基于AnsysWorkbench的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼分析與優(yōu)化

鐘云耀

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525000）

驅(qū)動(dòng)橋殼承受汽車(chē)大部分重量，承擔(dān)各種沖擊力和力矩，固定和保護(hù)驅(qū)動(dòng)橋殼內(nèi)的零部件如主減速器、差速器和半軸等[1]。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度且質(zhì)量較小，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行應(yīng)力、變形分析及優(yōu)化，具有非常重要的意義。

過(guò)去進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)時(shí)，往往采用類(lèi)比方法，對(duì)已有產(chǎn)品加以改進(jìn)，然后進(jìn)行試驗(yàn)、試制造，這使得生產(chǎn)周期延長(zhǎng)、設(shè)計(jì)成本增加，而且生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品往往質(zhì)量過(guò)大[2]。

1 驅(qū)動(dòng)橋殼評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)評(píng)估指標(biāo)為：滿(mǎn)載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過(guò)1.5mm，垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)估指標(biāo)為[3]

式中：Kn為垂直彎曲破壞后備系數(shù)，Kn＞6為合格；Pn為垂直彎曲破壞荷載，N；P為滿(mǎn)載軸荷，N。而驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲失效載荷可用橋殼應(yīng)力值是否達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度極限值所對(duì)應(yīng)的載荷代替。因此式（1）可轉(zhuǎn)化為：

式中：σ為Kn=6時(shí)垂直載荷下橋殼彎曲應(yīng)力，Pa；σs為材料的屈服強(qiáng)度極限，Pa。

2 基于AnsysWorkbench的驅(qū)動(dòng)橋殼有限元靜力分析

驅(qū)動(dòng)橋殼基本尺寸參數(shù)如下：壁厚16mm，輪距1830mm，板簧距1040mm。在SiemensNX軟件中建立三維模型并導(dǎo)入AnsysWorkbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型，共生成25611個(gè)節(jié)點(diǎn)，12987個(gè)單元，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型

施加滿(mǎn)載軸荷求解，得到橋殼的等效位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖2和圖3所示。位移較大區(qū)域出現(xiàn)在兩板簧座之間區(qū)域，最大變形量為0.763mm每米輪距變形量為0.462mm，遠(yuǎn)小于1.5mm，橋殼滿(mǎn)足剛度要求。如圖3所示，應(yīng)力集中出現(xiàn)在半軸套管與橋殼本體連接處，最大應(yīng)力為82.435MPa，應(yīng)力較大區(qū)域位于半軸套管與橋殼本體連接處及板簧座和中間凸包之間的過(guò)渡區(qū)域，其他區(qū)域應(yīng)力較小。材料的屈服極限為610MPa，所以該驅(qū)動(dòng)橋殼的后備系數(shù)為Kn=7.3＞6。橋殼設(shè)計(jì)較保守，造成材料浪費(fèi)，可以在保證強(qiáng)度和剛度的條件下對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以減輕橋殼質(zhì)量。

圖2 等效位移云圖

圖3 應(yīng)力云圖

3 驅(qū)動(dòng)橋殼優(yōu)化

以橋殼厚度為變量參數(shù)，分別選取15mm，14mm和13mm為設(shè)計(jì)變量。經(jīng)AnsysWorkbench計(jì)算分析，質(zhì)量、最大應(yīng)力、變形量變化如圖4、圖5所示。隨著橋殼壁厚減小，橋殼質(zhì)量減輕，橋殼的最大等效位移增大，最大應(yīng)力也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)橋殼厚度為14mm時(shí)，其應(yīng)力分布云圖和等效位移云圖如圖6和圖7所示，Kn=6.154＞6，符合國(guó)標(biāo)要求，輕量化最優(yōu)。優(yōu)化后，質(zhì)量為126.44kg，減重11.8kg，達(dá)到輕量化效果。優(yōu)化前后具體比較見(jiàn)表1。

圖4 橋殼質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大位移變化情況

圖5 橋殼質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大位移變化關(guān)系

圖6 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后等效位移云圖

表1 優(yōu)化前后的比較

4 結(jié) 語(yǔ)

基于有限元分析軟件AnsysWorkbench對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了滿(mǎn)載軸荷下的垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算，通過(guò)對(duì)橋殼厚度進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明，優(yōu)化后該型驅(qū)動(dòng)橋殼重量減輕，且強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足要求，為汽車(chē)零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。