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2895 基于solidworks 汽车驱动桥有限元分析 基于 solidworks 汽车 驱动 有限元分析

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2003067汽车驱动桥的疲劳检测分析吴瑞明 周晓军 赵明岩 潘明清(浙江大学,杭州 310027)摘要 通过对汽车驱动桥的疲劳寿命基本原理的分析,提出了基于高程块和惯性飞轮的疲劳寿命试验方法,并对该方法的实现进行了探索,开发了HCQ310试验系统。叙词:驱动桥,疲劳检测Fatigue Testing and Analysis of Automotive Driving AxleWu Ruiming,Zhou Xiaojun ,Zhao Mingyan &Pan MingqingZhejiang University , Hangzhou310027 AbstractThis paper describes the principle of fatigue testing and puts forward a fatigue testing methodusing test block and inertia flywheel. A testing system for automotive driving axles is also developed.Keywords :Driving axle,Fatigue testing原稿收到日期为2002年6月24日,修改稿收到日期为2002年10月8日。1 引言汽车驱动桥主要包括主减速器齿轮、 轴承、 差速器壳、 半轴及桥壳。驱动桥的主减速器齿轮、 轴承、差速器壳、 半轴及桥壳等在工作中承受交变应力,都有疲劳寿命的问题。整车道路试验虽然能如实地反映行驶时的实际情况,但需要消耗大量的人力和物力,而且试验周期很长,控制也很困难。采用室内台架试验的方法对驱动桥总成进行疲劳寿命试验,在室内再现实际行驶中所遇到的各种复杂工况,以考验主减速器齿轮、 轴承及其他零件的疲劳寿命,能够提前检测驱动桥疲劳性能,更早发现问题。驱动桥疲劳性能检测,要考虑疲劳性能试验台检测正确性、可靠性及自动化程度。如何利用现代的计算机技术、 传感器技术、 机电一体化、 自动控制技术来提高汽车疲劳性能试验台的检测水平,对于我国现代汽车工业的发展具有重要的意义。目前,国内只有极少数厂家进行驱动桥疲劳性能试验,且试验台结构较简单,自动化程度低。2 驱动桥疲劳失效试验基本原理在驱动桥疲劳的整个过程中,塑性应变与弹性应变是同时存在的。当循环加载的应力水平较低时,弹性应变占主导作用。当应力水平逐渐提高,塑性应变达到一定数值时,塑性应变的作用逐渐成为疲劳破坏的主导因素,使应力2寿命( 2N)曲线随应力水平的提高趋于平坦(图1 (a)。如将纵坐标用应变来代替,则由疲劳试验可得到一条光滑的应变2寿命曲线(图1 (b)。一般以105次循环作为高周疲劳与低周疲劳的分界点。图1S2N图在驱动桥疲劳试验中,若经107次循环之后仍不破坏,就认为它可以承受无限次循环。在S2N曲线上,小于107次循环的点所对应的最大应力,称为在该循环下的条件疲劳极限。如果试验的驱动桥额定寿命为10万km(108m) ,根据寿命区的确定,驱动桥寿命区的确定如下:短寿命区 所受应力较大,驱动桥疲劳寿命在105m以内;中等寿命区 2003年(第25卷)第3期 汽 车 工 程Automotive Engineering2003 (Vol. 25) No. 3 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.承受中等应力,驱动桥疲劳寿命在105107m距离范围;长寿命区 施加的应力水平较低,试件疲劳寿命在107m以上。影响疲劳试验结果分散性的因素,主要有以下几个方面。(1)试验台架的不精确性,零部件材料的不均匀性;(2)零部件尺寸和形状的不一致性,零部件加工过程的不一致性;(3)驱动桥总成各个零部件热处理过程的不一致性,试验环境的偶然变迁。对于不同的疲劳特征,设计时应采用相应的疲劳特性曲线。对于低应力高周疲劳(应力疲劳) ,用S2N曲线;对于高应力低周疲劳(应变疲劳) ,用 2N曲线。利用强化路面的检验寿命和实际路面的使用寿命之比来评价强化程度,即所谓的强化系数。强化方法的核心是路谱技术,用按路谱技术设计的高低不一的高程块,在滚轮上按一定规律布置来实现。实际工况通过挂接惯性飞轮和测功机模拟加载来实现。驱动桥试验台系统的高程块按高度分有6系列(在系统中称为6道) ,其基本强化系数分别为150、130、110、80、50、20 ,单个滚轮的强化系数为各高程块的加权平均值。加高程块时的驱动桥疲劳寿命S高为:额定寿命S额除以强化系数KN,即S高=S额/ KN(1)从工作寿命指标获得的强化系数为KN=N5/ NT式中N5为正常路面寿命, NT为强化路面寿命。由于疲劳失效试验数据的离散性较大,所以按常规疲劳试验方法在每个应力水平下只用一个试样得到的S2N曲线精度较差,只能用于对准确度要求不高的疲劳设计。对于疲劳强度的可靠性设计,需要给出P2S2N曲线( P为存活率)。此时,在寿命小于106循环的S2N曲线段,需要采用成组试验法,即在每个应力水平下使用一组试样来进行试验。在大多数情况下,随着应力水平的降低,疲劳寿命的离散性增加。所以,对于低应力水平所用的试样个数应比高应力水平为多。下面分析试样个数的选取。假设已知一组n个观测值x1, x2, xn,则子样平均值和标准差分别为?x =1nni =1xi(2)s =ni =1x2i-1n(ni =1xi)2n -1(3)根据tr分布理论,母体平均值区间估计式为?x -trsn?x + trsn(4)当给出置信水平=1-时, tr可由相应表格查得。 将上面的不等式移项,可以得到子样平均值 ?x的误差估计式:-str?xn-?x?xstr?xn(5)式中(-?x) /?x表示子样平均值 ?x与母体真值的相对误差。令表示相对误差限度(绝对值)=str?xn(6)为一小量,根据实际情况选取1%10% ,一般取3%5%。 当 ?x、s和n满足式(6)判据时,式(5)表明用子样平均值作为母体均值的估计量时,以的置信度,相对误差不超过 。 进一步可得出最少观测值个数,即最少有效驱动桥个数。成组试验法的实现,首先系统需要检测一定数量驱动桥的疲劳寿命,对检测到的驱动桥疲劳寿命数据进行统计,使用直线拟合法,对纵坐标扭矩S和横坐标寿命N都取对数,用最小二乘法拟合直线,得S2N曲线。3 疲劳检测的实现疲劳检测在驱动桥HCQ310惯性式滚筒性试验台上进行。通过在室内台架上模拟车辆道路行驶工况的方法,实现对驱动桥各项基本性能的实验室检测与试验,达到模拟道路试验的目的。惯量及阻力模拟系统主要包括滚筒和飞轮组。利用滚轮表面来模拟道路表面,利用滚轮及飞轮组的转动惯量来模拟车辆旋转体的转动惯量和直线运动质量的平移惯量。滚轮的直径采用4m大直径。理论上,用滚轮模拟道路的表面,滚轮的直径越大越能真实模拟路面的状况。但滚轮直径过大,会造成加工和安装的困难,使成本急剧增加。据现有资料,4m的滚轮已经是世界上最大的汽车滚筒式试验台。对于风载加荷,采用2台电涡流测功机来实现。311 道路模拟在两滚轮上安装不同级别高程块来模拟不同路面。高程块最大高度为200mm。高程块的高度增加,将提高强化系数。从纯技术角度出发,采用较高高度的高程块和高的运行速度,是对车桥的一种强482汽 车 工 程 2003年(第25卷)第3期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.化性极高的试验,使车桥受到超大负荷的作用而缩短疲劳试验时间,车桥的寿命缩短到约40h左右,但同时增加了试验台的动载荷。这牵涉到两方面的技术问题:一是液压加载系统要增大流量和反应能力(流量大了以后响应特性变差) ;二是影响到机械部分的强度(滚轮和大齿轮强度受限于空载惯量模拟和其本身结构条件)。试险过程中高程块布置与转速的关系如表1。表1 高程块及试验规程高程块最大高程(mm) 5050100100150150200车速范围(km/ h)3545253515201014312 系统试验目的通过疲劳试验得到驱动桥的强化疲劳寿命;通过计算确定驱动桥是否合格;通过疲劳失效试验方法得出某一应力水平下驱动桥具有的疲劳寿命。系统载荷参数:最大静态桥荷(滚轮不转时)为588kN ;最大动桥荷为343kN ;最大驱动惯量为4000kgm2;最大制动惯量为35000kgm2。在疲劳检测时,要求有破坏前警报,破坏后自动停机。对一些参数要设定阈值(如噪声、 温度等) ,如果采样数值的大小超过阈值,触发报警系统,系统自动采取相应运作。在实际调试中发现,在施加最坏的路面等级、 最大载荷、 最高速度的情况下,最大动载系数最好不大于2。试验台的动载系数不但决定于高程块的高度和分布情况,也决定于试验台运行速度,单纯地降低高度而提高速度,对车桥的强化效果是相同的,所引起的动载荷同样不能降低。系统采用杭州汽车发动机厂的WD615168型增压中冷式柴油机作为动力源,PCL722 (144路数字量输入/输出卡)、PCL727(12路模拟量输出卡)、PCL813B(32路隔离A/ D卡)、PCL836 (6路计数/定时器卡)等4块板卡实现数据的采集和动作控制。疲劳试验的流程框图见图2。313 疲劳试验周期计算某轻型工程车车桥双侧加载147kN ,配用第6道标准高程块组合,其强化系数为150 ,车桥疲劳寿命假设为107次,轮胎直径约2m ,要达到疲劳破坏行驶里程为1072/ 100062832km ,车速13km/ h ,疲劳试验周期T= 62832/ (13150) =3212h。314 测定S2N曲线用成组试验法来测定驱动桥的S2N曲线 。 某图2 疲劳性能检测流程图载货汽车桥(徐州美驰车桥有限公司)在2000Nm、3000Nm、4000Nm的作用下,测得一组三个疲劳寿命N分别为2173105次、1165105次、1137105次,其相应的对数疲劳寿命lgNi为514361、512175、511367。用最小二乘法拟合画出驱动桥S2N对数曲线(图3)。lgS为扭矩的对数值,lgN为寿命取对数。图3S2N对数曲线然后通过式(2)、 式(3)得出子样平均值 ?x= 512635,标准差s= 01155,求得变异系数为s?x=01155512635= 010294 如果取置信度= 90% ,根据表2可知三个观测值已经能够满足要求;但是如果置信度取 = 95% ,至少需要4个观测值(表3)。因此必须增加试样,才能满足误差不超过 5%要求。在增加一个驱动桥后,其试验结果为:疲劳寿命为118910- 5,计算得对数疲劳寿命为512765,子样平均值 ?x= 512667。求得变异系数为s?x=01127512667= 010241 再由表3的数据可以知道驱动桥个数已满足要5822003年(第25卷)第3期 汽 车 工 程 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表2 最少观测值个数变异系数s/?x范围最少观察值个数小于0102973010297010425401042501052450105240106086010608010681701068101074680107460108069 置信度= 90%误差限度= 5%表3 最少观测值个数变异系数s/?x范围最少观察值个数小于 0102013010201010314401031401040350104030104766010476010541701054101059880105980106509 置信度= 95% ,误差限度= 5%求。即将疲劳寿命对数均值512667作为子样平均值 ?x的估计值时,以95 %的置信度,相对误差不超过 5 %。4 结束语HCQ310惯性式滚筒试验台优点:车桥在装入汽车之前就进行疲劳检测,有利于消除事故隐患;同时根据试验结果可以及时调整设计和制造工艺方面存在的问题,大大降低了检测成本。系统可以模拟多种特种道路的路面,易控制,重复性好,并可通过疲劳编辑技术,缩短疲劳试验周期,最终缩短产品开发周期,节省资金,提高产品竞争力。据初步估算车桥产品开发周期缩短30 %50 % ,疲劳试验周期从试车场路试的约1020天减少到3天以内,强化疲劳试验更可缩短到40h以下,单个车桥检测成本从35万元降到约5000元。HCQ310系统采用高速模拟试验,试验方法先进。而且能发展为进行加速、 滑行、 测功等试验的多功能台架。用高程块和惯性式滚筒试验台进行疲劳失效分析的方法,是可行的,采用工控机和控制/分析软件实现了驱动桥疲劳失效试验的自动检测。参考文献1 吴增德.汽车制动性能检测技术研究及系统开发:学位论文.杭州:浙江大学,20002 王植槐等.汽车制造检测技术.北京:北京理工大学出版社,2000(上接第278页)出了在汽车布置设计过程中更为实用的布置方法,并且在CATIA软件平台上研制了一个基于知识的汽车驾驶员座椅布置系统。系统具有良好的界面和完善的功能,能帮助设计师高效地完成座椅的布置。同时,其中的许多模块还是车身内部布置的有效分析工具。参考文献1SAEJ1517.Driver Selected Seat Position ,Society of Automotive En2gineers ,Inc. ,Warrendale ,PA.2Judic J M ,Cooper J A ,Truchot P ,Van Effenterre P ,and DuchampR. More Objective Tools for the Integration of Postural Comfort inAutomotive Seat Design. SAE Technical Paper ,9301133黄金陵、 龚礼洲、 葛安林.车身布置中H点