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        汽車驅(qū)動橋橋殼的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2012-03-05 14:05:48趙麗娟
        汽車零部件 2012年7期
        關(guān)鍵詞:橋殼牽引力側(cè)向

        趙麗娟

        (遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司,遼寧 丹東 118001)

        0 引言

        作為主減速器、差速器和半軸的裝配基體,驅(qū)動橋殼是汽車的主要零件之一,非斷開式驅(qū)動橋的橋殼起著支承汽車荷重的作用,并將載荷傳給車輪。作用在驅(qū)動車輪上的牽引力、制動力、橫向力,也是經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或者車廂上的。因此,驅(qū)動橋殼不僅是承載件還是傳力件,它的使用壽命直接關(guān)系到汽車的有效使用壽命。所以,合理地設(shè)計驅(qū)動橋殼,使其在動載荷下具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動態(tài)特性,減少橋殼的質(zhì)量,有利于降低動載荷,提高汽車行駛平順性和舒適性。

        根據(jù)汽車設(shè)計理論,為保證車橋工作的安全性和可靠性,驅(qū)動橋殼設(shè)計時應(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。因此對驅(qū)動橋殼進(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其進(jìn)行計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,對某重型貨車整體式橋殼進(jìn)行應(yīng)力場和位移場分析,并對其進(jìn)行合理優(yōu)化。

        1 驅(qū)動橋殼受力分析及強(qiáng)度計算

        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,而沿左右輪項目胎中心線,地面給輪胎以反力(雙胎時則沿雙胎之中心),橋殼承受此力與車輪重力之差[1]。

        對橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析時,將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化成3種典型的計算工況,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);車輪承受最大側(cè)向力(當(dāng)汽車滿載側(cè)滑)。只要在這4種載荷計算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證,就可認(rèn)為該橋殼在汽車各種行駛條件下是可靠的,計算如下:

        (1)橋殼承受最大垂向力工況

        此工況為汽車滿載并通過不平路面,受沖擊載荷的工況,這時不考慮側(cè)向力和切向力。此時的橋殼猶如一個簡支梁,橋殼通過半軸套管軸承支承于輪轂上,半軸套管的支撐點位于車輪的中心線上,取2.5倍滿載軸荷,載荷施加在2個鋼板彈簧座上,最大垂向力為:

        式中:G為后驅(qū)動橋殼滿載軸荷。

        (2)橋殼承受最大制動力工況

        此工況為汽車滿載緊急制動時的工況,不考慮側(cè)向力。汽車緊急制動時,左右驅(qū)動車輪除作用有垂直反力外,還作用有地面對驅(qū)動車輪的制動力,最大制動力大小為:

        式中:G為汽車滿載靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷;

        m′為汽車制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù),對載貨汽車后驅(qū)動橋一般取0.75~0.95;

        φ為驅(qū)動車輪與路面的附著系數(shù),計算時取0.75~0.8。

        (3)橋殼承受最大側(cè)向力工況

        當(dāng)汽車滿載、高速急轉(zhuǎn)彎時,會產(chǎn)生一個作用于質(zhì)心處的很大的離心力,即側(cè)向力。當(dāng)它達(dá)到地面給輪胎的側(cè)向反作用力的最大值即側(cè)向附著力時,汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài),側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力,汽車就側(cè)滑。考慮此臨界狀態(tài),此時驅(qū)動橋的全部載荷由側(cè)滑方向一側(cè)的驅(qū)動車輪承擔(dān),驅(qū)動橋承受的側(cè)向力為:

        式中:P為驅(qū)動橋承受的側(cè)向力,N;

        G為汽車滿載靜止據(jù)橋殼模型和劃分的網(wǎng)格的特點,對載荷的加載方式是按照集中力于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷,N;

        φ1為輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù),取1.0。

        (4)橋殼承受最大牽引力工況

        此工況為汽車滿載以最大牽引力作直線行駛時的工況,不考慮側(cè)向力。此時左右驅(qū)動輪除作用有垂向反力外,還作用有地面對驅(qū)動車輪的最大切向反作用力(即牽引力),最大牽引力大小為:

        式中:Temax為發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩,N·m;

        igI為變速器,擋傳動比;

        i0為驅(qū)動橋的主減速比;

        ηT為傳動系的傳動效率;

        rr為驅(qū)動車輪的滾動半徑,m。

        2 有限元模型的建立

        常規(guī)有限元分析時,通常要將研究對象理想化,在對橋殼進(jìn)行有限元分析時:(1)認(rèn)為半軸套管和橋殼本體是一體,即不考慮焊接處材料特性的變化;(2)橋殼的材料為均質(zhì)線彈性材料。

        在建立有限元模型時,對驅(qū)動橋橋殼實體進(jìn)行簡化。略去擋油盤座環(huán)、后制動底板固定法蘭、襯環(huán)、油管支架、通氣孔、擋油罩、注油螺塞、放油螺塞,以及各處螺紋孔和一些較小的倒角等??紤]到橋殼存在不規(guī)則曲面,先利用三維實體建模軟件Pro/E進(jìn)行實體建模,然后利用有限元分析軟件ANSYS中數(shù)據(jù)輸入接口讀入實體模型。每個節(jié)點有6個自由度:x、y、z方向的平動和繞x、y、z方向的轉(zhuǎn)動。對整個橋殼結(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,得出如圖1橋殼網(wǎng)格模型,整個模型共生成9934個節(jié)點和29529個單元。

        3 橋殼有限元模型分析

        設(shè)計載貨汽車滿載軸荷為10 t,橋殼主體材料采用16Mn鋼,材料的屈服極限強(qiáng)度為345 MPa;外端焊接的輪轂軸管材料為45#鋼,材料的屈服極限強(qiáng)度為355 MPa。兩種材料具有相同的泊松比,其值為:泊松比π=0.3。16Mn的彈性模量E=2.1 ×105MPa,45#鋼的彈性模量 E=2.06 ×105MPa[2-3]。

        各工況下橋殼的靜力分析如下。

        3.1 最大垂向力工況

        汽車后橋滿載軸荷10 t(10000 kg),按照2.5倍動載荷加載到橋殼上,橋殼只承受最大垂向力,橋殼的等效應(yīng)力和總體變形如圖2和3所示。

        從圖2可以看出,橋殼最大變形量發(fā)生在中間部分,其值為0.000627 mm,每米輪距變形量為0.000627/1.822=0.00034 mm,如《汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價指標(biāo)》規(guī)定滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5 mm/m,可見該型橋殼的每米輪距變形量符合國家標(biāo)準(zhǔn),故其垂直彎曲剛度滿足要求。因為此模型為左右對稱式橋殼,故左右兩邊的應(yīng)力分布和變形均一樣,因此橋殼中間位置處計算結(jié)果偏大。

        3.2 最大制動力工況

        此工況按驅(qū)動車輪與地面的附著系數(shù)為0.8計算,制動時制動器能使車輪在地面上滑動。橋殼主要承受垂向力和最大制動力,橋殼的應(yīng)力分布和變形如圖4和5所示。

        最大制動力工況下,橋殼在兩鋼板彈簧座的外側(cè)部分還承受制動力所引起的制動轉(zhuǎn)矩,其最大應(yīng)力發(fā)生在橋殼開口部分的內(nèi)側(cè)處,如圖5、6所示,最大應(yīng)力值為60 MPa,小于許用強(qiáng)度。最大變形量出現(xiàn)在左端輪轂軸管的端部,最大等效位移值為0.003 mm,則每米輪距變形量為0.0016 mm/m,符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

        3.3 最大側(cè)向力工況

        此種工況下,汽車所承受的側(cè)向力達(dá)到地面給輪胎的側(cè)向反作用力的最大值即側(cè)向附著力,汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)。此時,驅(qū)動橋的全部荷重由側(cè)滑方向一側(cè)的車輪承擔(dān),橋殼這種極端情況對驅(qū)動橋的強(qiáng)度極其不利,應(yīng)避免發(fā)生。此時,橋殼主要承受垂向力和最大側(cè)向力,橋殼的應(yīng)力分布和變形如圖6和7所示。

        由ANSYS分析計算可知,最大側(cè)向力工況下的最大應(yīng)力發(fā)生在位于側(cè)滑方向一側(cè)的輪轂軸管的臺階面上,其最大值為72.58 MPa,小于許用應(yīng)力,如圖7所示,該圖一定程度上反映了內(nèi)側(cè)軸承圓角處的應(yīng)力集中。這種工況下的應(yīng)力,主要由側(cè)滑時外側(cè)軸承處的垂向力引起的。此模型沒有考慮內(nèi)側(cè)軸承處的圓角,實際上在圓角處會產(chǎn)生應(yīng)力集中,圓角處的應(yīng)力將比72.58 MPa大。最大變形量出現(xiàn)在位于側(cè)滑方向一側(cè)的輪轂軸管的端部,其值為0.725830 mm,則每米輪距變形量為0.3988 mm/m,符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

        3.4 最大牽引力工況

        此工況下,汽車滿載,發(fā)動機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩工作,也為最大啟動工況。橋殼主要承受垂向力和最大牽引力。橋殼的應(yīng)力分布和變形如圖8和9所示。

        最大牽引力工況下,各危險點處的應(yīng)力如圖8所示。其中,最大等效應(yīng)力點發(fā)生在左半部分的輪轂軸管上,最大應(yīng)力值為85.46 MPa,如圖9所示。最大變形量出現(xiàn)在左端輪轂軸管的軸端,其最大變形量為0.00198 mm,則每米輪距變形量為0.0011 mm/m,符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

        4 驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        方案1:根據(jù)設(shè)計要求,將驅(qū)動橋橋殼的厚度減少1 mm。再次用Pro/E進(jìn)行建模,將建立好的模型導(dǎo)入到ANSYS中去,定義材料屬性參數(shù),進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,施加位移約束、載荷約束,建立參數(shù)化的驅(qū)動橋殼有限元模型,然后進(jìn)行計算,完后進(jìn)入后處理模塊。得出最大牽引力工況下應(yīng)力圖和變形圖。

        最大牽引力工況下,各危險點處的應(yīng)力如圖10所示。其中,最大等效應(yīng)力點發(fā)生在右半部分的輪轂軸管的臺階面上,最大應(yīng)力值為327.137 MPa,如圖11所示。最大變形量出現(xiàn)在橋殼中間偏右處,其最大變形量為0.112 mm,則每米輪距變形量為0.061 mm/m,符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

        因此將驅(qū)動橋殼去掉1 mm的厚度是可行的,這樣做可以減輕驅(qū)動橋橋殼的重量,去除了大約3.5 kg的質(zhì)量。

        方案2:采用鋁合金ZL104,材料參數(shù)為:彈性模量E=69 GPa,泊松比π=0.34,材料抗拉強(qiáng)度σb=145 MPa,抗壓強(qiáng)度σc>430 MPa。再次用Pro/E進(jìn)行建模,將建立好的模型導(dǎo)入到ANSYS中去,定義分析單元類型和材料屬性參數(shù)和厚度參數(shù),進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,施加位移約束、載荷約束,建立參數(shù)化的驅(qū)動橋殼有限元模型,然后進(jìn)行計算,完后進(jìn)入后處理模塊。得出最大牽引力工況下應(yīng)力圖和變形圖。

        最大牽引力工況下,各危險點處的應(yīng)力如圖12所示。其中,其最大應(yīng)力發(fā)生在橋殼的中間部分,最大應(yīng)力值為398.4 MPa,如圖13所示。所以其危險點最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力。滿足條件。

        由于方案2使用的鋁合金材料較之16Mn貴,在實際生產(chǎn)中會增大企業(yè)的生產(chǎn)成本,不利于降低生產(chǎn)成本的要求。因此,選擇方案1。

        5 結(jié)論

        對汽車驅(qū)動橋橋殼的仿真研究表明,通過利用CAD軟件Pro/E建立3D參數(shù)化模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化建立汽車零部件的有限元計算模型,在CAE軟件ANSYS中進(jìn)行仿真計算和分析,可降低設(shè)計開發(fā)成本,減少試驗次數(shù),縮短設(shè)計開發(fā)周期,從而節(jié)省設(shè)計成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量,使得汽車在輕量化、抗振性、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進(jìn)和提高,具有非常重要的指導(dǎo)作用和實際意義。

        【1】陳家瑞.汽車構(gòu)造(下)[M].3版.北京:人民交通出版社,2005.

        【2】陳效華,劉心文.基于有限元方法的微型汽車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)分析[J].中國制造業(yè)信息化,2003(32):65 -67.

        【3】鄭燕萍.汽車驅(qū)動橋殼的有限元動態(tài)分析.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2004,32(11):22 -25.

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