乘用車驅動橋殼有限元分析

朱文艷

摘要：本文以某汽車的驅動橋橋殼為模型，在Pro/E三維建模軟件中對驅動橋橋殼基于實際尺寸進行建模，并將其導入到ANSYS Workbench有限元法分析軟件中。在ANSYS Workbench中對橋殼進行四種工況的靜力學分析和自由狀態下的模態分析，得到對應的變形、應力云圖和前六階振型及頻率。根據各工況的應力分布位置、變形量和各階振動頻率的分析結果，對驅動橋橋殼提出相應的優化改進建議。

Abstract： In this paper， a driving axle housing of a car is taken as a model， and the driving axle housing is modeled based on the actual size in the Pro/E 3D modeling software and imported into the ANSYS Workbench finite element analysis software. In the ANSYS Workbench， the static analysis of the axle housing in four conditions and the modal analysis in the free state are carried out， and the corresponding deformation， stress cloud and the first six modes and frequencies are obtained. According to the analysis of the stress distribution position， deformation and vibration frequency of each condition， the appropriate suggestions for improving and optimizing the drive axle housing are put forward.

關鍵詞： 驅動橋橋殼；三維建模；有限元法；ANSYS Workbench

Key words： axle housing；three-dimensional modeling；finite element method；ANSYS Workbench

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）03-0136-04

0 引言

汽車中重要承載部件之一的驅動橋，在支撐保護主減速器、差速器和半軸的同時，還承受著來自路面和懸架之間的力和力矩，驅動橋殼應具有足夠的強度、剛度且盡可能質量小[1]。為保證驅動橋殼工作的可靠性，需要對橋殼應力分布情況、變形量、關鍵部位的動應力等進行必要的計算和校核，無需實際生產加工試驗就可以達到優化的目的。本文采用有限元的方法對某乘用車橋殼為研究對象，對其進行結構靜力學分析和模態分析。

1 基于Pro/E三維模型的建立

本次選用一款經典微型面包車，其驅動橋殼就屬于整體鋼板焊接沖壓式橋殼。橋殼的二維尺寸如圖1。

該型驅動橋總成主要由橋殼、后蓋、半軸套管、軸頭及主減速器殼等組成，屬于較為復雜的組合結構體，難以直接用有限元軟件快速準確的建模，故采用三維軟件Proe建立三維模型，后期通過輸入接口導入ANSYS Workbench完成有限元分析。三維建模型時，根據驅動橋殼的結構和工作特點，在保持其力學性能不變的條件下，對模型進行必要的簡化：①不考慮焊接處材料性質的變化；②忽略底部放油孔，潤滑油加注口等影響不大的小尺寸和小孔結構；③假設橋殼的材料為均質材料且各向同性。

在Pro/E軟件中主要通過掃描混合、拉伸、旋轉、去除材料、筋板、圓角等指令獲得驅動橋殼及主減速器殼三維模型，如圖2。

2 有限元模型的建立[2][3]

將驅動橋殼和主減速器殼三維模型在pro＼E軟件中另存為*stp格式，導入ANSYSWorkbench中Geometry/Import Geometry/Browse，選擇三維模型文件。驅動橋殼本體材料為20號鋼，主減速器殼為灰鑄鐵，查閱材料手冊添加屬性，如表1。采用shell單元，自動劃分網格，驅動橋殼單元數為17647，節點數為35355，如圖3。

3 驅動橋靜力學分析

3.1 驅動橋殼靜力學分析[4]

考慮驅動橋殼在車輛不同工況的行駛中，受到應力和變形各不相同，且較為復雜，選取4種極限工況對橋殼進行分析：

①最大垂向工況：汽車受到不平路面沖擊，橋殼板簧座上的載荷為沖擊上的最大載荷，對橋殼兩端法蘭X、Y、Z方向的平動和轉動約束，兩對個鋼板彈簧座施加2.5倍靜載荷，F1垂=10308.38N。

②最大驅動力工況：汽車受到最大牽引力情況下，載荷主要有垂向力和驅動力，對橋殼兩端法蘭Y、Z方向的自由度和繞X方向的和轉動約束：對兩個鋼板彈簧座施加垂向載荷和最大驅動力載荷：F2垂=4948.02N，F2驅=4966.38N。

③最大制動力工況：當汽車緊急制動時，不考慮側向力，此時，橋殼主要承受垂向力和制動力，約束橋殼兩端法蘭的X、Y、Z方向平動和轉動，半軸套管上平均施加與運動方向相反的最大制動力：F3垂=2286.34N，F3驅=2309.08N。

④最大側向力工況：當汽車急轉彎，處于側滑狀態時，發生側滑方向的一端垂向力和側向力達到最大值，另一端受力為零，此時，不考慮縱向力橋殼側滑方向的一端所受到的垂向力和側向力，約束橋殼兩端法蘭X、Y、Z方向的平動和轉動，半軸套管上平均施加垂向力和側向力：F4垂=8246.7N，F4側=8246.7N。endprint

3.2 強度計算分析

四種工況下，在ansys中對驅動橋殼施加約束和載荷后進行求解，所得的變形云圖和應力云圖，如圖4-圖11所示。

基于各工況下的仿真結果可知，最大變形是在最大驅動力工況下，最大變形量為0.509mm，滿足橋殼滿載1m輪距最大變形量不超過1.5m的標準。[5]橋殼的最大應力發生在施加側向力的半軸套管和軸頭結合處附近，分別為263.17MP和260.25MP，大于材料的屈服極限245MP，這與加載位置和約束位置有關，且在接頭處由于材料厚度的改變，造成材料相對薄的部位出現應力集中，考慮到在實際應用中，車輛滿載且在最大垂向力和驅動力工況下會出現斷裂情況，所以要對與接頭相連的半軸套管處進行加厚處理提高應力，對應力集中部位進行焊接加厚處理。

4 驅動橋殼模態分析

結構固有的振動特性稱為模態，每個模態都有各自的固有頻率、阻尼比和振型，可由計算或實驗分析得到，這一分析過程稱為模態分析[6]。汽車在行駛過程中零件與車身發生共振，共振會極大地破壞汽車的結構，并且還會產生極大的噪音。因此，我們需要掌握振動的本身特性和它對外界激勵的響應。驅動橋橋殼承載著整車超過一半的總質量，它的振動對整車的結構及車輛的性能都有很大的影響。

驅動橋橋殼進行模態分析，計算得到橋殼的各階振動頻率如表2所示。

由分析圖形可見，驅動橋橋殼的振型主要表現為水平彎曲、垂直彎曲和彎扭組合等。橋殼兩端法蘭處的振動較大，設計時應注意加強該兩處的剛度。路面給車輪的激勵一般小于5Hz，橋殼固有頻率遠高于這一頻率，所以不會產生共振。

5 結論

①由靜力分析可知驅動橋橋殼的最大變形、最大應力兩者均出現在最大驅動力工況下的軸頭與法蘭連接處，考慮到接頭處由于材料厚度的改變，造成材料相對薄的部位出現應力集中，所以應采取對接頭相連的半軸套管進行加厚處理提高應力，可以對應力集中部位進行焊接加厚處理。

②對驅動橋橋殼進行自由模態分析，計算前六階振動頻率，橋殼兩端法蘭處的振動較大，設計時應注意加強該兩處的剛度，另外橋殼頻率遠高于路面給予激勵，不會產生共振。

③通過仿真分析結論可以有助于汽車企業降低設計開發成本，減少試驗次數，縮短設計開發周期，并為后續研究汽車輕量化提供指導作用。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構造[M].機械工業出版社，2009.

[2]李兵，何正嘉.ANSYS Workbench設計、仿真與優化[Ml.清華大學出版社，2008.

[3]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M].中國水利水電出版社，2010.

[4]王開松，許文超，王雨晨.汽車驅動橋殼有限元分析與輕量化設計[J]機械設計與制造，2016，7（7）：226-231.

[5]于東娜，魏建飛，邱陽，劉學杰.基于FEM的重型汽車提升橋殼結構強度的分析[J].大連交通大學學報，2011，7（32）：24-28.

[6]陳南.汽車振動與噪聲控制[M].人民交通出版社，2005.endprint