汽车驱动桥壳结构的有限元分析-

1、北京汽车文章编号:1002-4581(200705-0005-03汽车驱动桥壳结构的有限元分析王星1,王国莹2WANG Xing 1,WANG Guo-ying 2(1.重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074;2.内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古010051摘要:首先对驱动桥壳的静强度进行了分析,然后通过Pro/E Wildfire 版软件建立了驱动桥壳三维几何模型,再利用MSC.PATRAN 网格生成器,建立驱动桥壳的有限元模型。最后针对相应的有限元分析工况,利用MSC.NASTRAN 软件对驱动桥壳进行静态分析和模态分析,得到结果并加以验证。关键词:汽车;驱动桥壳;有限元

2、;强度中图分类号:U463.218+.5.03文献标识码:A有限元法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法,特别是在汽车设计领域,无论是车身、车架的计算仿真,还是发动机的曲轴以及传动系统的计算均使用到该方法。其最基本的研究方法就是“结构离散单元分析整体求解”的过程。将实体建模、系统组装、有限元前后处理、有限元求解和系统动态分析等集成一体,最大限度地满足工程设计分析的需要,能高效准确地建立分析构件的三维实体模型,自动生成有限元网格,建立相应的约束及载荷工况,并自动进行有限元求解,对模态分析计算结果进行图形显示和结果输出,对结构的动态特性做出评价。汽车驱动桥壳是汽车的主要传力件和承

3、载件,与从动桥壳共同支承车架及其上的各总成重量,承受由车轮传来的路面反作用力和力矩。驱动桥壳又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳。因而驱动桥壳应具有足够强度和刚度,便于主减速器的拆装和调整。根据汽车设计理论,为保证车桥工作的安全性和可靠性,驱动桥壳设计时应满足应力和变形要求,局部应力集中导致桥壳的断裂或塑性变形。因此对驱动桥壳进行应力、变形分析,提高工作可靠性具有非常重要的意义。但汽车驱动桥壳形状复杂,且汽车的行驶条件千变万化,利用传统方法很难精确计算桥壳各处的应力及变形大小。然而利用有限单元方法对其进行计算和分析可以得到较为准确的分析结果。1三维几何模型的建立被分析汽车的参数为:汽车

4、的名义装载量m 1=4.0t ,满载轴荷时后桥负荷m 2=6.0t ,车轮中心线至钢板弹簧座中心距离b=370mm ,两钢板弹簧座中心间的距离s=1004mm ,桥壳本身的重力G 0=931.6N ,桥壳设计的安全系数为7,弹簧上表面面积5000mm 2,由此可得到面载荷为5.88MPa 。根据国家标准,当承受满载轴荷时,桥壳最大变形量不能超过1.5mm/m ;承受2.5倍满载轴荷时,桥壳不能出现断裂和塑性变形。所以垂直方向的载荷取满载轴荷的2.5倍,即5.88×2.5=14.78MPa.三维实体几何模型是在CAD/CAM/CAE 的基础,采用UG 建立起驱动桥壳的三维模型,在汽车驱

5、动桥壳的结构有限元分析北京汽车建立桥壳的有限元模型时,先对驱动桥壳实体做必要的简化(如图1所示,在此基础上对桥壳性能进行分析。图1桥壳三维几何模型2驱动桥壳有限元模型的建立导入MSC.PATRAN的桥壳几何模型如图2所示。经过MSC.PATRAN统计,共导入196个曲面,从图中可以看出,有一些大的区域被分割成很多小的曲面。图2导入的几何模型2.2驱动桥壳有限元网格的划分在一项工程分析中,经常要花费很多时间生成有限元网格。为减少有限元网格的生成时间,MSC.PATRAN提供了多种网格生成器用来自动生成有限元网格。经过网格划分,最后的有限元网格如图3所示,共有27027个四边形单元、27052个节

6、点。图3网格生成图该驱动桥壳的本体材料为8mm厚的09SiVL钢板,从材料手册中查出其弹性模量E=5MPa,泊松比=0.3,材料密度为7850。计算桥壳的垂直静弯曲刚度和静强度的方法是:将后桥两端固定,在弹簧座处施加载荷,将桥壳两端车轮中心线处全部约束,然后在弹簧座处施加规定载荷。2.3桥壳载荷的施加根据车桥实际承载情况,车桥所受载荷包括下列两类:(1簧载质量。该微型车在满载时的后悬簧载质量为940kg,车桥每一侧为470kg。根据悬架与车桥的连接方式,本文取车桥每一侧的静载荷沿弹簧支座均匀分布,并施加在相应的节点上,作用形式为均匀分布的载荷密度。(2纵向推力杆的反作用力。汽车驱动力通过车轮、

7、车桥、纵向推力杆传到车身,推动车身前行,因此驱动桥壳体还受到纵向推力杆的反作用力的作用。反作用力在桥壳上的作用形式也是均匀分布的。3桥壳结构有限元分析在有限元模型中,驱动桥壳在2.5倍满载轴荷工况下,应力及应变云图分别如图4、图5所示,最大位移为0.469E-03m,最大应力为2185MPa,出现在半轴套管约束处。在不考虑由于约束影响造成的局部过大应力的情况下,应力较大值分布在钢板弹簧座的两侧,约为240MPa,远小于材料的许用应力=510MPa610MPa。所以,该桥壳是符合结构强度要求的。图4桥壳应力分布云图汽车驱动桥壳的结构有限元分析北京汽车图5桥壳应变分布云图4桥壳结构的改进设计方案一

8、:加厚桥壳厚度,桥壳受力位置不变。这种改进方案将对桥壳生产工艺做较大改动,原材料供应将改变,并且该方案使桥壳的应力降幅有限。方案二:桥壳厚度不变,改变桥壳受力位置。这种方案将考虑在桥壳厚度不变的情况下改变弹簧支座或纵向推力杆支座的位置,以达到改变桥壳受力状态的目的,并且支座本身结构参数不变。为了使悬架弹簧上端支座以及纵向推力杆前端支座位置不变,考虑分别将桥壳上的弹簧支座和推力杆支座位置靠近,即弹簧支座向外移动10mm ,纵向推力杆支座向内移动10mm ,这样桥壳上两支座中心之间的距离从42.5mm 缩短到22.5mm 。将动载荷施加到新位置,利用桥壳有限元模型进行重新计算,可以发现,桥壳上的最大应力已降低到112MPa ,降幅近50%,由此可以看出,方案二对优化驱动桥的受力形态是非常有益的。参考文献1龚培康.汽车拖拉机有限元法基础M .北京:机械工业出版社,1995.2杨波,罗金桥.基于ANSYS 的汽车驱动桥壳的有