重載貨車驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析

1、第26卷第2期2010年4月機(jī)械設(shè)計(jì)與研究Machine Design and Research Vol .26No .2Ap r .,2010收稿日期:2009-11-02基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2009045290;山西省青年科技研究基金(2007021023和自然基(2008012006-3資金資助項(xiàng)目;山西省青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目(20081066資助重載貨車驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析張驕1,楊建偉2(1.太原科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院,山西030024,E 2mail:413711913;2.北京建筑工程學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院,北京100044摘要:隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,汽車工業(yè)已邁入新時(shí)代

2、,重型載貨車的需求量大大增加,對(duì)重型汽車的性能要求越來(lái)越高,這使得傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)橋橋殼設(shè)計(jì)計(jì)算方法已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的要求。由于驅(qū)動(dòng)橋橋殼是汽車的重要承載件和傳動(dòng)件,是維系車輛運(yùn)行安全的關(guān)鍵部件,橋殼的性能和疲勞壽命直接影響汽車的有效使用壽命。因此,驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的疲勞耐久特性。本論文以某貨車的驅(qū)動(dòng)橋殼為研究對(duì)象,提出了橋殼幾何模型的簡(jiǎn)化方法,利用PRO /E 建模軟件建立了橋殼的有限元計(jì)算模型,并聯(lián)合有限元分析軟件ANSYS 對(duì)橋殼進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和有限元模擬分析,得出了零件的應(yīng)力和變形分布,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性,為汽車驅(qū)動(dòng)橋的強(qiáng)度評(píng)價(jià)提供了相關(guān)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞:重載貨車;驅(qū)

3、動(dòng)橋橋殼;有限元分析;變形中圖分類號(hào):U463.218+.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAna lysis on the Heavy Truck D r i ve Axle Housi n g W ith the F i n ite Ele m en t M ethodZHANG J iao 1,Y ANG J ian 2wei2(1.School of Machinery &Electr onics Engineering,Taiyuan University of Science and Technol ogy,Taiyuan 030024,China;2.School of Mechanical 2e

4、lectr onic and Aut omobile Engineering,Beijing University of Civil Engineering and A rchitecture,Beijing 100044,China Abstract:W ith the Chinese econom ic high s peed devel opment its aut omorive industry runs fast.The de mand ofheavy truck increases greatly,the ferf onnance of heavy truck is reqair

5、ed more highly,s o the traditi onal design of thuels drive axle housing coaldn t satisfy the require ment of mode m design .Since the axle housing is an i m portant component of the vehicle,its functi on and fatigue life have direct i m pact on the effective service life of truck .There fore,the axl

6、e housing should have sufficient strength,stiffness and well durable fatigue p r operty .Taking a truck drive axle housing as research object,its si m p lified geometric model is p resented in this paper.U sing PRO /E modeling s oft w are the finite ele ment model is built,and then a strength calcul

7、ati on and finite ele ment si m ulati on analysis is comducted by .A t last,it obtained the stress distributi on and parts defor mati on,which verified the design is reas onable,and als o p r ovided the relevant data f or strength evaluati on of the truck drive axle housing .Key words:heavy truck;dr

8、ive axle housing;finite ele ment analysis;def or mati on汽車驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車上的主要承載構(gòu)件之一,其主要功用是支撐汽車質(zhì)量,并承受由車輪傳來(lái)的路面反力和反力矩,并經(jīng)懸架傳給車架(或車身;它又是由主減速器、差速器、半軸的裝配基體。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度且質(zhì)量小,且便于主減速器的拆裝和調(diào)整。因橋殼的尺寸和質(zhì)量比較大,制造較困難,故其結(jié)構(gòu)型式在滿足使用要求的前提下應(yīng)盡可能便于制造。驅(qū)動(dòng)橋殼分為整體式橋殼,分段式橋殼和組合式橋殼3類。整體式橋殼具有較大的強(qiáng)度和剛度,且便于主減速器的裝配、調(diào)整和維修,因此普遍應(yīng)用于各類汽車上1。根據(jù)汽車設(shè)計(jì)理論

9、,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)力集中不應(yīng)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。下面即采用工程通用有限元分析軟件ANSYS,對(duì)某重型貨車整體式橋殼進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分析,并驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。1驅(qū)動(dòng)橋殼受力分析及強(qiáng)度計(jì)算橋殼可視為一空心橫梁,兩端經(jīng)輪轂軸承支撐于車輪上,在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷,而沿左右輪胎中心線,地面給

10、輪胎以反力(雙胎時(shí)則沿雙胎之中心,橋殼承受此力與車輪重力之差,受力如圖1所示。 圖1驅(qū)動(dòng)橋殼的受力簡(jiǎn)圖對(duì)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí),將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡(jiǎn)化成三種典型的計(jì)算工況,即:車輪承受最大鉛垂力(當(dāng)汽車滿載并行駛于不平路面,受沖力載荷;車輪承受最大切向力(當(dāng)汽車滿載并以最大牽引力行駛和緊急制動(dòng);車輪承受最大側(cè)向力(當(dāng)汽車滿載側(cè)滑。只要在這三種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證,就可認(rèn)為該殼橋在汽車各種行駛條件下是可靠的,計(jì)算如下:(1牽引力或制動(dòng)力最大時(shí),橋殼鋼板彈簧座處危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分別為:=M VWV +M hWh(1=T TWT(2式中:MV為地面對(duì)車輪垂直反力在橋殼板簧座處

11、斷面引起的垂直平面的彎矩,MV=m2G2b/2;(b為輪胎中心平面到板簧座之間的橫向距離;Mh為一側(cè)車輪上的牽引力或制動(dòng)力F x2在水平面內(nèi)引起的彎矩,M h=F x2b;T T為牽引或制動(dòng)時(shí),上述危險(xiǎn)斷面所受轉(zhuǎn)矩,TT =Fx2r;WV、Wh、WT分別為危險(xiǎn)斷面垂直平面和水平面彎曲的抗彎截面系數(shù)及抗扭截面系數(shù)。(2當(dāng)側(cè)向力最大時(shí),橋殼內(nèi)、外板簧座處斷面的彎曲應(yīng)力i 、o分別為:i=F z2i(b+1rW V(3o=F z2o(b+1rW V(4式中:Fz2i 、Fz2o分別為內(nèi)、外側(cè)車輪地面垂直反力;r為車輪滾動(dòng)半徑;1為側(cè)滑時(shí)的附著系數(shù)。(3當(dāng)汽車通過(guò)不平路面時(shí),危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力為:=k

12、G2b2WV(5式中:k為動(dòng)載荷系數(shù)。對(duì)于轎車k取1.75;對(duì)于貨車k取2.0;對(duì)于越野車k取2.5。橋殼的許用彎曲應(yīng)力為300M Pa500MPa,許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為150MPa400MPa?？慑戣T鐵橋殼取較小值,鋼板沖壓焊接橋殼取較大值。上述橋殼強(qiáng)度的傳統(tǒng)計(jì)算方法,只能算出某一斷面的應(yīng)力平均值,而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實(shí)情況。因此,它僅用于對(duì)橋殼強(qiáng)度的驗(yàn)算,或用作與其他車型的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較,而不能用于計(jì)算橋殼上某點(diǎn)(例如應(yīng)力集中點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力值。使用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析,只要計(jì)算模型簡(jiǎn)化得當(dāng),受力約束處理合理,就可以得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形的分布情況,這些都是上述傳統(tǒng)計(jì)

13、算方法所難以辦到的。2有限元模型的建立有限單元法的基本思想是“離散化”。有限單元法將被分析的對(duì)象(例如一個(gè)彈性體或一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)視為有限多個(gè)僅在節(jié)點(diǎn)處互相連接的單元,對(duì)不同的單元分別假設(shè)不同的內(nèi)部位移模式,并用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)描述2-4。這樣,只需對(duì)構(gòu)成分析對(duì)象的節(jié)點(diǎn)位移求解,就可以求得單元的變形和應(yīng)力,而不必對(duì)彈性體的無(wú)限域求解。常規(guī)有限元分析時(shí),通常要將研究對(duì)象理想化5-6,在進(jìn)行車橋有限元分析時(shí)所做的假設(shè)為:(1假設(shè)半軸套管和橋殼本體是一體,非裝配的,即不考慮焊接處材料特性的變化;(2橋殼結(jié)構(gòu)的材料為均質(zhì)線彈性材料。由于橋殼幾何模型的復(fù)雜性,在不影響受力分析的前提下對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼實(shí)體做必要簡(jiǎn)化,略去

14、鋼板彈簧緊固用U型螺栓對(duì)橋殼下半周的約束作用,除去受力小而引起截面突變的材料,用分布力代替軸承對(duì)橋殼的作用力。考慮到橋殼存在不規(guī)則曲面,先利用三維實(shí)體建模軟件Pr o/E進(jìn)行實(shí)體建模,然后利用有限元分析軟件ANSYS中數(shù)據(jù)輸入接口讀入實(shí)體模型。該模型計(jì)算時(shí)采用SHE LL63板殼單元,該單元具有大應(yīng)變、大撓度、大轉(zhuǎn)動(dòng)的線性特性和彈性,以及應(yīng)力剛化等特性,選取SHE LL63板殼單元,將使驅(qū)動(dòng)橋橋殼的有限元分析更近于其真實(shí)受力狀態(tài) 。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度:x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)整個(gè)橋殼結(jié)構(gòu)采用分塊劃分的原則進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。根據(jù)上述原則,設(shè)計(jì)出如圖2橋殼網(wǎng)格模型,整個(gè)模型

15、共生成19516個(gè)節(jié)點(diǎn)和19 522個(gè)單元。圖2網(wǎng)格化后橋殼有限元模型3橋殼有限元模型分析設(shè)計(jì)載貨汽車滿載軸荷為13t,輪距為1500mm,板簧間距為710mm,板簧座上表面面積為9000,橋殼本身重力G0=1476.3N,橋殼主體材料采用通用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,材料的屈服極限強(qiáng)度為345M Pa;外端插入的輪轂軸管材料為合金結(jié)構(gòu)鋼,材料的屈服極限強(qiáng)度為785MPa。兩種材料具有相同的的彈性模量和泊松比,其值為:彈性模量E= 2.06105MPa,泊松比=0.3。在對(duì)該橋殼進(jìn)行有限元模型分析時(shí),對(duì)于靜力學(xué)分析的最大鉛垂力和最大切向力兩種工況,約束加在每側(cè)車輪中線附近,模擬兩端簡(jiǎn)支支承。最大側(cè)向

16、力工況時(shí),約束加在側(cè)翻一側(cè)的車輪中線附近,支承為固定支承。上述的約束處理會(huì)使安裝輪轂軸承附近的應(yīng)力與實(shí)際情況有差別,但不會(huì)影響橋殼其它部位的應(yīng)力分布,其主要原因?yàn)楫?dāng)處于側(cè)向力工況時(shí),整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的受力主要集中在輪轂軸承附近,此時(shí)采用上述約束對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼其它部位的影響可以近似忽略。3.1橋殼承受最大鉛垂力工況分析對(duì)橋殼承受最大鉛垂力(即沖擊載荷,按2.5倍滿載軸荷,滿載軸荷為13t工況下,對(duì)該橋殼作變形和應(yīng)力分析圖。圖3、圖4分別為沖擊載荷作用下的橋殼應(yīng)力和整體變形圖。911第2期張驕等:重載貨車驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析 圖3沖擊荷載作用下橋殼應(yīng)力圖(MPa 圖4沖擊荷載作用下橋殼整體變形(1變形分析橋殼

17、在沖擊載荷作用下整體變形、軸向變形、垂向變形和縱向變形均與滿載工況時(shí)相似。其最大軸向位移為0.224mm,最大垂向位移為0.541mm 。(2應(yīng)力分析在沖擊荷載作用下,其最大應(yīng)力值為317M Pa,發(fā)生在鋼板彈簧座附近,大部分部位的應(yīng)力值在35-70M Pa 之間,應(yīng)力集中部位的應(yīng)力值大約在140MPa 左右。3.2橋殼總體分析按照對(duì)橋殼承受最大鉛垂力工況的分析步驟和方法,對(duì)其他兩種工況進(jìn)行分析,可得出如下結(jié)論:(1變形分析橋殼軸向最大位移發(fā)生在汽車受沖擊載荷作用時(shí),大小為0.224mm,橋殼垂向最大位移發(fā)生在汽車受沖擊載荷作用時(shí),兩端與中央的最大相對(duì)位移為0.541mm,橋殼縱向最大位移發(fā)生

18、在汽車以最大牽引力行駛時(shí),兩端與中央沿縱向的最大相對(duì)位移為0.224mm 。橋殼的位移變形符合汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)(QC /T534-1999要求的每米輪距最大變形小于1.5mm 。(2應(yīng)力分析在汽車左(右側(cè)翻的臨界狀況時(shí),輪轂內(nèi)軸承內(nèi)側(cè)位置存在著最大應(yīng)力,其值為631MPa,小于輪轂軸管材料的屈服強(qiáng)度785MPa;在沖擊載荷作用下,最大應(yīng)力發(fā)生在橋殼鋼板彈簧座附近,其值為188M Pa,小于橋殼材料的屈服強(qiáng)度345M Pa,橋殼的強(qiáng)度符合要求。根據(jù)以上結(jié)論可知,該橋殼的強(qiáng)度和變形均符合要求。4結(jié)論利用Pr o /E 軟件建立參數(shù)化模型,而后進(jìn)行轉(zhuǎn)化導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行分析和計(jì)算,通過(guò)

19、有限元模擬方法,分析了汽車驅(qū)動(dòng)橋殼在不同工況下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和變形,為汽車驅(qū)動(dòng)橋的強(qiáng)度評(píng)價(jià)及疲勞壽命估算提供了所需數(shù)據(jù),也為汽車安全運(yùn)行提供了必須的依據(jù);同時(shí),有限元方法的利用,也可降低設(shè)計(jì)開發(fā)成本,縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1鄭艷萍,羊玢.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼臺(tái)架試驗(yàn)的有限元模擬J .南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2004,28(4:4750.2羅世魁,王國(guó)強(qiáng),王繼新.非公路自卸卡車后橋靜強(qiáng)度有限元分析中邊界條件的確定J .汽車工程,2003(增刊:7173.3黃薇,黃志超,周大路.汽車后橋有限元疲勞壽命分析J .機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007,2(4:21.4彭為,靳曉雄,左曙光.基于有限元分

20、析的轎車后橋疲勞壽命預(yù)測(cè)J .汽車工程,2004,26(4:508509.5Ted Belytschko .Finite Ele ments for Nonlinear Continua and Struc 2turesM .W iley,John &Sons,I ncor porated,2001.6C Kendall Clarke,Don Hali m unanda .Failure Analysis of I nducti onHardened Aut omotive AxlesJ .J Fail .Anal .and Preven .2008,3(8:386396.作者簡(jiǎn)介:張驕(1988-,男,碩士研究生;主要研究方向:車輛主動(dòng)安全、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué),故障診斷及控制等。書訊推薦最近出版的