推荐中型商用车后桥壳设计及力学分析本科说明书1精品.docx
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中型商用车后桥壳设计及力学分析
摘要
由于驱动桥壳是汽车的重要部件，所以驱动桥壳的使用寿命会直接影响汽车的有效使用寿命，故应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性。
本首先利用Unigraphics软件对驱动桥壳进行合理地三维建模，然后将其以Parasolid的格式导入ANSYS软件并以静、动态分析理论为基础做有限元分析，得出桥壳在三种典型工况下的应力分布和变形结果以及在自由状态下的14阶固有频率和振型。
通过对驱动桥壳的力分析，找到了驱动桥壳最大应力和最容易引起断裂的部位。
最后，利用研究成果对驱动桥壳的结构和材料要求提出改进措施，并解决驱动桥壳断裂问题。
结果表明，该桥壳具有足够的静强度和刚度；最小非零固有频率大于50Hz，不会引起桥壳共振。
关键词：
驱动桥壳；Unigraphics；ANSYS；有限元分析
ABSTRACT
Beingtheautomobile'simportantpart,automobile'seffectiveservicelifeisdirectlyinfluencedbythedrivingaxlehousing.Soitshouldhaveenoughintensity,rigidityanddynamiccharacteristic.
Firstly,theUnigraphicssoftwareisusedtocreateareasonablethree-dimensionalmodelofthedrivingaxlehousing.Then,themodelisimportedtoANSYSsoftwareinParasolidformat.Andthenfiniteelementanalysiscanbedoneonthebasisoftheoryanalysisofstaticanddynamicstate.Inthisway,thestressdistributionanddeformationinthreetypicalworkaxlehousingcasescanbedrawnfromtheanalysis.Meanwhile,14naturalfrequenciesandmodeshapescanalsobedrawn.
Throughanalyzingthestrengthofthedrivingaxlehousing,thebiggeststressspotofthedrivingaxlehousingcanbefound.Finally,usingtheresultsoftheresearch,effectivemethodsareusedtoimprovethestructureofthedrivingaxlehousing,andtherequirementsofmaterials,andtosolvethefractureproblems.
Theresultsshowthatthedrivingaxlehousinghasenoughstaticstrengthandstiffness;theminimalnonzeroinherentfrequencyisgreaterthan50Hzwhichwon’tcausebridgeshellresonance.
Keywords：
Driveaxlehousing；Unigraphics；ANSYS；Thefiniteelementanalysis
附录：
光盘（1张）
第一章绪论
1.1引言
汽车作为国民经济和现代生活中不可缺少的一种交通工具，问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业大发展以来，已为世界经济的大发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大影响，掀起了一场划时代的革命。
人类社会及人们生活的“汽车化”，大大地扩大了人们日常活动的范围，加速了地区间、国际间的交往，成倍地提高了人们外出办事的效率，加快了人们的活动节奏，促进了世界经济的大发展，开创了现代“汽车社会”这样一个崭新的时代。
汽车工业[1]是一个国家工业化水平的代表性产业，也是最典型的成熟性产业，它的兴衰成败决定和影响着一大批相关工业产业。
汽车工业的振兴能带动相关产业的发展，相关产业的发展又支撑着汽车工业的振兴。
正是基于汽车工业的产业关联度大、时代性强，特别是快速的技术创新步伐和高投入、高产出的规模经济之特点，汽车工业已成为世界公认的推动国民经济发展的火车头。
对于我们这样一个发展中的国家来说，汽车已成为国民经济以及各项事业和人民生活、学习、工作、生产等活动中不可缺少的交通工具。
我国也将汽车工业确定为国民经济发展的支柱产业。
面对汽车产业的大发展，人类在使用汽车工具的同时也面临着随之而来的问题。
目前，汽车每年的石油消耗量约占世界每年石油产量的一半以上。
另外，汽车行驶中释放的COx、NO、S02、铅微粒和碳微粒等有害物质对人们的身体健康和生活环境造成了极大危害。
随着汽车保有量的增加，能源问题、公害问题、安全问题己成为汽车工业面临的三大问题，其中能源问题最为突出。
因此如何采用新技术、新材料、新工艺降低汽车耗油量，同时保证其良好的动力性、安全性和经济性己成为汽车工业发展的核心问题车辆轻量化是降低能量消耗，减少排放的最有效措施之一，并且减轻车辆自重还能够减少原材料的消耗，降低车辆的生产成本。
其中底盘轻量化是整个车辆轻量化的重要环节，而作为主要支承汽车荷重的驱动桥桥壳的轻量化研究是现在人们大量研究的课题之一。
轻量化有两种途径，一是应用轻金属、现代复合材料等低密度材料，达到减重目标；二是仍然使用钢材，但对结构型式进行优化，在保证承载能力和舒适性的前提下减轻质量。
其中第一种途径减重效果尤其明显，但存在研发成本高，时间长，工艺不成熟等问题，目前还不适合在主要承载结构上使用。
后一种途径能够在应用现有材料（主要是钢材）、工艺条件基本不变或新工艺技术易于获得的情况下有效减轻质量，因此更具有实际意义。
一般非断开式驱动桥、轮毂、制动器及制动鼓的总质量，约占一般载货汽车底盘质量的1l％～16％（大致属于带双级减速的驱动桥），约占轿车质量的3.5％～5％，对于重型货车，所占比例更大。
而普通的非断开式驱动桥的质量在很大程度上取决于桥壳的结构，因此，减少驱动桥桥壳的质量是车辆轻量化的重要一条途径。
同时，通过减小桥壳质量，进而也减小了非簧载质量，这样可使车身振动频率降低，而车轮振动频率升高，这对减少共振、改善汽车的平顺性是有利的。
驱动桥是汽车中的重要部件，它承受着来自路面和悬架之间的一切力和力矩，是汽车中工作条件最恶劣的总成之一，如果设计不当，会造成严重的后果。
当今汽车制造业面临的主要挑战是买方市场的形成和产品更新换代的速度日益加快。
汽车产品开发的一个重要手段就是变型设计，即以现有产品为基础，保持其基本结构和功能不变，对其局部结构、尺寸或配置进行一定范围内的变动和调整，以此快速形成适应市场需求的新产品。
为保证驱动桥桥壳变型设计的可行性和工作的可靠性，在设计过程中必须对其应力分布、变形和关键部位的应力进行计算和校核[1]。
1.2研究背景
过去我国主要采用对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度和刚度，有时采用桥壳上贴应变片的电测方法，让汽车在选定的典型路段上满载行驶，以测定桥壳的应力；但这些方法都是在有桥壳样品的情况下才能采用。
传统的驱动桥桥壳设计方法，是将其看成简支梁并校核特定断面的最大应力值。
但这种方法不可避免的经验性、局限性和盲目性已经暴露出来。
有限元法的使用在我国制造业中起步较晚，目前普及还不是很广，在汽车的设计、制造和改进过程中仍主要依靠传统的手段。
这一方面造成局部材料强度余量较大而又无法及早判断出材料浪费程度的情况；另一方面对车辆实际使用过程中出现的局部强度不足的闯题，只能采取“头痛医头，脚痛医脚”的局部加强方案，而且需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性。
过去，国内驱动桥桥壳设计主要采用的手段是参考传统样车或者旧车型的样品模式，这种方法不仅费用大、试制周期长、经验多于实践、缺乏科学性，而且也不可能对多种方案进行评价。
驱动桥桥壳是一个十分复杂的结构，用经典力学方法不可能得到精确的解答，特别是在设计初期，又不可能有实测数据。
因此，以往的设计基本上是依赖于经验和类比，缺乏建立在力学特性（强度、刚度等）分析基础上的科学判据，设计方法有待提高。
有限元设计方法是迄今为止国内、外使用最为普遍、最为经济有效的辅助手段，它所包括的有限元辅助设计、有限元辅助分析等一系列内容，可极大地减少资源投入、缩短工作周期，而且在工作者认真细致的工作作风下，可保证较高的准确性和与实际情况十分理想的吻合程度。
因而在汽车设计制造和改进过程中引入有限元法是十分必要的[6]。
1.3国内外研究现状
有限元法是一种现代化的结构计算方法。
在国外，20世纪70年代前后，这种方法就逐渐为汽车零件的强度分析所采用，对汽车驱动桥壳的强度分析也不例外。
例如，日本有的公司对桥壳的设计要求是在2.0倍满载荷的作用下，各断面（弹簧座处、桥壳与半轴套管焊接处、轮毂内轴承根部圆角处）的应力不应超过其材料的屈服极限。
国内也出现很多利用有限元软件对驱动桥桥壳建模并进行强度和刚度计算的例子。
借助以计算机技术为核心的现代设计方法使驱动桥壳设计更丰富深入合理。
通常在提高桥壳强度的方案选择上，大体上有三种观点：
1.使用高强度合金材料。
2.通过合理的热处理，提高桥壳抵抗破坏的能力。
3.加大桥壳尺寸，提高桥壳的抗弯截面模量。
许多专家对此问题做过深入研究，提出了宝贵的方案，但最终都倾向于从结构上解决问题。
近些年来，许多人员利用有限元法对驱动桥壳结构进行静力计算和动态分析。
1.4课题研究的意义和目的
汽车驱动桥壳（汽车后桥）是汽车上的主要承载构件之一,其作用要有:
支撑并保护主减速器、差速器和半轴等,使左右驱动车轮的轴向相对位置固定;同从动桥一起支撑车架及其上的各总成质量;汽车行驶时,承受由车轮传来的路面反作用力和力矩并经悬架传给车架等。
驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小,并便于主减速器的拆装和调整。
合理地设计桥壳也是提高汽车平顺性和舒适性的重要措施。
由于还必须保证车辆在加速、紧急制动和各种不同路面条件下的正常工作，所以桥壳是车辆上工作环境最恶劣的部件。
根据经验，它们的损坏大部分都是由于外界激励的频率达到车桥固有频率产生的共振引起的较大动应力而造成的。
因此，关于桥壳强度的研究就成了车辆零部件破坏研究的重中之重。
汽车的行驶状态是复杂的，车桥要经受各种复杂工况所产生的动态载荷，这些动态载荷产生的动应力往往比静态应力大出很多倍，它们才是导致桥壳破坏的危险因素。
研究驱动桥壳静态和动态特性；有利于合理地减轻桥壳的质量、降低动载荷，提高汽车行驶的平顺性，具有重要的现实意义[3]。
随着科学技术的发展，汽车的设计和开发也日益向智能化、环保化（低排放、轻污染）、安全化以及结构设计轻量化的方向发展。
产品的类型和结构也越来越复杂，对汽车产品的可靠性和安全性的要求也越来越高。
本课题研究的目标是通过对某中型货车的驱动桥桥壳结构进行强度分析、模态分析，校核桥壳结构在多种工况下的应力强度和变形刚度，计算出桥壳的固有频率和振型，获取结构的动态特性；针对桥壳强度不足导致易发生塑性变形，强度储备较低，应力分布不合理等问题进行研究，为完善驱动桥壳设计提供一些数据参考。
本课题的意义在于能够为企业在降低产品的生产成本，提高产品的设计水平，从而提高企业核心竞争力方面提供思路和方法，具有较大的实际意义和经济价值。
安全工作的也是一个重要方面。
在用户使用前，我们运用有限元法对已设计制造的驱动桥壳进行有限元分析，将大大提高驱动桥壳开发、设计、分析和制造[4]。
1.5课题的来源和主要研究内容
综上所述，驱动桥壳的设计分析水平对整车性能具有很大的影响，应用有限元法进行强度、刚度及模态等分析更是当今分析方法的必然选择。
本文对某中型商用车后桥桥壳结构进行有限元建模和数值分析，希望所得的分析数据对驱动桥桥壳的研发设计有一定的借鉴和指导作用。
本文研究的对象是非断开式驱动桥桥壳（也称整体式桥壳）。
普通非断开式驱动桥，结构简单、造价低廉、工作可靠。
文中利用UG软件建立力学分析模型，利用基于ANSYS软件的有限元方法对桥壳进行了静力计算（垂直弯曲强度和刚度计算）和模态分析（计算桥壳的固有频率及振型）。
本课题开展以下几个方面的研究工作：
（1）学习和掌握UG软件并建立驱动桥壳的几何模型，熟悉和使用ANSYS操作界面，以驱动桥桥壳结构为研究对象，并进行网格划分、定义材料属性和系统约束，为建立桥壳的有限元模型奠定基础。
（2）通过对桥壳的几何模型的网格划分，更深入理解模型假设和简化的方法。
（3）通过桥壳的有限元分析过程的实现，总结ANSYS软件进行有限元静力分析和模态分析的一般步骤和规范，并建立相应的有限元分析工况。
（4）对桥壳进行静态分析（四种典型工况的分析：
最大铅垂力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况）和模态分析（计算桥壳的振动模态和固有频率），分析所得的结果，通过对比验证建立的有限元模型的合理性[2,3]。
1.6汽车驱动桥桥壳概述
驱动桥壳是汽车驱动桥的主要零件之一，作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，它是汽车的主要承载件和传力件，支撑着汽车的荷重，并将载荷传给车轮。
在实际行使中，作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、横向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上的。
同时，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。
因此，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。
1.6.1汽车驱动桥桥壳的分类特点
驱动桥壳可分为整体式和分段式两类。
整体式桥壳是桥壳与主减速器壳分开制造，二者用螺栓连接在一起。
它的结构优点是在检查主减速器和差速器的技术状况或拆装时，不用把整个驱动桥从车上拆下来，因而维修比较方便，普遍用于各类汽车，如下图1.1所示。
图1.整体式后桥壳
分段式桥壳是桥壳与主减速器壳铸成一体，且一般分为两段由螺栓连成一体。
这种桥壳易于铸造，但维护主减速器和差速器时必须把整个桥拆下来，否则无法拆检主减速器和差速器[1]。
1.6.2驱动桥桥壳的作用
驱动桥桥壳是汽车上重要的承载件和传力件，作为具有广泛应用市场的非断开式驱动桥的桥壳不仅支承汽车重量，将载荷传递给车轮，而且还承受由驱动车轮传递过来的牵引力、制动力、侧向力、垂向力的反力以及反力矩，并经悬架传给车架或车身。
并且在汽车行驶过程中，由于道路条件的千变万化，桥壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷的影响，可能引起桥壳变形或折断。
因此，驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，合理地设计驱动桥壳是提高汽车平顺性的重要措施。
1.6.3驱动桥机械传动要求
驱动桥是汽车传动系统中主要总成之一。
驱动桥的设计是否合理直接关系到汽车使用性能的好坏。
因此，设计应当满足如下基本要求：
（1）选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。
（2）外形尺寸要小，保证有必要的离地间隙。
（3）齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。
（4）在各种转速和载荷下具有高的传动效率。
（5）在保证足够的强度、刚度条件下，质量应尽量小，以改善汽车平顺性。
（6）与悬架导向机构运动协调，对于转向驱动桥，还应与转向机构运动相协调。
（7）结构简单，加工工艺性好，制造容易，拆装、调整方便。
（8）设计中应尽量满足“三化”。
即产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化。
1.6.4结构强度分析要求
汽车后桥的结构强度是保证汽车安全性、可靠性的重要指标，汽车后桥结构强度分析也是CAE在汽车工程中应用的一个重要方面。
一般都是应用有限元法对后桥的结构进行数值计算，分析的内容主要包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。
（1）通过静力分析可以得到结构的应力、位移分布情况。
通过这些分布情况可以判断结构在工作载荷作用下是否安全、可靠，结构的哪些部位会产生应力集中，哪些部位强度不够，以便对结构进行改进设计。
（2）通过特征值分析可以求得结构的固有频率以及相应的振型。
根据固有频率和固有振型，可以帮助设计人员分析、查找引起结构振动的原因，并通过改进结构，避免发生共振。
（3）通过瞬态动力分析可以计算汽车结构在动载荷作用下的应力、位移等物理量的响应情况。
例如汽车在以一定速度通过颠簸不平的道路时的应力、位移；汽车在受到冲击载荷作用时的应力、位移以及这些量随时间和载荷变化的情况。
1.6.5汽车后桥设计的关键技术
后桥设计时应注意以下三方面：
（1）满足汽车行驶的平顺性和通过性
由于在汽车行驶过程中，驱动桥的受力情况复杂。
非断开式驱动桥的桥壳相当于受力复杂的空心梁，它必须有足够的强度和刚度，同时还应尽量减小其重量，在设计中应妥善地解决这两种之间的矛盾。
对于断开式驱动桥来说，由于其主减速器壳装在车架或车厢上，这样，主减速器、差速器、全部传动轴的部分质量都转化为悬挂质量，大大地减少了汽车的非悬挂质量，加之又配以独立悬架，因此显著地提高了汽车行驶平顺性。
但断开式驱动桥的结构复杂。
对于很多汽车来说，常常会遇到坎坷不平的坏路面，特别是越野汽车有时还要通过无路区，为了避免驱动桥与地面或其上的凸起物相碰撞而使零件损坏或使汽车受阻，因此，驱动桥中部安装减速器处的轮廓尺寸不应太大，使之有足够的离地间隙，以满足汽车在通过性方面的要求。
（2）降噪技术的应用
随着发动机转速及汽车行驶速度的提高，降低汽车的噪音已成为汽车设计中的一个重要课题。
驱动桥的噪音主要来自齿轮及其它传动机件。
提高齿轮及其它传动零件的加工精度，增强齿轮的支承刚度，采用运转平稳、无噪音的双曲面齿轮做主减速器齿轮，增强桥壳及主减速器壳的刚度以避免其受载变形后破坏齿轮的正确啮合等等，都是降低驱动桥工作噪音的有效措施。
（3）零件的标准化、部件的通用化、产品的系列化
随着汽车工业的发展及汽车技术的提高，驱动桥的设计、制造工艺都日益完善。
驱动桥也和其他汽车总成一样，除了广泛采用新技术外，在结构设计中日益朝着“零件标准化、部件通用化、产品系列化”的方向发展及生产组织的专业化目标前进。
应采用能以几种典型的零部件、以不同方案组合的设计方法和生产方式达到驱动桥产品的系列化或变型的目的，或力求做到将某一基型的驱动桥以更换或增减不多的零件，用到不同性能、不同吨位、不同用途并由单桥驱动到多驱动桥的变型汽车上。
第二章有限元法理论及其在汽车设计中的应用
2.1有限元法的概述
2.1.1有限元法的发展历史
由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法（FEM，FiniteElementMethod）。
有限元法是随着电子计算机的应用而发展起来的一种数值计算方法。
它诞生于20世纪中叶，是根据变分原理求解数学物理问题的一种方法。
有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，其基本思想——离散化概念早在40年代就已经提出来了。
50年代英国航空教授阿吉里斯（Argyris）和他的同事运用网格思想成功地进行了结构分析。
Courant等人的5组探讨了早期有限元法的理论，促成了有限元法的诞生。
在以后10年中有限单元法在国际上蓬勃发展起来。
60年代中、后期国外数学家开始介入对有限单元法的研究，促使有限单元法有了坚实的数学基础。
1965年，辛柯威茨（O．C．Zienkiewicz）和同事Y．K．Cheung宣布，有限单元法适用于所有能按偏分形式进行计算的场问题，这使有限单元法获得了一个更为广泛的解释，有限单元法的应用也推广到更广阔的领域。
随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法已成为计算力学和计算工程领域里最有效的计算方法，它几乎适用于求解所有连续介质和场的问题。
在应用领域，有限元法理论己经从结构理论逐步改进和推广到连续力学的场问题中，比如在热、流体、场等领域中。
事实也证明，有限元方法从出现至今50多年间，其发展历程经历了从线弹性到弹塑性到弹粘塑性，从解决小变形问题到大变形问题，从静力问题到复杂的动力接触问题、稳定问题和波动问题。
尤其在计算机和计算技术飞速发展并广泛应用的今天，这已经成为较为现实而又非常有效的选择[8,13]。
2.1.2有限元方法的分析过程
有限单元法是将连续的区域离散为一组有限个且按一定方式互相联系在一起的单元的组合体。
由于单元能按不同的方式进行组合，且单元本身又有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。
有限单元法的基本原理以结构力学中的位移法为基础，把复杂的结构或连续体看成有限个单元的组合，各单元彼此在节点处联结而组成整体。
这里把连续体分成有限个单元的过程，称之为离散化。
先对单元特性进行分析，然后根据各单元在节点处的平衡和协调条件建立方程，综合后作整体分析。
这样先离散再综合的过程，就把连续体的计算问题转化为简单单元的分析与综合问题。
有限元法求解一个具体问题时，分析过程如图2.1所示：
图2.1有限元分析过程图
2.1.3有限元分析软件ANSYS的简介
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
ANSYS软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。
分析计算模块包括以下几个方面：
1.结构静力分析
用来求解外载荷引起的位移、应力和力。
静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。
ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析
2.结构动力学分析
结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。
与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。
ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：
瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
3.结构非线性分析
结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。
ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。
4.动力学分析
ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。
当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。
5.热分析
程序可处理热传递的三种基本类型：
传导、对流和辐射。
热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。
热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。
6.电磁场分析
主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。
还可用于螺线管、调节器、发电
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