汽车零部件的载荷及其强计算方法PPT课件

1、汽车零部件的载荷及其强度计算方法第2章第1页/共49页第2章 讲课内容 2.1 汽车零部件损坏形式及对策 2.2 各种工况下轮胎上载荷 2.3 发动机转矩引起的载荷 2.4 汽车零部件的强度计算 2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数补充内容：（1） 可靠性设计方法（2） 疲劳计算方法（3） 应用案例第2页/共49页2.1 汽车零部件损坏形式及对策汽车零部件损坏形式（1） 静强度失效 一般受到冲击载荷（2） 疲劳失效（90%） 周期性动载第3页/共49页讨论环节：越野车传动系统故障分析浏河沙地比赛越野车的战果动载设计安装、保养和维护材料、铸造工艺第4页/共49页载荷来源底盘、车身零部件载荷来源

2、内部：发动机外部：地面、风载第5页/共49页防止零部件损坏对策为了使汽车产品具有需要的工作寿命、耐久性和可靠性（1） 设计设计： 进行行驶试验（包括仿真），确定载荷。（2） 分析分析：对零部件进行静态应力分析，疲劳寿命估计（3） 试验试验：进行强度试验、耐久性试验，检验疲劳寿命第6页/共49页最大垂直力工况最大侧向力工况最大制动力工况最大驱动力工况2.2 各种工况下轮胎上载荷第7页/共49页最大垂直力工况 最大垂直力 = 满载 + 最大动载荷讨论：（1） 为什么动态载荷与轮胎的垂直刚度有关？（2） 耐久性性动载系数和静强度动载系数区别？那一个大？（3） 在那种情况下，轮胎会出现最大垂直力？vv

3、vmFFF0第8页/共49页最大侧向力工况 讨论：（1） 试验表明，普通轿车直线行驶时侧向力所引起的应力比转弯行驶时要高（请问原因是什么？）。（2） 在什么情况下，出现最大侧向力？图2-8 所选择的侧向力FL的方向应该使其引 起的弯矩与垂直力FV引起的弯矩相加其中，是侧向力系数011VFLmFF022VFLmFF第9页/共49页车桥在侧向力情况下的受力分析图2-9 第三种侧向力工况（左、右两侧车 轮受到的侧向力FL方向相同）强度分析的条件是最坏的工况垂直力与侧向力联合作用011022,VFLmVVmFFFkF022011,VFLmVVmFFFkF022011,VFLmVVmFFFkF第10页/

4、共49页 制动时，由于制动减速度，导致前轮载荷增加，后轮载荷减少。加速时后轮载荷增加，前轮载荷增加。前轴的最大制动力FBf可以表示为：其中，是轮胎-地面附着系数BfzrBrzfamLhGLLFamLhGLLFBzfBrzfBfamLhFamLhGLLFF0+=mLhGLLrzfF最大制动力工况第11页/共49页对前轮最大制动力（水平方向）与垂直力的组合为：gmLhFamLhFFFzfBzfzffVB8.021212002gmLhFamLhFFFzfBzffVBfBm8 . 028 . 020022第12页/共49页最大驱动力工况 在加速时，作用在前轮上的垂直负荷时减少的。用于静强度计算的前轮驱

5、动工况如下： （2-15） （2-16） 其中，FA2f是一个前轮上的驱动力，它是一种纵向力FA（见图2-2），FVof是一个前轮的满载静负荷；FVA2f是驱动时一个前轮上的垂直力。第13页/共49页2.3 发动机转矩引起的载荷 在汽车中，如果汽车装备了手动四挡变速器，为了计算传动轴的疲劳强度，应该采用如下公式计算转矩： （2-19） 其中，Tt1是传动轴疲劳强度计算转矩；Temax是发动机最大有效转矩；i3是手动四挡变速器第三挡（次高挡）的传动比。 第14页/共49页2.4 汽车零部件强度计算静强度许用应力 材料的选择第15页/共49页2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数疲劳强度许用应力的

6、估计 目前并无很好的预测疲劳的方法，一般通过标准试验获取零件在不同正负交变应力循环下的疲劳寿命，然后增加一些修正系数，描述疲劳寿命的改变与尺寸、形状、表面加工质量等因素。第16页/共49页无限寿命就钢材而言，当其承受正、负（拉和压）相等的交变应力时，其疲劳强度（材料能够承受的最大应力值）随材料可以承受的交变次数的增加而减小，如图2-11所示。当可以承受的交变次数达到107次以上时，疲劳强度就变成了一个固定值，称其为持久极限。持久极限一般只有静强度的持久极限一般只有静强度的40%50%。应力低于持久极限时，材料具有无限寿命。图2-12 材料疲劳强度极限图第17页/共49页低周疲劳与高周疲劳低周疲

7、劳：作用于零件、构件的应力水平较高 ，破坏循环次数一般低于104的疲劳 ，压力容器的疲劳属此类。 高周疲劳：作用于零件、构件的应力水平较低 ，破坏循环次数一般高于104的疲劳 ，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。 第18页/共49页可靠性计算第19页/共49页安全系数法的缺点：安全系数法的缺点： 没有定量的考虑抗力和荷载效应的没有定量的考虑抗力和荷载效应的随机性随机性，而是靠经验或工，而是靠经验或工程判断的方法确定，带有程判断的方法确定，带有主观成分主观成分。定的高或低依据不充分。定的高或低依据不充分。以概率理论为基础的极限状态设计法：以概率理论为基础的极限状态设计法： 本质是将本质是将荷载效应荷载

8、效应S及及结构抗力结构抗力R看作是看作是两个随机变量两个随机变量应用应用概概率论和数理统计率论和数理统计的理论去研究结构的可靠度。的理论去研究结构的可靠度。以概率论为基础的设计方法分为三个水准：以概率论为基础的设计方法分为三个水准：水准水准半经验半概率法；半经验半概率法；水准水准近似概率法；近似概率法；水准水准全概率法。全概率法。第20页/共49页三三. . 失效概率失效概率 失效失效指指结构或结构的一部分结构或结构的一部分不能满足不能满足设计所规定的设计所规定的某一功能要某一功能要求求，即，即达到或超过了达到或超过了承载能力极限状态承载能力极限状态或或正常使用极限状态正常使用极限状态中的中的

9、某一极限。某一极限。失效概率失效概率指指结构结构处于失效状态下的概率结构结构处于失效状态下的概率pf。结构极限状态函数结构极限状态函数又称结构功能函数又称结构功能函数),(21nXXXgZ当当0),(21nXXXgZ时，结构已达极限状态，称为时，结构已达极限状态，称为极限状态方程极限状态方程。Z = R - S若仅以若仅以荷载效应荷载效应S ，结构构件抗力结构构件抗力R作为两个基本作为两个基本随机变量随机变量，功能函数，功能函数表示为表示为Probability of failure第21页/共49页结构功能的表达结构功能的表达(极限状态方程）极限状态方程）Z=R-S0, 或或S R 可靠可靠

10、 Z=R-S=0, 或或S = R 极限状态极限状态Z=R-S R 失效失效极限状态方程极限状态方程Z=0或或R-S=0RSZ0可靠区第22页/共49页重叠区的大小反映了抗力R和荷载效应S之间的概率关系，即结构的失效概率从结构安全的角度，从结构安全的角度，提高提高结构构件的结构构件的抗力抗力R，减小减小抗力抗力R和荷载和荷载效应效应S的的离散程度离散程度，可以，可以提高提高结构的结构的可靠程度可靠程度，即，即提高提高R S，减小减小R 、 S可使可使失效概率降低失效概率降低。 f(r,s)S，RSRSRR-S结构处于可靠状态下的概率，称为可靠概率结构处于可靠状态下的概率，称为可靠概率p ps

11、s，p ps s=1-=1-p pf f。标准差S、R平均值分别为S、 R第23页/共49页疲劳寿命计算方法第24页/共49页疲劳累计模型第25页/共49页疲劳极限图金属疲劳有一种假设，就是长期的积累，每个受力循环都会有记录）金属疲劳在物理上是一种裂纹扩展的过程。图2-12 材料疲劳强度极限图第26页/共49页线性疲劳损伤积累假说及其应用线性疲劳损伤积累假说及其应用 稳定变应力和非稳定变应力 变应力的变化方式 第27页/共49页 线性疲劳损伤积累假说： 在零件受变应力作用发生裂纹到破坏的过程中，零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应力的作用都会使零件受到微量的损伤，当这种损伤累积到一定程度达

12、到疲劳极限后就发生疲劳断裂。这一理论的根据是，材料在失效前所吸收的总功都是相等的，而与作用的应力的变化方式（应力谱）无关。寿命总损伤率：零件发生疲劳破坏时 大量的试验表明，总寿命损伤率约在0.72.2之间，为计算方便起见，通常取1。niiinnNNNNNNNNF12211.1.12211niiinnNNNNNNNNF第28页/共49页非稳定变应力下安全系数的计算方法：非稳定变应力下安全系数的计算方法：基本思想：首先要将非稳定变应力折算成一个等效变应力，然后按稳定变应力的安全系数计算方法进行计算。VVnnNNNNNNNN.2211VmVnmnmmmNNNNN.332211imniViVNN1mV

13、NNNk0第29页/共49页路谱 （1） 路面不平度的功率谱密度曲线 （2） 路面不平度可分为长波、短波和粗糙纹理，长波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动，而粗糙纹理引起轮胎的行驶噪音。 （3） 意义：为随后的实验室台架试验或者多体动力学仿真分析提供可靠地数据支持，从而使工程师对汽车各构建的疲劳寿命能够做出准确的预测与判断。 第30页/共49页图6-3 各种路面的空间功率谱第31页/共49页功率谱是把时间和空间上变动的有效值的平方作为频率成分的分布来表示的。图6.4 功率谱密度第32页/共49页工程软件应用案例第33页/共49页建立有限元模型汽车桥壳的有限元计算第34页/共49页添加载

14、荷前桥载荷与约束第35页/共49页桥壳位移分布云图 桥壳应力分布云图第36页/共49页 （1） 采用Ansys软件 （2） 柔体-柔体的接触 （3） 运动定义鼓式制动器的接触有限元分析第37页/共49页 在模型中鼓和蹄片均采用solid45实体单元，用beam188单元模拟轮辐。按接触向导生成接触对。加上适当的边界条件和载荷，通过分析，可以得到整个制动器的应力分布、蹄片上的压力分布规律以及制动力矩的大小。另外还可以设置不同的摩擦系数来模拟不同摩擦材料对制动力矩的影响。 有限元模型制动鼓转动前后的径向变型图 制动鼓转动前后蹄片上的压力变化制动鼓转动前后蹄上的应力变化 第38页/共49页某载货车前

15、轴有限元分析对前轴在分别承受4500KG,4600KG,4800KG轴荷，在垂直弯曲、紧急制动、侧滑等三种工况下进行了刚度和应力有限元分析，针对分析结果给出了评价。第39页/共49页建立有限元网格模型1. 本次分析计算所使用的软件为MSC.Nastran2. 根据提供的二维图纸进行几何建模及有限元建模，前轴和转向节通过 主销轴和轴承连接在一起，在计算时考虑了上述部件之间的接触和摩 擦作用，并采用接触单元模拟其运动关系。前轴和转向节三维几何造 型如图1所示。前轴为对称结构，对其一半进行有限元划分，共划分 单元120047个，节点28781个。有限元模型如图2所示。3 前轴材料为45钢，转向节为4

16、0Cr，转向节主销为20MnCrTi,计算时 取泊松比=0.29，弹性模量E=2.07E+5MPa。第40页/共49页受力及约束 前轴是汽车行驶系的主要承载部件，也是载重汽车的重要保安件。汽车行驶时，其受力十分复杂。汽车在行驶时，前轴所受载荷有三种工况，对三种危险工况进行了计算分析。第41页/共49页垂直弯曲工况 前轴总成承受垂直方向冲击载荷作用（见图3），计算时前轴单边垂直力取满载轴荷的2.5倍，并以分布力的形式作用于钢板弹簧座上，在转向节轮距处施加位移约束。 第42页/共49页紧急制动工况汽车制动时，由于惯性力的作用，使前、后轴荷重新分配，前轴载荷增大，此时，前轴承受垂直力、前后力和扭矩等

17、共同作用。计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处，扭矩的施加是通过在钢板弹簧座4个螺栓孔中心分别施加方向相反的集中力实现的，在转向节轮距处施加位移约束。第43页/共49页侧滑工况 汽车转弯时，由于侧向惯性力的作用，使左右车轮载荷重新分配，且两侧受力不等，前轴、转向节受垂直力和侧向力作用，这里取受力较大一侧进行计算。计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处，在转向节轮距处施加位移约束。第44页/共49页工程软件的应用运动学分析，采用Adams软件静力学分析，采用Ansys软件分析碰撞分析，采用lsdyna软件分析一些分析，采用abaqus, natran,patran等工程应用软件。动力学分析,采用Carsim, simulink等软件第45页/共49页工程软件可帮我们快速的解决可解决的问题，只是减少了时间