某品牌汽車驅動橋橋殼和半軸仿真設計

王 慈

（廈門華夏學院，福建 廈門 361005）

某品牌汽車驅動橋橋殼和半軸仿真設計

王 慈

（廈門華夏學院，福建 廈門 361005）

仿真設計技術在當今機械設計領域應用十分廣泛.本文主要針對某品牌汽車驅動橋的橋殼和半軸進行研究，在設計所得參數的基礎上，利用Inventor進行三維建模，并且利用Ansys軟件對其進行有限元分析，從而完成整體的設計任務.

機械仿真設計；Ansys校核；Inventor建模；驅動橋

1 仿真設計理論概述

隨著仿真設計技術的普及，inventor、ansys等軟件在包括機械設計的各個領域都得到了廣泛應用.設計人員可以在設計所得的參數和要求下，運用三維繪圖和仿真軟件對研究對象進行建模及裝配，并在此基礎上對重要的安全件利用相應的有限元軟件進行分析等.

本文的設計研究對象為某品牌汽車的驅動橋橋殼和半軸.

2 驅動橋橋殼和半軸參數設計

2.1 半軸的設計

2.1.1 半軸的形式選擇

全浮式半軸的外端與輪轂相聯，輪轂由一對圓錐滾子軸承支承于橋殼的半軸套管上.因其工作可靠、穩定性好且使用壽命長，廣泛用于商用車上.本次設計選用全浮式半軸.

2.1.2 半軸的幾何尺寸計算

全浮式半軸桿部直徑的初步選取按下式進行：

式中：

d——半軸桿部直徑，mm；

T——半軸的計算轉矩，N·mm；

K——直徑系數，取0.205～0.218；

全浮式半軸計算載荷按車輪附著力矩計算：

取d=60mm.

半軸的扭轉應力由下式計算：

式中：

τ——半軸的扭轉應力，MPa；

T——半軸的計算轉矩，N·mm；

d——半軸桿部直徑，mm.

半軸扭轉許用應力宜為[τ]＝500～700MPa，故設計滿足要求.

2.1.3 半軸花鍵的設計計算

半軸的直徑D=60mm，取半軸花鍵的小徑為52mm，采用矩形花鍵聯接.取 N（花鍵齒數）=8，d（小徑）=52mm，D（大徑）=60mm，B（齒寬）=10mm，l（齒的工作長度）=80mm.本次設計花鍵連接采用靜連接，其校核計算公式如下：

式中：

φ—載荷不均勻系數，取φ=0.75；

z—花鍵齒數，即為N=8；

l—齒的工作長度，mm；

h—花鍵齒側面工作高度，mm；

dm—花鍵平均直徑

花鍵副的工作長度l=80mm，取載荷不均勻系數φ=0.75，工作高度h=5，平均直徑dm=56mm，查表，許用擠壓應力[σp]=200MPa，輸入轉矩T=9081N·m，代入可得：

故所選參數符合要求.

2.2 驅動橋橋殼設計

驅動橋橋殼的可靠性和安全性需要比一般汽車部件要高，在設計時不僅要滿足靜態載荷下的安全性能，還要留足安全系數以保證在動態載荷下橋殼有足夠的強度和剛度.

2.2.1 橋殼的結構型式選擇

本次設計選用鑄造式橋殼型式.

2.2.2 橋殼的受力分析及強度計算

A、當牽引力或制動力最大時（工況一）：

橋殼鋼板彈簧座處危險端面的彎曲應力σ和扭轉應力τ為：

圖1 后橋受力分析圖

式中：

Mv——地面對車輪垂直反力在橋殼板簧座處危險端面引起的垂直平面內的彎矩

b——橋殼板簧座到輪胎中心平面的橫向距離；

Mh——牽引力或制動力Fx2（一側車輪上的）在水平平面內引起的彎矩，Mh=Fx2·b；

TT——制動時，上述危險斷面所受的轉矩，TT=Fx2·rr；

Wv、Wh——分別為橋殼危險斷面垂直平面和水平面彎曲的抗彎截面系數；

WT——危險斷面的抗扭截面系數.

此設計中，Wv=268416mm3，Wh=268416mm3，

所以：

橋殼許用彎曲應力為450N/mm2，許用扭轉應力為400N/mm2.故工況一時，所設計的橋殼能滿足強度要求.

B、當側向力最大時（工況二）：

橋殼板簧座處斷面的最大的彎曲應力σi為：

φ1——側向附著系數，取1.

計算得：

所以：

橋殼許用彎曲應力為450N/mm2，許用扭轉應力為400N/mm2.故工況二時，所設計的橋殼能滿足強度要求.

C、當汽車通過不平路面時（工況三）

兩處彈簧座彎曲應力估計值為：

式中，k——動載系數，貨車取2.0.

計算得：

橋殼許用彎曲應力為450N/mm2，許用扭轉應力為400N/mm2.故工況三時，所設計的橋殼也能滿足強度要求.

3 Inventor三維建模

Inventor是一款強大的三維實體模擬軟件，與AutoCAD等具有良好的兼容性，不僅能夠對零件設計和裝配提供整套的方案并利用其中的仿真運動功能實現干涉檢查，還可以通過其中有限元分析功能直接分析運動過程中設計構件的狀態等.本文利用Inventor軟件，根據前文的計算結果，對橋殼和半軸進行三維建模，為后續分析打下基礎.

4 基于Ansys的橋殼和半軸有限元分析

Ansys是一款具有高級計算分析能力的軟件，能與眾多三維實體設計軟件實現無阻礙對接，實現數據的共通，如Pro/E，Inventor，AutoCAD等，是CAE設計中必不可少的動靜態分析軟件之一.

4.1 橋殼在特定工況下有限元分析流程

4.1.1 當牽引力或制動力最大時（工況一）

首先需要對橋殼進行約束設定，約束點位于鋼板彈簧座.材料選用球墨球墨鑄鐵，為整體鑄造式，并需要經過滲碳等工藝處理.接著對其進行網格化劃分，網格化劃分選用自動劃分模式.將工況一下橋殼鋼板彈簧座的彎矩117.27N/mm2和扭矩59.44N/mm2添加.

工況一時橋殼位移變形量極小，不到0.001mm.安全系數最小值已達到9.84，超過一般所需的橋殼安全系數，可見其安全性能很高，即工況一時橋殼彎曲和扭曲強度滿足設計要求.

4.1.2 當側向力最大時（工況二）

工況二下進行有限元分析時，只有彎矩和扭矩條件發生變化，其他前提條件設定與工況一時的設定一致.該工況下，彎矩為112.04N/mm2.

通過比較工況一和工況二的有限元分析可知：雖然工況二較工況一時橋殼最大位移量變大，但是兩種工況下其安全系數一直保持很高，工況二時的安全系數較工況一有所提升，超過10，所以該工況下可以確保橋殼安全.由于動態情況下，橋殼所受到的受力情況更加復雜，所以在靜態分析時，保證高的安全系數是十分有必要的.

4.1.3 當汽車通過不平路面時（工況三）

工況三條件下進行有限元分析時，只有彎矩和扭矩條件較工況一發生變化，其他前提條件設定與工況一、二時的設定一致.該工況下，彎矩為194.20N/mm2.

橋殼通過不平路面時候帶來的沖擊造成的橋殼變形量是3個工況下最大的，該工況下安全系數也降低到5.22.但是，該工況下的橋殼校核依然是滿足要求的.

4.2 半軸有限元分析流程

在對半軸校核時，首先需要對其兩端的花鍵處進行約束.材料采用含鉻的中碳合金鋼，載荷按照車輪附著力矩來添加.完成上述的條件確定后，

全浮式半軸理論上只承受從主減速器傳來的扭矩，而不承受路面沖擊帶來的彎矩[3-4].通過有限元分析，可以看見半軸承受最大扭矩的時候，其最大位移變化量達到8.96mm，但是從安全系數方面來看，半軸十分可靠.

綜上所述，通過對建模好的驅動橋橋殼和半軸進行ansys分析，可知橋殼的變形量和安全系數以及半軸在承受最大扭矩時的位移變形量和安全系數，設計的可靠性符合要求.

〔1〕馮國勝.車輛現代設計方法[M].北京：科學出版社,2006.

〔2〕成大先.機械設計手冊（1～5 卷）[M].北京：化學工業出版社,2004.

〔3〕雷新,王吉忠,周士璐.汽車驅動橋殼新型壓裝工作臺的設計[J].汽車實用技術,2014(4):91-94.

〔4〕楊鎖望,韓愈琪,楊玨.礦用自卸車驅動橋殼結構分析與改進設計[J].專用汽車,2005(1):21-23.

U463.218

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1673-260X（2017）09-0027-03

2017-06-22