汽车零部件的载荷及其强度计算方法

• • • • 最大垂直力工况 最大侧向力工况 最大制动力工况 最大驱动力工况
最大垂直力工况
最大垂直力 = 满载 + 最大动载荷
Fvm Fv 0 Fv
讨论：
（1） 为什么动态载荷与轮胎的垂直刚度有关？ （2） 耐久性性动载系数和静强度动载系数区别？那一个大？
（3） 在那种情况下，轮胎会出现最大垂直力？
垂直力与侧向力联合作用
FVm2 k 2 FV 0 , FLm1 F1 FV 0
FVm1 k1 FV 0 , FLm 2 F 2 FV 0
FVm1 k1 FV 0 , FLm 2 F 2 FV 0
图2-9 第三种侧向力工况（左、右两侧车 轮受到的侧向力FL方向相同）
以概率理论为基础的极限状态设计法：
本质是将荷载效应S及结构抗力R看作是两个随机变量应用概 率论和数理统计的理论去研究结构的可靠度。 以概率论为基础的设计方法分为三个水准： 水准Ⅰ－半经验半概率法； 水准Ⅱ－近似概率法； 水准Ⅲ－全概率法。
三. 失效概率
Probability of failure
失效－指结构或结构的一部分不能满足设计所规定的某一功能要 求，即达到或超过了承载能力极限状态或正常使用极限状态中的 某一极限。 失效概率－指结构结构处于失效状态下的概率pf。
最大驱动力工况
在加速时，作用在前轮上的垂直负荷时减少的。用于静强 度计算的前轮驱动工况如下：
（2-15）
（2-16）
其中，FA2f是一个前轮上的驱动力，它是一种纵向力FA （见图2-2），FVof是一个前轮的满载静负荷；FVA2f是驱 动时一个前轮上的垂直力。
2.3 发动机转矩引起的载荷
在汽车中，如果汽车装备了手动四挡变速器，为了计算 传动轴的疲劳强度，应该采用如下公式计算转矩： （2-19） 其中，Tt1是传动轴疲劳强度计算转矩；Temax是发动机最 大有效转矩；i3是手动四挡变速器第三挡（次高挡）的传 动比。
前轴的最大制动力FBf可以表示为：
FBf h h Lr Fzf G m a B Fzf 0 m a B L L L
其中，µ是轮胎-地面附着系数
对前轮最大制动力（水平方向）与垂直力的组合为：
工程软件的应用
• • • • • 运动学分析，采用Adams软件 静力学分析，采用Ansys软件分析 碰撞分析，采用lsdyna软件分析 一些分析，采用abaqus, natran,patran等工程应用软件。 动力学分析,采用Carsim, simulink等软件
载荷来源
底盘、车身零部件载荷来源
内部：发动机
外部：地面、风载
防止零部件损坏对策
为了使汽车产品具有需要的工作寿命、耐久性和可靠性 （1） 设计： 进行行驶试验（包括仿真），确定载荷。 （2） 分析：对零部件进行静态应力分析，疲劳寿命估计 （3） 试验：进行强度试验、耐久性试验，检验疲劳寿命
2.2 各种工况下轮胎上载荷
最大侧向力工况
FLm1 F 1 FV 0
FLm 2 F 2 FV 0
其中，µ是侧向力系数 讨论： （1） 试验表明，普通轿车直线行驶时侧向力所引起的应力比转 弯行驶时要高（请问原因是什么？）。 （2） 在什么情况下，出现最大侧向力？
图2-8 所选择的侧向力FL的方向应该使其引 起的弯矩与垂直力FV引起的弯矩相加
制动鼓转动 前后的径向 变型图
制动鼓转动 前后蹄上的 应力变化
制动鼓转动 前后蹄片上 的压力变化
某载货车前轴有限元分析
• 对前轴在分别承受4500KG,4600KG,4800KG轴荷，在 垂直弯曲、紧急制动、侧滑等三种工况下进行了刚度 和应力有限元分析，针对分析结果给出了评价。
建立有限元网格模型
非稳定变应力下安全系数的计算方法： 基本思想：首先要将非稳定变应力折算成一个等效变应力 ，然后按稳定变应力的安全系数计算方法进行计算。
N N N1 N 2 ... n V N1 N 2 N n NV
m m m m 1m N1 2 N 2 3 N 3 ... n N n V NV
• 紧急制动工况 汽车制动时，由于惯性力的作用，使前、后轴荷重新分配， 前轴载荷增大，此时，前轴承受垂直力、前后力和扭矩 等共同作用。计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处， 扭矩的施加是通过在钢板弹簧座4个螺栓孔中心分别施加 方向相反的集中力实现的，在转向节轮距处施加位移约 束。
•
侧滑工况 汽车转弯时，由于侧向惯性力的作用，使左右车轮 载荷重新分配，且两侧受力不等，前轴、转向节受 垂直力和侧向力作用，这里取受力较大一侧进行计 算。计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处，在转 向节轮距处施加位移约束。
受力及约束
前轴是汽车行驶系的主要承载部件，也是载重 汽车的重要保安件。汽车行驶时，其受力十分 复杂。汽车在行驶时，前轴所受载荷有三种工 况，对三种危险工况进行了计算分析。
•
垂直弯曲工况 前轴总成承受垂直方向冲击载荷作用（见图3），计算时前 轴单边垂直力取满载轴荷的2.5倍，并以分布力的形式作 用于钢板弹簧座上，在转向节轮距处施加位移约束。
图6-3 各种路面的空间功率谱
•
功率谱是把时间和空间上变动的有效值的平方作为频率 成分的分布来表示的。
图6.4 功率谱密度
工程软件应用案例
汽车桥壳的有限元计算
• 建立有限元模型
添加载荷
前桥载荷与约束
桥壳位移分布云图
桥壳应力分布云图
鼓式制动器的接触有限元分析
（1） 采用Ansys软件
（2） 柔体-柔体的接触 （3） 运动定义
i NV i 1 V
n
Ni
m
kN m
N0 NV
路谱
• （1） 路面不平度的功率谱密度曲线 • （2） 路面不平度可分为长波、短波和粗糙纹理，长 波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动， 而粗糙纹理引起轮胎的行驶噪音。 • （3） 意义：为随后的实验室台架试验或者多体动 力学仿真分析提供可靠地数据支持，从而使工程师 对汽车各构建的疲劳寿命能够做出准确的预测与判 断。
本次分析计算所使用的软件为MSC.Nastran 根据提供的二维图纸进行几何建模及有限元建模，前轴和转向节通 过 主销轴和轴承连接在一起，在计算时考虑了上述部件之间的接触和 摩 擦作用，并采用接触单元模拟其运动关系。前轴和转向节三维几何 造 型如图1所示。前轴为对称结构，对其一半进行有限元划分，共划 分 单元120047个，节点28781个。有限元模型如图2所示。 3． 前轴材料为45钢，转向节为40Cr，转向节主销为20MnCrTi,计算 时 取泊松比μ=0.29，弹性模量E=2.07E+5MPa。 1. 2.
竹帛烟消帝业虚， 关河空锁祖龙居。 坑灰未冷山东乱， 刘项原来不读书。
有感现在大学生、研究生连教材书都没有 2011-11-21
第2章
汽车零部件的载荷及其强度计算方法
第2章 讲课内容
• • • • • 2.1 汽车零部件损坏形式及对策 2.2 各种工况下轮胎上载荷 2.3 发动机转矩引起的载荷 2.4 汽车零部件的强度计算 2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数
低周疲劳与高周疲劳
高周疲劳：作用于零件、构件的应力水平较低 ， 破坏循环次数一般高于10^4的疲劳 ，弹簧、传动 轴等的疲劳属此类。
低周疲劳：作用于零件、构件的应力水平较高 ， 破坏循环次数一般低于10^4的疲劳 ，压力容器的 疲劳属此类。
可靠性计算
安全系数法的缺点： 没有定量的考虑抗力和荷载效应的随机性，而是靠经验或工 程判断的方法确定，带有主观成分。定的高或低依据不充分。
图2-12 材料疲劳强度极限图
无限寿命 就钢材而言，当其承受正、负（拉和压）相等的交变应力时，其疲劳强 度（材料能够承受的最大应力值）随材料可以承受的交变次数的增加而 减小，如图2-11所示。当可以承受的交变次数达到107次以上时，疲劳强 度就变成了一个固定值，称其为持久极限。持久极限一般只有静强度的 40%~50%。应力低于持久极限时，材料具有无限寿命。
2.4 汽车零部件强度计算
• • 静强度许用应力 材料的选择
2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数
• 疲劳强度许用应力的估计 目前并无很好的预测疲劳的方法，一般通过标 准试验获取零件在不同正负交变应力循环下的疲 劳寿命，然后增加一些修正系数，描述疲劳寿命 的改变与尺寸、形状、表面加工质量等因素。
R-S
μR
S，R
从结构安全的角度，提高结构构件的抗力R，减小抗力R和荷载 效应S的离散程度，可以提高结构的可靠程度，即提高μR－ μS， 减小σR 、 σS可使失效概率降低。
结构处于可靠状态下的概率，称为可靠概率ps，ps=1-pf。
疲劳寿命计算方法
• 疲劳累计模型
图2-12 材料疲劳强度极限图
在模型中鼓和蹄
片均采用solid45实体 单元，用beam188单 元模拟轮辐。按接触
有限元模型
向导生成接触对。加
上适当的边界条件和 载荷，通过分析，可 以得到整个制动器的 应力分布、蹄片上的 压力分布规律以及制 动力矩的大小。另外 还可以设置不同的摩 擦系数来模拟不同摩 擦材料对制动力矩的 影响。
n Nn Ni N1 N 2 寿命总损伤率：F ... N1 N 2 N n i 1 N i
n Nn Ni N1 N 2 ... 1 零件发生疲劳破坏时 F N1 N 2 N n i 1 N i
大量的试验表明，总寿命损伤率约在0.7~2.2之间，为计 算方便起见，通常取1。
补充内容：
（1） 可靠性设计方法 （2） 疲劳计算方法
（3） 应用案例
2.1 汽车零部件损坏形式及对策