基于有限元中型货车半轴与桥壳设计【汽车类】【4张CAD图纸】【优秀】

基于有限元中型货车半轴与桥壳设计

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驱动桥壳和半轴装配图.dwg

摘    要

　　　中型货车在汽车行业中应用较广泛，而半轴与桥壳是中型货车重要的承载件和传力件。驱动桥壳支承汽车重量，并将载荷传给车轮。其设计的成功与否决定着车辆的动力性、平顺性、经济性等多方面的设计要求。因此，驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，合理地设计驱动桥壳也是提高汽车平顺性的重要措施。

　　　本文以有限元静态分析理论为基础，将CAD软件Pro/E和ANSYS结合运用主要完成了以下设计内容：

驱动桥的总体方案确定和半轴的设计校核；

驱动桥的设计和多工况校核；

桥壳模型的简化和Pro/E建模；

运用ANSYS软件对桥壳进行多工况分析，验证设计的合理性。将CAD软件Pro/E和ANSYS结合运用，完成了从驱动桥壳和半轴三维建模到有限元分析的整个过程，并对其进行了强度和刚度的校核。

关键词： ANSYS；驱动桥壳；半轴；静力分析；强度；刚度

ABSTRACT　

　Medium goods vehicle applications in the automotive industry more widely, and axle and the axle housing is an important medium goods vehicle parts and force the bearing parts. Vehicle weight bearing axle, and wheel loads pass.Designed to determine the success of vehicle dynamics, ride comfort, economy and other aspects of the design requirements. Therefore, the drive axle housing should have sufficient strength, stiffness and good dynamic characteristics, the rational design of drive axle to improve vehicle ride comfort is also an important measure. In this paper, the finite element static analysis based on the theory, ANSYS and the CAD software Pro/E combined use of the design was completed for the following elements:    (1) the overall scheme for the drive axle and axle design verification;    (2) drive axle design and multi-condition check;    (3) shell model bridge model simplification and Pro/E;    (4) the use of ANSYS software, multi-axle condition analysis, verify the design is      reasonable. Pro/E CAD software and ANSYS will be combined with the use of complete three-dimensional modeling from the drive axle to the finite element analysis of the entire process, and gain checking the strength and stiffness.

Key words: ANSYS; Drive axle housing; Static analysis; Strength; Stiffness　　　　　　　　　　　　　　　　　

目录　　　　　　　　　　　　　　　　　

摘要I

AbstractII

第1章 绪论1

1.1选题背景目的及意义…1

1.2国内外研究状况.1

1.3设计主要内容和拟解决的问题3

第2章 驱动桥的总体方案确定4

2.1设计车型主要参数4

2.2驱动桥形式的确定6

2.3半轴形式的确定7

2.4驱动桥设计要求8

2.5本章小结9

第3章  驱动半轴的设计10

3.1全浮式半轴计算载荷的确定10

3.2全浮式半轴的杆部直径的初选11

3.3全浮式半轴的强度计算.11

3.4半轴花键的强度计算12

3.5半轴材料与热处理13

3.6本章小结………….……………………………………………………………….14

第4章 驱动桥壳的设计………………………………………………………………….14

4.1铸造整体式桥壳的结构……………………………………………….……….14

4.2桥壳的受力分析与强度计算……………………………………………………15

　　　4.2.1桥壳的静弯曲应力计算……………………………………………….15

　　　4.2.2在不平路面冲击载荷作用下的桥壳强度计算…………………….17

　　　4.2.3汽车以最大牵引力行驶时的桥壳强度计算…………………….……18

　　　4.2.4汽车紧急制动时的桥壳强度计算…………………………………….19

　　　4.2.5汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算……………………………….…22

4.3本章小结…………………………………………………………………………23

第5章 驱动桥壳几何模型的建立……………………………………………………….24

5.1 Pro/E的简介………………………………………………………………………24

5.2几何模型的简化…………………………………………………………………24

5.3驱动桥桥壳几何模型的建立……………………………………………………25

5.4本章小结…………………………………………………………………………27

第6章 驱动桥壳的有限元分析…………………………………………………………28

6.1驱动桥壳的静力分析……………………………………………………………28

6.1.1驱动桥桥壳静力分析的典型工况…………………………………………28

6.1.2载荷与约束的处理…………………………………………………………30

6.2各工况的ANSYS分析过程详述…………………………………………………31

6.3各个工况的ANSYS分析结果36

6.4驱动桥壳的模态分析……38

6.5驱动桥ANSYS分析过程详述…….38

6.6驱动桥ANSYS分析结果….40

6.7本章小结…….43

结论……44

参考文献……45

致谢……46

　　从国内的研究现状可以看到，国内对桥壳的有限元分析虽然做了很多工作，但是与国外的研究相比有较大的差距，主要表现在多是按照经验修改主要部件的尺寸参数，往往只校核在静态工况下的强度和刚度；在桥壳的设计过程中使用有限元分析软件指导设计的应用范围较小，往往只是几个大的集团公司采用了这种先进的设计方法，大部分中小企业还未能将其应用于实际生产过程中。

1.3 设计主要内容和拟解决的问题

1、设计内容

　　　依据主要技术指标确定半轴与桥壳的类型，对其结构进行设计，并计算相应参数尺寸，对主要结构尺寸进行校合，有限元技术在ANSYS中对半轴与桥壳进行强度校核，对其应力分布和变形分布状况进行研究，验证设计的合理性。

2、拟解决问题

　　　（1）半轴的设计

　　　　　　1）半轴计算载荷的确定

　　　　　　2）半轴的杆部直径的初选

　　　　　　3）半轴的强度计算

　　　　　　4）半轴花键的强度计算

　　　（2） 桥壳的设计

　　　　　　1）桥壳的受力分析

　　　　　　2）桥壳的静弯曲应力计算

　　　　　　3）各种工况下桥壳强度的校核

　　　（3） ANSYS软件分析验证

   （4） 利用CAD软件绘制半轴与桥壳图纸。

图2.2车辆外形尺寸图

表2.1车型号：CA1103PgK2L2E

质量参数（kg）载质量4870

整备质量4830

满载总质量9895

轴荷空载前轴2090

后桥2740

轴荷满载前轴2500

后桥7395

性能参数最高车速（km/h）99

最大爬坡度（%）25

六工况燃油消耗量（L /100km）≤16

等速油耗（L/100km）80km/h≤16

加速行驶车外最大噪声dB（A）≤83

最小转弯半径（m）17

制动距离（满载、车速60km/h）≤36.7m

驻车停放坡度(满载、正反两方向)≥18%

续行驶里程(km)780

最高档经济车速（km/h ）47～81

尺寸参数（mm）外廓尺寸长7840

宽2476

高2750

　　　该车的发动机为型号CA4DF3-13E3U， 额定功率为 101KW/2500，最大扭矩为 450/1400。变速器型号为一汽解放CA6T123，各档速比为 6.515； 3.916；  2.345；  1.425；  1.000；  0.813；  6.060。驱动桥型号为一汽解放9吨级单级减速器，全浮式半轴直齿锥齿轮式差速器，主减速比i=5.430。车轮型号为8.25R20 ，轮胎的滚动半径为0.462m，轮距1800mm,钢板弹簧中心距1035mm

2.2 驱动桥形式的确定

　　　由于要求设计的是9吨级的后驱动桥，要设计这样一个级别的驱动桥，一般选用非断开式结构以与非独立悬架相适应，该种形式的驱动桥的桥壳是一根支撑在左右驱动车轮的刚性空心梁，一般是铸造或钢板冲压而成，主减速器，差速器和半轴等所有传动件都装在其中，此时驱动桥，驱动车轮都属于簧下质量。

　　　驱动桥的结构形式有多种，基本形式有三种如下：

　　（1）中央单级减速驱动桥。此是驱动桥结构中最为简单的一种，是驱动桥的基本形式， 在载重汽车中占主导地位。一般在主传动比小于6的情况下，应尽量采用中央单级减速驱动桥。目前的中央单级减速器趋于采用双曲线螺旋伞齿轮，主动小齿轮采用骑马式支承， 有差速锁装置供选用。

第3章 驱动半轴的设计                            

　　　驱动车轮的传动装置位于汽车传动系的末端，其功用是将转矩由差速器的半轴齿轮传给驱动车轮。在一般的非断开式驱动桥上，驱动车轮的传动装置就是半轴，半轴将差速器的半轴齿轮与车轮的轮毂联接起来，半轴的形式主要取决半轴的支承形式：普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外端支承的形式或受力状况不同可分为半浮式，3/4浮式和全浮式，在此由于是中型载货汽车，采用全浮式结构。[2]

   设计半轴的主要尺寸是其直径，在设计时首先可根据对使用条件和载荷工况相同或相近的同类汽车同形式半轴的分析比较，大致选定从整个驱动桥的布局来看比较合适的半轴半径，然后对它进行强度校核。

3.1  全浮式半轴计算载荷的确定

　　计算时首先应合理地确定作用在半轴上的载荷，应考虑到以下三种可能的载荷工况：

 1.纵向力（驱动力或制动力）最大时，其最大值为，附着系数在计算时取0.8，没有侧向力作用；

 2.侧向力最大时，其最大值为（发生于汽车侧滑时），侧滑时轮胎与地面的侧向附着系数在计算时取1.0，没有纵向力作用；

 3.垂向力最大时（发生在汽车以可能的高速通过不平路面时），其值为，车轮对地面的垂直载荷，为动载荷系数，这时不考虑纵向力和侧向力的作用。

   由于车轮承受的纵向力，侧向力值的大小受车轮与地面最大附着力的限制，　　　本文结合工程实际，应用大型三维CAD设计软件Pro/E和大型通用有限元分析软件ANSYS10.0对驱动桥桥壳进行结构的实体建模和有限元分析，得出桥壳在典型工况下应力和变形的分布情况，较深刻认识了PRO/E软件建模的特点和ANSYS10.0协同仿真环境解决工程问题的特点、范围及深度，对ANSYS的分析功能有了很好的认识，主要设计结果和分析结论如下:

　　（1）由于此设计是中型载货汽车，故半轴采用全浮式半轴，杆部直径d=45mm；

　　（2）承载负荷较大的中型汽车，多采用整体式桥壳，本设计也采用此种桥壳，钢板弹簧座处桥壳小径d=90mm，大径D=126mm；

　　（3）桥壳模型的结构简化及Pro/E建模；

　　（4）对驱动桥壳的四种典型工况：最大垂向力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况，最大侧向力工况。合理确定了各工况下的仿真约束条件和加载方式，计算得出了各工况下的桥壳应力分布和变形结果，并根据设计要求对其进行了静强度及刚度分析。

　　　分析得出：桥壳在各个工况下都满足设计要求。

　　　由于本人能力有限、时间限制和原始资料的缺少，感觉所做的工作还有待改进之处和欠缺，现说明如下:

　　（1）由于本人对ANSYS学习还不够深刻在加载和约束方面并不能完全仿真实际桥壳工作情况，造成结果有一定的偏差。

　　（2）由于时间有限没有利用ANSYS软件对桥壳结构进行优化。

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