汽車驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的有限元分析-

1、北京汽車文章編號(hào):1002-4581(200705-0005-03汽車驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的有限元分析王星1,王國瑩2WANG Xing 1,WANG Guo-ying 2(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院,重慶400074;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,內(nèi)蒙古010051摘要:首先對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的靜強(qiáng)度進(jìn)行了分析,然后通過Pro/E Wildfire 版軟件建立了驅(qū)動(dòng)橋殼三維幾何模型,再利用MSC.PATRAN 網(wǎng)格生成器,建立驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元模型。最后針對(duì)相應(yīng)的有限元分析工況,利用MSC.NASTRAN 軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析,得到結(jié)果并加以驗(yàn)證。關(guān)鍵詞:汽車;驅(qū)動(dòng)橋殼;有限元

2、;強(qiáng)度中圖分類號(hào):U463.218+.5.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A有限元法是一種在工程分析中常用的解決復(fù)雜問題的近似數(shù)值分析方法,特別是在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域,無論是車身、車架的計(jì)算仿真,還是發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸以及傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算均使用到該方法。其最基本的研究方法就是“結(jié)構(gòu)離散單元分析整體求解”的過程。將實(shí)體建模、系統(tǒng)組裝、有限元前后處理、有限元求解和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析等集成一體,最大限度地滿足工程設(shè)計(jì)分析的需要,能高效準(zhǔn)確地建立分析構(gòu)件的三維實(shí)體模型,自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格,建立相應(yīng)的約束及載荷工況,并自動(dòng)進(jìn)行有限元求解,對(duì)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖形顯示和結(jié)果輸出,對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性做出評(píng)價(jià)。汽車驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車的主要傳力件和承

3、載件,與從動(dòng)橋殼共同支承車架及其上的各總成重量,承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩。驅(qū)動(dòng)橋殼又是主減速器、差速器及驅(qū)動(dòng)車輪傳動(dòng)裝置的外殼。因而驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)具有足夠強(qiáng)度和剛度,便于主減速器的拆裝和調(diào)整。根據(jù)汽車設(shè)計(jì)理論,為保證車橋工作的安全性和可靠性,驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足應(yīng)力和變形要求,局部應(yīng)力集中導(dǎo)致橋殼的斷裂或塑性變形。因此對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行應(yīng)力、變形分析,提高工作可靠性具有非常重要的意義。但汽車驅(qū)動(dòng)橋殼形狀復(fù)雜,且汽車的行駛條件千變?nèi)f化,利用傳統(tǒng)方法很難精確計(jì)算橋殼各處的應(yīng)力及變形大小。然而利用有限單元方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析可以得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。1三維幾何模型的建立被分析汽車的參數(shù)為:汽車

4、的名義裝載量m 1=4.0t ,滿載軸荷時(shí)后橋負(fù)荷m 2=6.0t ,車輪中心線至鋼板彈簧座中心距離b=370mm ,兩鋼板彈簧座中心間的距離s=1004mm ,橋殼本身的重力G 0=931.6N ,橋殼設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為7,彈簧上表面面積5000mm 2,由此可得到面載荷為5.88MPa 。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)承受滿載軸荷時(shí),橋殼最大變形量不能超過1.5mm/m ;承受2.5倍滿載軸荷時(shí),橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。所以垂直方向的載荷取滿載軸荷的2.5倍,即5.88×2.5=14.78MPa.三維實(shí)體幾何模型是在CAD/CAM/CAE 的基礎(chǔ),采用UG 建立起驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型,在汽車驅(qū)

5、動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)有限元分析北京汽車建立橋殼的有限元模型時(shí),先對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼實(shí)體做必要的簡化(如圖1所示,在此基礎(chǔ)上對(duì)橋殼性能進(jìn)行分析。圖1橋殼三維幾何模型2驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型的建立導(dǎo)入MSC.PATRAN的橋殼幾何模型如圖2所示。經(jīng)過MSC.PATRAN統(tǒng)計(jì),共導(dǎo)入196個(gè)曲面,從圖中可以看出,有一些大的區(qū)域被分割成很多小的曲面。圖2導(dǎo)入的幾何模型2.2驅(qū)動(dòng)橋殼有限元網(wǎng)格的劃分在一項(xiàng)工程分析中,經(jīng)常要花費(fèi)很多時(shí)間生成有限元網(wǎng)格。為減少有限元網(wǎng)格的生成時(shí)間,MSC.PATRAN提供了多種網(wǎng)格生成器用來自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。經(jīng)過網(wǎng)格劃分,最后的有限元網(wǎng)格如圖3所示,共有27027個(gè)四邊形單元、27052個(gè)節(jié)

6、點(diǎn)。圖3網(wǎng)格生成圖該驅(qū)動(dòng)橋殼的本體材料為8mm厚的09SiVL鋼板,從材料手冊(cè)中查出其彈性模量E=5MPa,泊松比=0.3,材料密度為7850。計(jì)算橋殼的垂直靜彎曲剛度和靜強(qiáng)度的方法是:將后橋兩端固定,在彈簧座處施加載荷,將橋殼兩端車輪中心線處全部約束,然后在彈簧座處施加規(guī)定載荷。2.3橋殼載荷的施加根據(jù)車橋?qū)嶋H承載情況,車橋所受載荷包括下列兩類:(1簧載質(zhì)量。該微型車在滿載時(shí)的后懸簧載質(zhì)量為940kg,車橋每一側(cè)為470kg。根據(jù)懸架與車橋的連接方式,本文取車橋每一側(cè)的靜載荷沿彈簧支座均勻分布,并施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上,作用形式為均勻分布的載荷密度。(2縱向推力桿的反作用力。汽車驅(qū)動(dòng)力通過車輪、

7、車橋、縱向推力桿傳到車身,推動(dòng)車身前行,因此驅(qū)動(dòng)橋殼體還受到縱向推力桿的反作用力的作用。反作用力在橋殼上的作用形式也是均勻分布的。3橋殼結(jié)構(gòu)有限元分析在有限元模型中,驅(qū)動(dòng)橋殼在2.5倍滿載軸荷工況下,應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D分別如圖4、圖5所示,最大位移為0.469E-03m,最大應(yīng)力為2185MPa,出現(xiàn)在半軸套管約束處。在不考慮由于約束影響造成的局部過大應(yīng)力的情況下,應(yīng)力較大值分布在鋼板彈簧座的兩側(cè),約為240MPa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力=510MPa610MPa。所以,該橋殼是符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的。圖4橋殼應(yīng)力分布云圖汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)有限元分析北京汽車圖5橋殼應(yīng)變分布云圖4橋殼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案一

8、:加厚橋殼厚度,橋殼受力位置不變。這種改進(jìn)方案將對(duì)橋殼生產(chǎn)工藝做較大改動(dòng),原材料供應(yīng)將改變,并且該方案使橋殼的應(yīng)力降幅有限。方案二:橋殼厚度不變,改變橋殼受力位置。這種方案將考慮在橋殼厚度不變的情況下改變彈簧支座或縱向推力桿支座的位置,以達(dá)到改變橋殼受力狀態(tài)的目的,并且支座本身結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。為了使懸架彈簧上端支座以及縱向推力桿前端支座位置不變,考慮分別將橋殼上的彈簧支座和推力桿支座位置靠近,即彈簧支座向外移動(dòng)10mm ,縱向推力桿支座向內(nèi)移動(dòng)10mm ,這樣橋殼上兩支座中心之間的距離從42.5mm 縮短到22.5mm 。將動(dòng)載荷施加到新位置,利用橋殼有限元模型進(jìn)行重新計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn),橋殼上的最大應(yīng)力已降低到112MPa ,降幅近50%,由此可以看出,方案二對(duì)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋的受力形態(tài)是非常有益的。參考文獻(xiàn)1龔培康.汽車拖拉機(jī)有限元法基礎(chǔ)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.2楊波,羅金橋.基于ANSYS 的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有