细节结构等： d 简化非危险区的小尺寸细节结构： e 如果没有对复杂结构进行简化，也没有忽略细节特征，使用c a t i a 提供 的压缩特征的功能，也是简化模型的好方法。 c a t i a 提供的压缩特征的功能，可以按照用户要求屏蔽复杂结构的特征，输 出简化的结构模型。注意压缩功能只对修饰特征压缩，如圆角、棱角、小的槽、 1 2 武汉理工大学顿l 学位论文 定位孔等：考虑特征间的父子关系，如果被压缩的特征是其它关键特征的父特 征，那么就必须重新定义特征的父子关系【删另外，同样的压缩可能会对不同的 结构分析产生不同的影响。模态分析可以压缩的特征，也许并不适用于强度分 析。如模态分析时可以忽略能够产生应力集中的特征，但在强度分析时就必须 考虑这些因素。另外，压缩特征，可能会影响到灵敏度分析和优化分析。 2 32 驱动桥壳的简化建模 本次所建有限元模型为片体模型，模型要能反映危险部位具体结构对桥壳 应力的影响因此有限元模型要尽量保留原实际结构的细节 1 q 。但为减少有限 元模型节点数量、节约机时、避免不必要的浪费，需要对非危险部位的细节进 行结构简化1 1 ”。图2 - 4 和图25 为未经简化的驱动桥模型。 后桥壳总成主要由桥壳半壳、轮毂轴管、钢板弹簧导向座、滑板、上推力 杆支架、下推力杆架、加强圈、后盖等组成。桥壳是安装主减速器、差速器、 半轴、轮毂和悬架的基础件，起着支承并保护主减速器、差速器和半轴的作用 2 0 l 。 同时，它又是行驶系的主要组成件之一，和从动桥一起承受汽车重量，使左、 右驱动车轮的轴向相对位置固定“”。汽车行驶时，承受驱动轮传来的各种作用 力及反力力矩，并通过悬架传给车架。 图2 - 4 未经简化的桥壳立体模型( 一) 武汉理1 大学硕十学位论文 图25 未经简化的桥壳立体模型( 二) 此外，由于这一部分是具有特殊的作用的零部件特别是在重型卡车上面 其责任重大，它的作用是重要的，它是必须承受重量的部位，而且还承受车轮 与地面的影响庞大的动态载荷，而且对必须有刚性连接和适当的润滑的主齿轮 箱和一些结构复杂的零部件而言这一零部件还负责其安装和保护功能阎。本 论文为了减小工作难度，缩短后续分析计算的机时耗费，将桥壳模型简化处理， 因此会与实物相差甚大。我将会在尽量考虑几何模型的特点及各部分的受力情 况，约束关系，在尽量保留细节的情况下对其进行简化处理。 桥壳原型如下图所示，除了桥壳本体和两端轴管以外，其上还有很多小的细 微设计，建模之前必须简化，以利于前期建模和后期的有限元计算。 本文应用c a t i a 软件建立该驱动桥壳的几何模型。根据驱动桥的结构型式和 工作特点，拟对该桥进行如下简化： ( 1 ) 由于汽车桥壳尺寸基本为左右对称我在本文为了建模和分析计算的方 便就将其简化为左右对称式，后面施加戴荷约束等时也有假设为对称的。 ( 2 ) 忽略掉加油口、放油口、固定油管和导线的金属卡、桥壳中部的开口褙、 扳簧座处的中心孔等几何特征 武汉理工 学硕士学位论立 ( 3 ) 假设轮毂轴管( 半轴套管) 和驱动桥壳是一体的将起连接桥壳与轮毂轴 管作用的衬套当作桥壳部分。 ( 4 ) 简化了受力小而又引起截面突变的部分，如忽略了轮毂轴管的台阶及台 阶处的过渡倒角和圜角，将半轴套管视为两段等直径的套管，忽略掉桥壳两端 轴承座处的台阶。 ( 5 ) 将一些不等厚的结构假设成等厚度的，以便于中截面的提取： ( 6 ) 省略桥壳后盖及主减速器对桥壳拇度的影响，省去a b s 支座 简化后用c t i 建模如图2 - 6 所示 2 4 本章小结 图26 简化后驱动桥壳几何模型 本章先介绍了三维建模方面表现优异，使用也比较广泛的c a t i a 软件，随 后根据建模简化原则，结合驱动桥实体桥壳结构，提出了一系列简化方法，最 后建模完成。值得一提的是在轴管和桥壳本体两种不同截面( 轴管为圆形截面， 桥壳本体为方形截面) 连接部分，如图2 7 所示处使用了曲面连接方法。 武汉理i 大学硕学位镕立 而熹i 量羔l 二_ 一型! 塑立塑王虹堕兰! l 蔓。j 图2 7 驱动桥壳曲面连接处 第3 章驱动桥壳有限元模型的建立 3 1h y p e r w o r k s 系列软件介绍 h y p m o r k s 软件产品包含不少企业都普遍应用的h y p e r v i e w ，h y p e r m e s h ， o p t i s t r u c t ，h y p e r g r a p h ，h y p e r s t u d y 和h y p e r f o r m 等，a l t a i r 公司的旗舰 产品为h y p e r m e s h ，限制于本文篇幅，就只简单介绍一下本章要用到的 h y p e r m e s h ，以及后面要用到的o p t i s t r u c t 结构优化模块。 31 1 h y p e r m e s h 简介 h y p e r m e s h 是一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限 元和有限元差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格 划分功能。h y p e r m e s h 是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软 件，工程设计人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分 析。 h y p e r m e s h 的通行用户界面易于学习，可以直接使用c a d 几何数据和现存的 有限元模型，从而减少附加的冗余数据。其先进的后处理工具可以根方便地模 拟结果，并使之易于理解。h y p e r m e s h 的速度、灵活性和用户化功能比较完整。 图3l 所示即为h y p e r m e s h 的用户界面。 图3 - 1l y p e r m e s h 窗口简介 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) h y p e r m e s h 的几何接口 通过输入和输出，h y p e r m e s h 能够兼容目前业界领先的各种c a d 软件的数据 来生成有限微分模型。在h y p e r m e s h 中有一系列的工具，可以来对输入的几何 实体进行清理和修补。支持多种几何图形格式输入。 ( 2 ) h y p e r m e s h 的求解器接口 h y p e r m e s h 支持多种求解器输入输出格式，与主流求解器无缝集成。此外， 还具有很强的灵活性，可通过一整套输出模板语言和c 语言库来开发输入数据 转换起，从而可以支持其他求解器，支持多种有限元分析软件。 ( 3 ) h y p e r m e s h 的网格分 h y p e r m e s h 包含了全面且易于操作的工具性程序。二维和三维有限元模 型可以通过一系列阿格生成工具和h y p e r m e s h 的自动网格模块实现创建。 ( 4 ) h y p e r m e s h 的后处理 h y p e r m e s h 提供了一整套后处理功能，能够使用户方便精确的理解和分析复 杂的模拟结果，还提供了一整套可视化工具，使用等势面、变形结果、等高线、 瞬时结果、向量绘制以及用切割面轮廓线等方式对结果进行显示。h y p e r m e s h 还 能将变形通过线性和模态方式动态显示。 ( 5 ) h y p e r m e s h 的用户化设置 h y p e r m e s h 提供了多种开发工具，使用户能够将之很好的运用到现有的工程 设计工艺中，便于二次开发。 3 1 2o p tis t r u c t 简介 o p t i s t r u c t 是专门为产品的概念设计和精心设计开发的结构和优化工具， 是当今最成熟的也是应用最广泛的优化类软件。o p t i s t r u c t 是以有限元方法为 基础的最优化工具，凭借拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化，可产生 精确设计概念或布局。各优化功能的使用对象及范围如下： 1 、拓扑优化( t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ) 在给定的设计范围内找到最优的材料分布。 2 、形貌优化( t o p o g r a p h yo p t i m i z a t i o n ) 在钣金件上找出最佳的加强筋位置和形状。 3 、形状优化( s h a p eo p t i m i z a t i o n ) 基于有限元网格优化产品的位置和几何形状。 4 、尺寸优化( s i z eo p t i m i z a t i o n ) 尺寸和参数优化，如优化壳体厚度等。 其良好的优化设计可以为产品的优化目标提供完整可行的解决方案。 o p t i s t r u c t 拥有快速精确的线性有限元求解器。工程师可以使用其中的标准单 武汉理工大学硕士学位论文 元库和各种边界条件进行线性静态、自然频率、惯性释放和频率响应分析。 o p t i s t r u c t 和h y p e r m e s h 之间有无缝的接口，从而使用户可以快捷的进行问题 设置、设置和后处理等一整套操作【2 7 1 。 o p t i s t r u c t 有效的优化算法允许在大模型中存在上百个设计变量和响应， 其特点如下： ( 1 ) 包含多种设计变量及合并的设计变量 ( 2 ) 强大的优化算法 ( 3 ) 可设置临界约束，加快优化计算效率 ( 4