6汽车驱动桥桥壳的有限元分析(牟建宏)
汽车驱动桥壳的有限元分析与轻量化
汽车驱动桥壳的有限元分析与轻量化白玉成;梁诚;许文超;邾枝润【摘要】利用CATIA软件建立驱动桥壳的三维模型,选取桥壳的最大垂向力、最大牵引力、最大制动力、最大侧向力和最大静应力典型工况,并施加相应的约束和边界条件,在Hyperworks中对桥壳进行有限元结构分析.分析结果表明,桥壳的强度及刚度性能满足要求.在最大静应力工况下,运用Optistruct优化模块对驱动桥壳的盘面和板簧座进行结构优化,优化后桥壳的应力集中位置得到转移和分散,桥壳应力分布较均匀,实现了桥壳的轻量化.【期刊名称】《山东交通学院学报》【年(卷),期】2017(025)003【总页数】8页(P1-8)【关键词】驱动桥壳;有限元模型;结构分析;结构优化;轻量化【作者】白玉成;梁诚;许文超;邾枝润【作者单位】安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽安凯福田曙光车桥有限公司,安徽合肥230051【正文语种】中文【中图分类】U463.218驱动桥壳的结构优化对重型汽车的节能减排、提高商用车的整车性能有重要意义[1-2]。
国内外学者对桥壳的研究一直十分重视，尤其重视对桥壳的轻量化优化设计。
文献[3]对驱动桥壳在最大垂向力、最大牵引力、最大制动力、最大侧向力4种工况下进行有限元分析，得到桥壳的强度和变形情况；文献[4]将桥壳肩部爬坡的起始位置进行调整，以改变桥壳肩部爬坡处的形状，使桥壳爬坡断裂位置的安全系数提升了20%；文献[5]通过增大桥壳过渡圆角的直径，提高了桥壳的强度、刚度和疲劳寿命。
文献[6]以驱动桥壳的总体积为目标，以强度性能为约束条件进行结构优化，以桥壳各区域的厚度为设计变量，实现了桥壳的变截面轻量化，使得结构更合理、应力分布更均匀。
文献[7]提出在钢板弹簧座附近添加衬环的方法，并基于二次响应曲面法对桥壳进行优化设计；文献[8]基于台架工况对桥壳进行有限元分析，得出桥壳应力集中点和桥壳实际断裂位置一致。
基于Hypermesh的汽车驱动桥壳有限元分析与疲劳寿命预测
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汽车桥壳的有限元分析
汽车桥壳的有限元分析闫维来源：E-WORKSCAE技术,在产品生产的各阶段,周期内都有实在际效益,例如:在概念设计阶段CAE可以为设计职员来完成基础设计的验证,不同方案的比较,满足功能,性能方面的要求;在具体设计阶段CAE可以验证各种零部件是否满足性能,制造上是否可行等,不过我国目前CAE技术的开展,主要集中在产品开发和试验阶段.本文研究的车桥就是经试验检测后在进行的CAE研究.随着CAE技术在中国的逐步被重视,越来越多的企业引进了CAE技术,本文主要简述CAE技术在某型汽车桥壳方面的应用.一、前言汽车桥壳是车辆中重要的安全件和功能件,是几何外形较为复杂的零件,它是主减速器,差速器,半轴的装配基体,主要功能是支撑汽车重量,并承受由车轮传来的路面反力和反力矩,并经悬架传给车架或车身,其性能直接影响运输车辆的安全性和可靠性,要求有足够的强度和刚度,质量要小,从而进步汽车行驶的平顺性.我国目前的实际应用中的桥壳多为铸造桥壳和钢板冲压焊接桥壳,铸造桥壳有较高的强度和刚度,但质量也较大,铸造质量也不易保证,很轻易造成材料和能源的浪费.而钢板冲压焊接桥壳,相比较而言,轻易制造,质量轻,但加工工序较多,往往存在着回弹超差,而且焊缝质量要求高,也很浪费材料和能源.随着成型设备及相关技术的发展,液压胀形技术在国外迅速发展,广泛应用于汽车制造行业,日本等国家在液压胀形技术上已经达到较高的水平,我国目前还处在试制阶段,不过也渐渐引起了业内人士的关注,液压胀形桥壳的主要优点是壁厚分布公道,无焊缝,刚度,强度高,重量轻,材料利用率高,节能降耗,加工工序少,加工效率高.这将是车桥今后发展的一种趋势,本文主要是通过ANSYS有限元软件对某型车桥结构进行的有限元计算与分析。
二、有限元计算与分析CAE技术,在产品生产的各阶段,周期内都有实在际效益,例如:在概念设计阶段CAE可以为设计职员来完成基础设计的验证,不同方案的比较,满足功能,性能方面的要求;在具体设计阶段CAE可以验证各种零部件是否满足性能,制造上是否可行等,不过我国目前CAE技术的开展,主要集中在产品开发和试验阶段.本文研究的车桥就是经试验检测后在进行的CAE研究.2.1有限元模型的建立我们根据设计者向我们提供的某后桥的数模，在对计算精度影响不大的条件下，为进步计算速度，对模型做适当的简化。
基于有限元方法的载货汽车驱动桥壳分析(毕业设计用)
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桥壳的位移变形符合 *汽车驱动桥台架实验评 价指标 +(1234’()/$+++ $ 要求的每米轮距最大变形 小于 $&’** " (! $ 应力分析 在汽车侧翻的临界状况时 ! 轮毂内轴承内侧位 置存在着最大应力 ! 其值为 ’%(,-.! 小于轮毂轴管
图 ! 冲击荷载作用下桥壳应力图 (-.$
!"# 桥壳承受最大铅垂力工况分析
对桥壳承受最大铅垂力 # 即冲击载荷 ! 按 !&’ 倍 满载轴荷 $ 工况下 ! 对该桥壳作变形和应力分析 % 图
( &图 ) 分别为冲击载荷作用下的桥壳应力和整体变
$&#!+** ) 桥壳纵向最大位移发生在汽车以最大牵
引力行驶时 ! 两端与中央沿纵向的最大相对位移为
材料的屈服强度 50’,6.) 在冲击载荷作用下 ! 最大 应力发生在桥壳钢板弹簧座附近 ! 其值为 7+),6. ! 小于桥壳材料的屈服强度 ()’,6." 桥壳的强度符合 要求 " 根据以上结论可知 ! 该桥壳的强度和变形均符 合要求 "
% 结束语
通过有限元模拟方法 ! 分析了汽车驱动桥壳在 不同工况下对应的应力和变形 ! 为汽车驱动桥的强 度评价及疲劳寿命估算提供了所需数据 ! 也为汽车 安全运行提供了必须的依据 " 同时 ! 有限元方法的利
’-F,F "对某整体式桥壳进行应力场和位移场分析 "
并验证其设计的合理性 ’
图 " 驱动桥壳静力简图
" 驱动桥壳受力分析及强度计算
桥壳可被简化为一空心横梁 " 两端经轮毂轴承 支承于车轮上 ’ 在静力状态下 % 钢板弹簧座处桥壳 承受汽车的簧上载荷 7 ) 而沿左右轮胎的中心线 " 由
农用车驱动桥壳的有限元分析与结构改进
重要 的 圆孔ｌ ＿ ２ ］ 。然后பைடு நூலகம்分别对 桥壳 本体 和半轴 套 管进 行
网格 划 分 ， 最终划 分 网格 单元 为 ９ ５ ０ ６ ５个 ， 节 点 为 ３ ０ ５ ２ ７ 个， 简化 后 桥 壳 的有 限元 模 型如 图 １所 示 。对
郭 冬 青 ，张翠 平 ，姚 晓博 ，肖帅 ，张鹏 超 ．农 用 车 驱 动桥 壳 的有 限 元 分 析 与 结 构 改进 ［ Ｊ ］ ．中 国农 机 化 学报 ，２ ０ １ ５ ， ３ ６ （ ５ ） ：１ ９ ８ ～２ ０ ２
Ｇｕ ｏ Ｄｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ，Ｚｈ ａ ｎ ｇ Ｃｕ ｉ ｐ ｉ ｎ ｇ，Ｙａ ｏ Ｘｉ ａ ｏｂ ｏ，Ｘｉ ａ ｏ Ｓ ｈｕ ａ ｉ ，Ｚｈ ａ ｎ ｇ Ｐｅ ｎ ｇｃ ｈ ａ ｏ ．Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ｏ ｆ ａ ｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ
第 ３ ６ 卷 第 ５ 期 ２ ０ １ ５年 ９月
中 国 农 机化 学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｖｏ １ ． ３ ６ Ｎｏ ． ５
Ｓｅ ｐ ． ２ ０ｌ ５
０ 引言
驱动桥壳 是底 盘最 重要 的承载 部件口 ］ ， 作为 主减 速
器及轮边减速器 的装配基体 ， 在使用过程 中承受不同程 度
和 不 同 工况 的交 变 载 荷 ， 因此 极 易 产 生微 观 裂 纹 并 进一 步 扩 展形 成 宏 观 裂 纹 。Ｓ Ｙ ５ ８ １ ５ — ２ Ｎ 型 某 品 牌 农 用 低 速 货 车
汽车驱动桥壳结构的有限元分析
万方数据・汽车驱动桥壳的结构有限元分析・建立桥壳的有限元模型时，先对驱动桥壳实体做必要的简化（如图１所示），在此基础上对桥壳性能进行分析。
图１桥壳三维几何模型２驱动桥壳有限元模型的建立２．１’导入驱动桥壳几何模型到ＭＳＣ．ＰＡＴＲＡＮ中导人ＭＳＣ．ＰＡＴＲＡＮ的桥壳几何模型如图２所示。
经过ＭＳＣ．ＰＡＴＲＡＮ统计，共导入１９６个曲面，从图中可以看出，有一些大的区域被分割成很多小的曲面。
图２导入的几何模型２．２驱动桥壳有限元网格的划分在一项工程分析中，经常要花费很多时间生成有限元网格。
为减少有限元网格的生成时间，ＭＳＣ．ＰＡＴＲＡＮ提供了多种网格生成器用来自动生成有限元网格。
经过网格划分，最后的有限元网格如图３所示，共有２７０２７个四边形单元、２７０５２个节点。
图３网格生成图该驱动桥壳的本体材料为８ｍｍ厚的０９ＳｉＶＬ钢板，从材料手册中查出其弹性模量Ｅ＝５ＭＰａ，泊松比斗＝０．３，材料密度为７８５０。
计算桥壳的垂直静弯曲刚度和静强度的方法是：将后桥两端固定，在弹簧座处施加载荷，将桥壳两端车轮中心线处全部约束，然后在弹簧座处施加规・６．定载荷。
２．３桥壳载荷的施加根据车桥实际承载情况，车桥所受载荷包括下列两类：（１）簧载质量。
该微型车在满载时的后悬簧载质量为９４０ｋｇ，车桥每一侧为４７０ｋｇ。
根据悬架与车桥的连接方式，本文取车桥每一侧的静载荷沿弹簧支座均匀分布，并施加在相应的节点上，作用形式为均匀分布的载荷密度。
（２）纵向推力杆的反作用力。
汽车驱动力通过车轮、车桥、纵向推力杆传到车身，推动车身前行，因此驱动桥壳体还受到纵向推力杆的反作用力的作用。
反作用力在桥壳上的作用形式也是均匀分布的。
３桥壳结构有限元分析在有限元模型中，驱动桥壳在２．５倍满载轴荷工况下，应力及应变云图分别如图４、图５所示，最大位移为０．４６９Ｅ－０３ｍ，最大应力为２１８５ＭＰａ，出现在半轴套管约束处。
在不考虑由于约束影响造成的局部过大应力的情况下，应力较大值分布在钢板弹簧座的两侧，约为２４０ＭＰａ，远小于材料的许用应力＝５１０ＭＰａ～６１０ＭＰａ。
汽车驱动桥壳静动态有限元分析 (1)
2011年第9期农业装备与车辆工程doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2011．09．012汽车驱动桥壳静动态有限元分析高伟，宋萌（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰442002）摘要：利用catia 软件建立了某货车驱动桥壳三维模型，运用有限元分析的方法，在ANSYS Workbench 软件中建立了驱动桥壳的有限元模型，分析了驱动桥壳在四种典型工况下的结构强度。
并对桥壳进行了模态分析，计算了在自由状态下的前12阶固有频率和振型。
分析结果表明，桥壳的强度满足设计的要求，具有较好的抗振性。
关键词：驱动桥壳；有限元分析；强度；模态中图分类号：U463.218＋．5文献标识码：A文章编号：1673-3142(2011)09-0042-05Finite Element Analysis on Static and Dynamic of Vehicle Drive Axle HousingGao Wei ，Song Meng（Department of Automobile Engineering ，Hubei Institute of Automotive Technology ，Shiyan 442002，China ）Abstrac t ：The three－dimensional model of truck drive axle housing was established by using catia software．The finite element model was built in ANSYS Workbench software by applying finite element analysis method．The structural strength of the drive axle housing in four typical operating conditions was analyzed．And the modal analysis of drive axle housing was carried on in ANSYS Workbench software．In the free state ，the first 12natural frequencies and mode shapes were calculated．The results indicate that the strength of drive axle housing satisfies the static design request and with good vibration resistance．Keywords ：drive axle housing ；finite element analysis ；strength ；modal作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，驱动桥壳是汽车的主要承载件和传力件，它的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命，合理地设计驱动桥壳，使其具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶平顺性和舒适性［1］。
汽车驱动桥壳的有限元分析和优化
汽车驱动桥壳的有限元分析和优化刘为;薛克敏;李萍;杜长春;唐子玉【摘要】建立了基于ANSYS的汽车驱动桥壳的参数化有限元模型,在最大垂向力工况下对桥壳进行静力分析,得到桥壳的应力和位移分布规律.对桥壳进行模态分析,得到桥壳1～5阶固有振动频率.通过疲劳寿命分析,获得桥壳各部分的疲劳寿命和安全系数.最后采用目标驱动优化方法对桥壳进行以轻量化为目标的优化.有限元分析和试验验证结果表明,优化后桥壳轻量化效果明显,应力与变形符合要求.%A parametric finite element model for vehicle drive axle housing is established with ANSYS. The distributions of stress and displacement are obtained by static analysis under the maximum vertical loading condition. 1st to 5 th natural frequencies are determined through modal analysis. The fatigue life and safety factor of the drive axle housing are also obtained via fatigue life analysis. Finally an optimization is conducted on axle housing aimed at lightweighting with goal-driven optimization scheme. The results of verification by both FEA and test show that the optimized axle housing has apparent lightweighting effects with its highest stress and maximum deformation meeting requirements.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2012(034)006【总页数】5页(P523-527)【关键词】驱动桥壳;静力分析;模态分析;疲劳寿命;优化【作者】刘为;薛克敏;李萍;杜长春;唐子玉【作者单位】合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009;合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009;合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009;合肥车桥有限责任公司,合肥230011;合肥车桥有限责任公司,合肥230011【正文语种】中文前言汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法，汽车轻量化实质上是零部件轻量化。
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汽车驱动桥桥壳的有限元分析
牟建宏
（西南大学工程技术学院，重庆北碚400715）
摘要：用任意三维软件建立了驱动桥壳的三维实体模型。
通过对驱动桥壳进行有限元分析（在此仅进行静力学分析）。
通过有限元进行应力计算，判断驱动桥壳每m轮距最大变形量和垂直弯曲后背系数是否符合要求。
为驱动桥壳的结构改进及优化设计提供了理论依据。
关键词：驱动桥壳；有限元分析；ANSYS
0引言
驱动桥壳是汽车上重要的承载件和传力件。
非断开式驱动桥壳支承汽车重量，并将载荷传给车轮。
作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力、垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上[1]。
因此，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。
合理地设计驱动桥壳，使其具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶的平顺性和舒适性。
而驱动桥壳形状复杂，应力计算比较困难，所以有限元法是理想的计算工具。
1有限元法的简介
1.1有限元法的定义
有限元法（finite element method）是一种高效能、常用的数值计算方法。
科学计算领域，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。
有限元法在早期是以变分原理
为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。
自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系[2]。
1.2有限元法的基本原理
将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。
从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题[3]。
1.3有限元分析的基本步骤
第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。
显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。
第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。
第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。
为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。
对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。
例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。
第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。
总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。
第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。
联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。
求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。
1.4有限元法分析的优点
驱动桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一个简支梁并校核几种
典型计算工况下某些特定断面的最大应力值，然后考虑一个安全系数来确定工作应力，这种设计方法有很多局限性[4]。
因此近年来，许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳进行了计算和分析。
2对驱动桥桥壳的有限元分析
桥壳材料为B510L1,弹性模量为2*105MPa，泊松比为0.3，
屈服强度为355MPa，断裂强度为610MPa.后桥单侧最大负荷30000N，轴距为1700mm，弹簧板座距为1232mm.
根据QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》，要求驱动桥壳满载1m轮距最大变形量不超过1.5mm，垂直弯曲后备系数大于6.
2.1启动ANSYS Workbench建立后桥分析项目
2.2导入几何模型
2.3添加材料信息
2.4进行网格划分
2.5施加载荷及约束
2.6设定求解结果
单击Solve进行求解2.7结果分析
变形结果如下
轮距1.7m,最大变形量为1.1174mm，所以每m变形量为
1.1174÷1.7=0.66mm,小于1.5mm,满足标准要求。
应力分析结果如下
材料的断裂强度为610MPa,后备系数Kn=610÷202=3.02<6,从强度上
分析结果不满足标准要求。
3结论
利用CAE软件进行仿真分析和计算，可以降低设计开发成本，减少试验次数，缩短设计开发周期，提高产品质量，使得汽车在轻量化、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非
常重要的实际意义。
参考文献：
[1]刘维信．汽车设计[M]．北京：清华大学出版社，200l
[2]杨波，罗金桥．基于ANSYS的汽车驱动桥壳的有限元分析[J]．CAD／CAM与制造业信息化，1999
[3]车辆结构有限元分析/王国军等编著.—北京：机械工业出版社，2013.10
[4]高卫明，王红雁。
汽车结构分析有限元法[J]，汽车研究与开发，2000（6）。