CADCAE技术在车辆典型零部件设计中的应用-驱动桥壳的CAD三维设计

PAGE1CAD/CAE技术在车辆典型零部件设计中的应用——驱动桥壳的CAD三维设计摘要本文研究的对象是某型号汽车驱动桥桥壳，在分析驱动桥整体结构特点的基础上，运用三维设计软件UGNX8.0进行三维建模，并对桥壳的三维模型进行有限元静态分析，在过程中对其进行分析和计算，得出桥壳的应力和应变的相关数据和结论，为后期的桥壳结构优化设计提供有力的理论依据。关键词：驱动桥壳；三维模型；UG；有限元分析；ABSTRACTTheresearchobjectofthisthesisisthedriveaxlehousingofacertaintypeofcar,basedonitsstructurecharacteristics,usingthree-dimensionaldesignsoftwareUGNX8.0forthree-dimensionalmodelingofthedriveaxlehousing,andthebridgeshellfiniteelementstaticanalysisof3dmodel,carriesontheanalysisandcalculation,intheprocessofstressandstrainofthebridgeshellandrelateddataandconclusion,thestructureofbridgehousingforlatestrongtheoreticalbasisforoptimizingdesign.Keywords:Driveaxle；Three-dimensional；UG；Thefiniteelementanalysis；目录目录 III前言 11绪论 21.1汽车驱动桥概述 21.1.1汽车驱动桥的作用和组成 21.1.2汽车驱动桥的分类 31.2汽车驱动桥壳的设计要求 41.3本章小结 42软件的应用情况及UGNX8.0软件建模模块简介 52.1CAD/CAE技术在车辆中的应用情况 52.1.1概述 52.1.2国内外发展应用状况 52.2UGNX8.0概述 62.3UGNX8.0软件简介 62.3.1CAD模块 62.3.2CAE模块 72.4本章小结 73驱动桥壳的三维建模 83.1三维建模前准备 83.2三维模型的建模过程 83.3本章小结 164驱动桥壳的静态分析 174.1驱动桥壳静态分析前准备 174.2有限元分析法 174.3CAE分析过程 184.4本章小结 29结论 30致谢 31参考文献 32云南农业大学工程技术学院毕业论文前言汽车驱动桥是传动系中最后一个总成，其功能是将发动机的扭矩按需传给驱动轮，实现降速增矩、改变扭矩方向。在桥壳的传统设计中，通常用类比方法，考虑安全因素，一会造成生产周期增长，生产成本增加，并且伴随着产品质量过大等问题。在本文研究的汽车驱动桥壳的设计中，从概念设计到制造再到工程分析的整个过程，选用UG软件进行三维参数化设计,完成CAD/CAE一体化。本文的研究对象是是在某进口铲运汽车（LDCY—0.75型）桥壳，在建立桥壳的三维模型基础上，对桥壳实际工作中的受载情况进行模拟，有效的对可能出现的问题完成了改进和优化。那么，在模型静态分析最终完成后，可正式投入生产，对实现最优化设计、提高设计效率、缩短开发周期、节约成本具有重要意义。

1绪论1.1汽车驱动桥的概述1.1.作用与组成汽车驱动桥的作用是将发动机传出的扭矩按需要传给驱动轮。主要组成：主减速器、差速器、半轴和桥壳。1.主减速器它的作用是降速增矩，同时改变方向。主减速器的主要类型见下表表1主减速的类型分类依据主减速的类型名称按减速齿轮副的级数级主减速器、双级主减速器按主减速器速比挡数单速主减速器、双速主减速器按主减速器分布的位置不同中央主减速器、轮边主减速器2.差速器汽车在转弯行驶时，由于内外驱动轮移动距离不等，使得两侧车轮出现边滚动边滑动的现象。当汽车直线行驶，遇到在不平路面时，两侧车轮也会出现滑动现象，这将造成轮胎磨损加剧，汽车动力消耗增加，使转向和制动性能恶化。那么，为避免以上缺点，结构上将刚性的驱动轴分成两个半轴，分别与两驱动轮相连，在半轴中间加装差速器，从而使两侧驱动车轮以不同角速度旋转，达到车轮的纯滚动。因而，差速器作用是把主减速传来的动力传给驱动车轮，同时，依据不同的行驶条件，调整左右驱动车轮以不同的转速旋转，从而保证了车轮纯滚动状态。现代汽车上差速器有普通锥齿轮式和防滑差速器两种。3.半轴半轴是实心轴，用于传递差速器和驱动轮之间的动力。內端与半轴齿轮相连，外端与轮毂相连。根据其受力情况不同，分为全浮式半轴支承和半浮式半轴支承两种。1.1.2汽车驱动桥的分类1.整体式整体式驱动桥的结构如下图（如图1.1），桥壳是一刚性空心梁，主减速器、差速器和半轴等所有传动件都装在其中。簧下质量比较大，汽车行驶平顺性和降低动载荷能力差，但是其结构简单，制造成本低，工作比较可靠，主要用于各种商务车和部分乘务车中。图1.1整体式驱动桥壳2.断开式断开式驱动桥结构如下图（如图1.2），结构上没有刚性整体式外壳或者梁，主减速器、差速器及其壳体安装在车架或车身上。簧下质量小，可以改善汽车的行驶平顺性。两侧驱动轮与车身作弹性连接，可以独立地相对于车架（或车身）上下摆动，从而有效的改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性。在轿车上应用较多。图1.2断开式驱动桥壳从桥壳的静强度和刚度实验分析，采用铸造和钢板冲压焊接方式的整体式桥壳，在强度和刚度上比断开式桥壳要好。从破坏程度实验上分析，对于可锻铸铁的整体式桥壳，在半轴套管里端附件桥壳上最容易破裂。综合考虑，本文选用的对象是是在某进口铲运汽车（LDCY—0.75型）桥壳，属于可锻铸铁的整体式驱动桥，结构简单，由于实际工作工程中受力情况复杂，将其简化为满载静止、满载行驶通过不平路面和汽车满载并以最大牵引力行驶三种工况计算。如果三种工况下桥壳的强度均满足要求，那么我们就认为其工作可靠。1.2汽车驱动桥壳的设计要求一般来说，驱动桥壳设计应满足的基本要求如下：1.有足够强度和刚度，以确保主减速器齿轮，正常啮合，半轴不产生附加载荷。2.在保证强度和刚度的前提下，质量尽可能小。3.保证足够的离地间隙。4.结构工艺性好，成本低。5.保护其上的传动系统部件，防止泥水侵入。6.拆装、调整、维修方便等。1.3本章小结本章在引言部分就提出了研究本课题的目的与意义，然后对汽车驱动桥的基本组成、功能、分类以及汽车驱动桥壳的设计要求进行了阐述，并且从类型、材料、受力情况等方面进行综合经对比分析，确定了本文具体研究对象，为某进口铲运汽车（LDCY—0.75型）桥壳。

2软件的应用情况及UGNX8.0软件建模模块简介2.1CAD/CAE技术在车辆中的应用情况2.1.1概述CAD通常指利用计算机及其图形设备，辅助设计人员完成设计工作。在计算机的内存或外存里能存放各种设计信息，包括数字、文字或图形等，并可以快速检索。它还可以进行大量的计算、分析、比较、自动输出等功能。CAE是利用计算机辅助求解，分析复杂工程或产品的结构力学性能。可作静态结构分析，动态分析,研究线性、非线性问题等。2.1.2国内外发展应用状况对于工业发达的国家来讲，各种自动化设备中，CAD/CAE系统是最为重要的一种工具，尤其在模具行业。在计算机造型技术应用方面，大型汽车公司已经建立成套的硬件、软件系统，完成了三维CAD/CAE技术代替了“主图板、主模型”为主的设计方式更新。相对来说，在CAD技术的研发上，我国起步较晚。上世纪80年代中期，我国东风汽车公司等开始尝试购买并使用UG等软件，首先从CAE开始，并逐步向CAD发展。80年代后期引进了以工作站为基础的CAD/CAE系统,均为通用的适用于机械行业的商品化软件，主要用在曲面外形数学模型构造与数控加工程序编制。进入90年代，CAD/CAE技术的发展比较快，各大汽车制造厂与专业模具厂都建立了比较完善的CAD/CAE系统。2.2UGNX8.0概述Unigraphics(UG)NX8.0系统提供了一个基于过程的产品设计环境，对于产品开发，从设计到加工完美的实现了数据的无缝集成，优化了产品设计与制造。在设计过程中，可实现有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。2.3UGNX8.0软件的简介2.3.1CAD模块1.UG/SolidModeling(UG实体建模)它是将特征建模（基于约束的）和几何建模无缝的结合起来，提供了强大的“复合建模”工具，可建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体以及实现布尔运算及参数化编辑。2.UG/Featuresmodeling(UG特征建模)它提供了多种标准的设计特征，如孔、槽、型腔、凸台、柱体、块体、锥体、球体和倒角等，还可挖空实体，建立薄壁件。3.UG/FreeformModeling(自由曲面建模)它用于建立复杂的曲面形状，如机翼、进气道和其它工业产品的造型设计。4.UG/AssemblyModeling(装配建模)它提供并行的自上而下和自下而上的产品开发方法。并且实现了装配中零部件的设计和编辑。2.3.2CAM模块1.基础模块它是连接UG所有加工模块的基础，用户可用图形来编辑刀具的运动轨迹，其中有延伸、缩短和修改刀具轨迹等编辑功能。对于钻孔、攻螺纹等可提供点位加工程序。2.后置置处理模块用户可以利用该模块，建立自己的加工后置处理程序。它的功能包含了铣削加工、车削加工等实际应用的检验程序。3.平面铣削模块它提供部分轴零件的所有铣削加工功能，设计更改通过相关性而自动处理。2.4本章小结本章主要对CAD/CAE技术在车辆中的应用情况以及对UGNX8.0软件的建模模块和建模优势进行简单的阐述，使读者对UGNX8.0有一个基本的了解和认识。

3驱动桥壳的三维建模3.1驱动桥壳建模前准备通过分析产品的用途、特性、设计参数及要求，确定产品的工艺条件，从整体上掌握该产品的设计思路与设计过程，从而在设计驱动桥壳的过程中做到游刃有余。在建立三维模型前，依据LDCY—0.75型桥壳的参数（主要参数见下表），在CAD软件先绘制驱动桥壳的图纸，以此图纸为基础，建立三维模型和后续的静态分析。表2桥壳主要技术参数额定载重量1600kg外形尺寸(长×宽×高)5800×1250×1900mm发动机额定转速1480r/min额定功率37kw行驶速度0-8km/h最大爬坡能力20°驱动桥主减速比6.667整机重量(包括液压油)6.5t传动系的传动效率0.842道路最大阻力系数0.3最小转弯半径(内侧)2300mm驱动轮滚动半径0.448m最大牵引力42000N质心离前轴距离2380mm最小转向角38°满载质心高度1052mm额定功率37KW空载质心高度780mm3.2三维模型的建模具体步骤1.打开UGNX8.0软件，在【文件】工具条中单击【新建】按钮，弹出【新建部分文件】对话框。过滤器选项中，选择【模型】，在【文件名】输入框中输入名称“qudongqiaoke”,单击【确定】，进入三维建模界面。(如图3.1)图3.1建立驱动桥壳三维界面的进入图3.2驱动桥壳主体设计2.单击菜单工具栏【插入】按钮，光标移动到【设计特征】，会弹出一个子菜单，选择【球】，【类型】选择【中心点和直径】，选择坐标原点为球的球心，输入直径值，【布尔】选择【无】，单击【确定】。（如图3.2）3.单击【插入】按钮，点击【任务环境中的草图】，按照尺寸要求绘制草图。4.单击UGNX8.0建模环境中的【回转】按钮，选择上一步所创建草图为【所选择的曲线】，指定矢量为ZC轴，选择坐标原点为指定点，角度开始为0度，终止为360度，布尔选择【求差】，选择所创建球体，单击【确定】。(如图3.4）图3.3草图的设计图3.4利用【回转命令】对草图进行处理5.单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，选择基本坐标系，按照尺寸参数绘制草图，单击【完成草图】，单击【拉伸】按钮，(如图3.5a)选择刚才所绘草图为所要选择的曲线，极限距离各为400mm，布尔选择【求差】，选择基本体，单击【确定】按钮。(如图3.5b)图3.5a利用【拉伸命令】对草图进行处理图3.5b利用【拉伸命令】对草图进行处理单击【插入】，在子菜单中选择【偏置/缩放】命令，用鼠标单击【抽壳】命令，然后在对话框中【类型】，选择【移除面，然后抽壳】指令，选中要移除的面，输入厚度值，单击【确定】按钮。（如图3.6）图3.6利用【抽壳命令】对实体进行处理图3.7利用【回转命令】对实体进行处理7.单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，选择基本坐标系，按照尺寸参数绘制草图，单击【完成草图】，单击【回转】命令，选择上一步所创建草图为【所选择的曲线】，指定矢量为ZC轴，选择坐标原点为指定点，角度开始为0度，终止为360度，布尔选择【求和】，选择所创建模型体，单击【确定】。（如图3.7）8.单击菜单工具栏【插入】按钮，光标移动到【设计特征】，会弹出一个子菜单，选择【孔】命令，按尺寸要求完成孔的设计，再单击菜单工具栏【插入】按钮，光标移动到【关联复制】，选择【对特征形成图样】命令，特征选择【孔】，布局为【圆形】，指定矢量为ZC轴，指定点为坐标原点，数量为12，节距角度为30度，单击【确定】按钮。（如图3.8）图3.8利用【特征图样】对实体进行处理图3.9利用【拉伸命令】对实体进行处理9.单击【基本平面】命令，类型为【按某一距离】，选择基本平面对象为基本坐标平面XY平面，输入距离长度为519mm，单击【确定】，再单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，按照尺寸绘制图样，单击【拉伸】命令，选择刚刚所做草图为曲线，指定矢量为-XC，结束值为【直至延伸部分】，选择实体，布尔选择【求和】，单击【确定】按钮。(如图3.9)10.单击【基本平面】命令，类型为【按某一距离】，选择基本平面对象为基本坐标平面XZ平面，输入距离长度，单击【确定】，再单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，按照尺寸绘制图样，（如图3.10a）单击【拉伸】命令，选择刚刚所做草图为曲线，指定矢量为YC，结束值为【直至延伸部分】，选择实体，布尔选择【求和】，单击【确定】按钮。(如图3.10b)图3.10a利用【拉伸命令】对实体进行处理图3.10b利用【拉伸命令】对实体进行处理11.单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，按照尺寸绘制图样，单击【拉伸】命令，选择刚刚所做草图为曲线，(如图3.11a)指定矢量为YC，布尔选择【求差】，结束距离为43mm,选择基本体，单击【确定】按钮。(如图3.11b)12.单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，按照尺寸绘制图样，(如图3.12a)单击【拉伸】命令，选择刚刚所做草图为曲线，指定矢量为YC，布尔选择【求差】，结束距离为100mm,选择基本体，单击【确定】按钮。（如图3.12b）图3.11a利用【拉伸命令】对实体进行处理图3.11b利用【拉伸命令】对实体进行处理图3.12a利用【拉伸命令】对实体进行处理图3.12b利用【拉伸命令】对实体进行处理13.单击【插入】，选择【关联复制】子菜单下的【镜像特性】，特征类型选择【孔】，基准平面选择XY平面，单击【确定】。(如图3.13)14.单击【基本平面】命令，类型为【按某一距离】，选择基本平面对象为基本坐标平面YZ平面，输入距离长度为284mm，单击【确定】，再单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，按照尺寸绘制图样，单击【拉伸】命令，选择刚刚所做草图为曲线，指定矢量为XC，拉伸距离为15mm，选择实体，布尔为【求和】，单击【确定】按钮。（如图3.14）图3.13利用【镜像命令】对孔进行镜像图3.14利用【拉伸命令】对实体进行处理15.利用同样的方法可以将图形处理为（如图3.15）所示：16.利用【拉伸】命令，对驱动桥壳进行打孔，布尔选择【求差】，单击【确定】。（如图3.16）图3.15利用【拉伸命令】对实体进行处理图3.16利用【拉伸命令】对实体进行处理17.单击【基本平面】命令，类型为【按某一距离】，选择基本平面对象为基本坐标平面XZ平面，输入距离长度为-178.5mm，单击【确定】，再单击【插入】，选择【任务环境中的草图】，按照尺寸绘制图样，单击【拉伸】命令，选择刚刚所做草图为曲线，指定矢量为YC，(如图3.17a)开始距离为0，结束距离为【直至下一个】，选择实体，布尔为【求和】，单击【确定】按钮。(如图3.17b)图3.17a利用【拉伸命令】对实体进行处理图3.17b利用【拉伸命令】对实体进行处理18.单击【面/边倒圆】命令，对实体所需要倒圆角的面进行倒圆角。按照尺寸要求输入所需要的圆角半径值，单击【确定】按钮。（如图3.18）图3.18利用【面/边倒圆】对实体进行处理图3.19利用【镜像命令】对实体进行处理19.单击【插入】命令，选择子菜单【关联复制】中【镜像体】命令，基准平面为YZ平面，单击【确定】按钮。（如图3.19）20.将所创建的实体，全部选中，对实体进行布尔【求和】。（如图3.20a.b）21.单击UGNX8.0界面【文件】按钮，将文件另存为【桌面】，完成对驱动桥壳三维模型的创建。图3.20a桥壳的三维模型图3.20b桥壳的三维模型3.2本章小结本章主要讲述驱动桥壳的三维建模结构设计的步骤，我们先参考驱动桥的主要参数和CAD零件图信息，以此为基础，完成了驱动桥壳三维模型建立，并详细介绍了三维实体的创建过程，为下一节静态分析做好了基础。4驱动桥桥壳的静态分析4.1静态分析前的准备汽车驱动桥壳的主要作用是承受载荷，并传递车轮与悬架（或车架）之间各个方向的作用力，其中部又是主减速器与差速器的壳体。我们通过对实际工况的分析，将以满载静止、在不平路面冲击载荷作用下以及受最大牵引力行驶时所受到的载荷来进行强度计算。本文研究对象是可锻铸铁的整体式桥壳，桥壳的许用弯曲应力=300MPa，许用扭转应力=150MPa，在半轴套管里端附件桥壳上容易破裂。根据表1桥壳主要技术参数，利用传统的计算方法得出，三种工况下车轮和桥壳受力情况，具体如下表表3不同工况下的传统计算方法结果工况车轮承受最大反力桥壳最大弯曲应力满载静止20250N36.48MPa满载通过不平路面承受冲击荷载50625N91.20MPa满载并以最大牵引力行驶24300N44.09MPa上述可知桥壳在各工况下强度足够，且有一定的设计余量。但是要计算出桥壳上某一点(应力集中点)的真实应力值，需要运用UG的有限元法，完成结构静力分析和强度计算。分析时，我们将计算模型简化得当，受力约束处理合理，便能得到详细的应力与变形分布图。4.2有限元分析方法有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。通常由预处理、分析和分析早期三个主要步骤组成。4.3CAE分析过程本次我使用的是软件UGNX8.0版本。打开UG软件，点击【打开】按钮，打开三维桥壳桥壳图，点击【开始】按钮，选择【高级仿真】，再打开【仿真导航器】，得出下图4-1。图4-1仿真导航器然后，用鼠标右键，点击文件名【zuihong.prt】，新建FEM文件，得图4-2。图4-2新建仿真文件在对话框中，选择第一项，选择所要放置的文件夹，单击【确定】，跳出如下对话框，如下图4-3。图4-3新建仿真文件对话框勾选【创建理想化部件】项，余下的选项选择默认状态，得下图4-4图4-4新建仿真完成对话框接着进行给图形赋予材料操作：单击【指派材料】按钮，选择指派材料选项，弹出如下图4-5对话框，图4-5指派材料选择【Steel】材料，框选图形，点击【确定】按钮，赋予材料过程完成。接着进行【物理属性】设置，鼠标左键单击【物理属性】按钮，得下图4-6。图4-6物理属性在弹出的对话框里，单击【创建】按钮，得出如下对话框，如下图4-7。图4-7新建物理属性1在弹出对话框里，【属性】栏，点击【材料】，选择【Steel】项，剩余的全部选择默认状态，点击【确定】按钮，得下图4-8。图4-8新建物理属性2点击【关闭】按钮。接着进行网格收集器操作，单击【网格收集器】，弹出以下对话框，得下图4-9。图4-9网格收集器1在对话框的属性栏，点击【类型】右边的倒三角符号，选择【PSOLID1】项，得下图4-10。图4-10网格收集器2单击【确定】，自此网格收集器分析完成，得出下图4-11。图4-11网格收集器完成图单击工具栏右边的【3D四面体网格】按钮，得下图4-12。图4-123D四面体网格对话框然后再对话框中，从【单元属性】里选【CTETRA10】，【网格参数】单击【自动单元大小】按钮，其他的都选择默认状态，单击【确定】按钮，开始等待网格划分完成，如下图4-13，有限元分析完成。图4-13网格分析完成图开始做约束和载荷分析：打开【仿真导航器】，鼠标右键单击【文件名】，选择【新建仿真】，在弹出的对话框中，全部选项都选择默认状态，不进行任何更改，单击【确定】按钮，弹出下图4-14这个对话框。图4-14新建仿真在这个对话框中，不进行任何操作，全部选择默认状态。单击【确定】按钮，弹出如下图4-15对话框。图4-15解算方案弹出的对话框中，从【解算方案类型】选项里，选101—单约束，从【常规】框中，选择【单元迭代求解器】，其他的选项进行默认状态即可，点击【确定】，得下图4-16.图4-16解算方案完成图开始进行约束操作，点击【约束载荷】，在弹出的对话框里，选择【固定约束】，选择如图的两个平面为固定面，得下图4-17图4-17固定约束然后开始施加载荷操作，对于上图，用鼠标点击【载荷类型】，在对话框中，选【轴承】，弹出如下图4-18载荷约束对话框。图4-18载荷约束进行三个典型工况受力分析，在仿真导航器里，点击【求解】，得到解算的结果。利用有限元法分析,得到在不同载荷工况下桥壳的变形规律、应力分布规律、最大应力及位置，具体如下图所示：图4-19工况1桥壳的变形规律、应力分布规律、最大应力及位置图图4-20工况2桥壳的变形规律、应力分布规律、最大应力及位置图4-21工况3桥壳的变形规律、应力分布规律、最大应力及位置图通过以上3种工况(满载静止工况、在不平路面冲击载荷作用工况、受最大牵引力行驶工况)下桥壳的Mises应力云图可知，高应力区出现在轮毂与轴承相联的轴根部以及桥壳安装块根部圆弧过渡处，其计算结果如表2所示。表4不同工况下的有限元法计算结果工况最大应力结论满载静止时40.49MPa强度足够在不平路面冲击载荷作用下101.2MPa受最大牵引力行驶时71.41MPa通过上述分析可知，此桥壳在三种工况下的最大应力值均小于材料的屈服极限（=300MPa），强度满足，且有一定的设计余量，达到合理的结构和合格的性能要求。并且表明，危险截面位于与轴承配合的阶梯轴根部和安装块根部截面突变处，与实际是相符。4.3本章小结本章主要是讲解了驱动桥桥壳的静态分析方法，和几个主要的操作步骤。接着开始展开进行静态分析的工作：首先给三维桥壳建立高级仿真，选好了存放的目录，接着分别给予桥壳指派材料、选择物理属性、网格收集，完成这些后开始给图形进行3D四面体网格划分，等图形网格划分完成，自此表示限元分析建好。再开始给图形固定约束，计算得出三种不同工况下变形规律、应力分布规律、最大应力及位置，这就是所做的工作一整个大概的思路。最后，对计算结果进行分析得，在各工况下的最大应力值均小于材料的屈服极限（桥壳的许用弯曲应力=300MPa），强度满足，与轴承配合的阶梯轴根部和安装块根部截面突变位置为危险截面。

结论在分析汽车驱动桥壳结构特点的基础上，通过运用三维设计软件UGNX8.0完成了驱动桥壳三维模型的创建，并完成后续驱动桥桥壳静态分析，运用有限元分析法，计算得出三种不同工况下变形规律、应力分布规律、最大应力及位置分布，分析可知，在三种工况