基于ANSYS的汽车驱动桥壳的有限元分析

1、基于ANSYS的汽车驱动桥壳的有限元分析武汉理工工大学汽汽车工程程学院 杨波,罗金桥桥20005-110-222 HYPERLINK /ewk2004/ewkArticles/408/Article33483.htm# l # CADD/CAAM与制制造业信信息化 有有限元法法是一种种在工程程分析中中常用的的解决复复杂问题题的近似似数值分分析方法法，以其其在机械械结构强强度和刚刚度分析析方面具具有较高高的计算算精度而而得到普普遍应用用，特别别是在材材料应力力、应变变的线性性范围更更是如此此。在汽汽车设计计领域，无论是是车身、车架的的计算仿仿真，还还是发动动机的曲曲轴以及及传动系系统的计计算均使

2、使用到该该方法。 有限元元分析最最基本的的研究方方法就是是“结构构离散单元分分析整整体求解解”的过过程。经经过近550年的的发展，有限元元法的理理论日趋趋完善，已经开开发出了了一批通通用和专专用的有有限元软软件。AANSYYS是当当前国际际上流行行的有限限元分析析软件，广泛地地应用于于各行各各业，是是一种通通用程序序，可以以用它进进行所有有行业的的几乎任任何类型型的有限限元分析析，如汽汽车、宇宇航、铁铁路、机机械和电电子等行行业。AANSYYS软件件将实体体建模、系统组组装、有有限元前前后处理理、有限限元求解解和系统统动态分分析等集集成一体体，最大大限度地地满足工工程设计计分析的的需要。通过结

3、结合ANNSYSS软件，能高效效准确地地建立分分析构件件的三维维实体模模型，自自动生成成有限元元网格，建立相相应的约约束及载载荷工况况，并自自动进行行有限元元求解，对模态态分析计计算结果果进行图图形显示示和结果果输出，对结构构的动态态特性作作出评价价。它包包括结构构分析、模态分分析、磁磁场分析析、热分分析和多多物理场场分析等等众多功功能模块块。 汽车驱驱动桥壳壳是汽车车上的主主要承载载构件之之一，其其作用主主要有：支撑并并保护主主减速器器、差速速器和半半轴等，使左右右驱动车车轮的轴轴向相对对位置固固定；同同从动桥桥一起支支撑车架架及其上上的各总总成质量量；汽车车行驶时时，承受受由车轮轮传来的的

4、路面反反作用力力和力矩矩并经悬悬架传给给车架等等。驱动动桥壳应应有足够够的强度度和刚度度且质量量小，并并便于主主减速器器的拆装装和调整整。由于于桥壳的的尺寸和和质量比比较大，制造较较困难，故其结结构型式式应在满满足使用用要求的的前提下下应尽可可能便于于制造。驱动桥桥壳分为为整体式式桥壳，分段式式桥壳和和组合式式桥壳三三类。整整体式桥桥壳具有有较大的的强度和和刚度，且便于于主减速速器的装装配、调调整和维维修，因因此普遍遍应用于于各类汽汽车上。但是由由于其形形状复杂杂，因此此应力计计算比较较困难。根据汽汽车设计计理论，驱动桥桥壳的常常规设计计方法是是将桥壳壳看成一一个简支支梁并校校核几种种典型计计

5、算工况况下某些些特定断断面的最最大应力力值，然然后考虑虑一个安安全系数数来确定定工作应应力，这这种设计计方法有有很多局局限性。因此近近年来，许多研研究人员员利用有有限元方方法对驱驱动桥壳壳进行了了计算和和分析。本文中中所研究究的对象象是在某某型号货货车上使使用的整整体式桥桥壳。 一、驱驱动桥壳壳强度分分析计算算 可将将桥壳视视为一空空心横梁梁，两端端经轮毂毂轴承支支撑于车车轮上，在钢板板弹簧座座处桥壳壳承受汽汽车的簧簧上载荷荷，而沿沿左右轮轮胎中心心线，地地面给轮轮胎以反反力（双双胎时则则沿双胎胎中心），桥壳壳承受此此力与车车轮重力力之差，受力如如图1所所示。图1 驱驱动桥壳壳的受力力简图 桥

6、壳强强度计算算可简化化成三种种典型的的工况，只要在在这三种种载荷计计算工况况下桥壳壳的强度度得到保保证，就就认为该该桥壳在在汽车行行驶条件件下是可可靠的。 1)牵牵引力或或制动力力最大时时，桥壳壳钢板弹弹簧座处处危险断断面的弯弯曲应力力和扭扭转切应应力分分别为： 式中： 地地面对车车轮垂直直反力在在桥壳板板簧座处处断面引引起的垂垂直平面面的弯矩矩，；（b为轮轮胎中心心平面到到板簧座座之间的的横向距距离） 牵牵引力或或制动力力（一侧侧车轮上上的）在在水平面面内引起起的弯矩矩，； 牵牵引或制制动时，上述危危险断面面所受转转矩，； 分分别为危危险断面面垂直平平面和水水平面弯弯曲的抗抗弯截面面系数及及

7、抗扭截截面系数数，之间间的关系系如表11所示。 2)当当侧向力力最大时时，外轮轮和内轮轮上的垂垂直反力力和，以及桥桥壳内、外板簧簧座处断断面的弯弯曲应力力、之间的的关系，分别为为： 3)当当汽车通通过不平平路面时时，危险险断面的的弯曲应应力为： 式中kk为动载载荷系数数。对于于轿车，k取11.755；对于于货车，k取22.0；对于越越野车，k取22.5。 桥壳的的许用弯弯曲应力力为3000MPPa5500MMPa，许用扭扭转切应应力为1150MMPa4000MPaa。可锻锻铸铁桥桥壳取较较小值，钢板冲冲压焊接接桥壳取取较大值值。 上述桥桥壳强度度的传统统计算方方法，只只能算出出某一断断面的应应

8、力平均均值，而而不能完完全反映映桥壳上上应力及及其分布布的真实实情况。因此，它仅用用于对桥桥壳强度度的验算算，或用用作与其其他车型型的桥壳壳强度进进行比较较，而不不能用于于计算桥桥壳上某某点（例例如应力力集中点点）的真真实应力力值。使使用有限限元法对对驱动桥桥壳进行行强度分分析，只只要计算算模型简简化得当当，受力力约束处处理合理理，就可可以得到到比较详详细的应应力与变变形的分分布情况况，这些些都是上上述传统统计算方方法所难难以办到到的。二、实现现方法 一般来来说，在在整个有有限元求求解过程程中最重重要的环环节是有有限元前前处理模模型的建建立。这这一般包包括几何何建模、定义材材料属性性和实常常数

9、（要要根据单单元的几几何特性性来设置置，有些些单元没没有实常常数）、定义单单元类型型，网格格划分、添加约约束与载载荷等。由于汽汽车零部部件结构构形状较较为复杂杂，包含含许多复复杂曲面面，而一一般有限限元软件件所提供供的几何何建模工工具功能能相当有有限，难难以快速速方便地地对其建建模。因因此，针针对较复复杂的结结构，可可以先在在三维CCAD软软件（如如在UGG中）建建立几何何模型，然后在在有限元元分析软软件ANNSYSS中通过过输入接接口读入入实体模模型，最最后在AANSYYS中完完成其分分析过程程。 三、有有限元计计算模型型的建立立 被分分析汽车车的参数数为：汽汽车的名名义装载载量m114.0

10、t，满载轴轴荷时后后桥负荷荷m26.00t，车车轮中心心线至钢钢板弹簧簧座中心心距离bb3770mmm，两钢钢板弹簧簧座中心心间的距距离s10004mmm，桥壳壳本身的的重力GG09931.6N，桥壳设设计的安安全系数数为7，弹簧上上表面面面积50000mmm2，由此可可得到面面载荷为为5.888MPPa。根根据国家家标准，当承受受满载轴轴荷时，桥壳最最大变形形量不能能超过11.5mmm/mm；承受受2.55倍满载载轴荷时时，桥壳壳不能出出现断裂裂和塑性性变形。所以垂垂直方向向的载荷荷取满载载轴荷的的2.55倍，即即5.88822.514.78MMPa。 首先在在UG中中建立起起驱动桥桥壳的三

11、三维模型型。在建建立桥壳壳的有限限元模型型时，先先对驱动动桥壳实实体做必必要的简简化。对对主要承承载件，均保留留其原结结构形状状，以反反映其力力学特性性，对非非承载件件进行了了一定程程度的简简化。简简化结果果如图22所示。图2 桥桥壳的三三维模型型 然后将将模型导导入到AANSYYS中，对其进进行网格格划分，划分网网格时选选用具有有较高的的刚度及及计算精精度的四四面体110节点点92号号单元，这样将将该零件件划分为为601183个个节点，298805个个单元，如图33所示。图3 桥桥壳的有有限元模模型 该驱动动桥壳的的本体材材料为88mm厚厚的099SiVVL钢板板，从材材料手册册中查出出其弹

12、性性模量EE=5MMPa，泊松比比=00.3，材料密密度为778500。计算算桥壳的的垂直静静弯曲刚刚度和静静强度的的方法是是：将后后桥两端端固定，在弹簧簧座处施施加载荷荷，将桥桥壳两端端车轮中中心线处处全部约约束，然然后在弹弹簧座处处施加规规定载荷荷。 四、计计算结果果 在有有限元模模型中，驱动桥桥壳在22.5倍倍满载轴轴荷工况况下，应应力及位位移云图图分别如如图4、图5所所示，最最大位移移为0.4699E-003m，最大应应力为221855MPaa，出现现在半轴轴套管约约束处。在不考考虑由于于约束影影响造成成的局部部过大应应力的情情况下，应力较较大值分分布在钢钢板弹簧簧座的两两侧，约约为2440MPPa，远远小于材材料的许许用应力力5110MPPa6610MMPa。所以，该桥壳壳是符合合结构强强度要求求的。图4 22.5倍倍满载荷荷条件下下的Miisess应力云云图图5 22.5倍倍满载荷荷条件下下的Miisess