電動小型貨車驅動橋殼的有限元分析

摘 要：本文以某型號電動貨車為研究對象，分析了驅動橋殼在三種極限工況下的受力特點。運用SolidWorks軟件繪出驅動橋殼的簡化三維模型，然后轉化為STEP文件導入ANSYS軟件中進行材料定義、網格劃分生成有限元模型。基于此模型進行三種極限工況下的有限元分析，得出相應工況下的應力應變云圖。并分析仿真結果，可得橋殼在三種極限工況下的變形和應變滿足強度和剛度要求。

關鍵詞：驅動橋殼 SolidWorks ANSYS 有限元分析

0 引言

隨著世界對能源的重視，新能源車輛特別是電動汽車的飛速發展引起了普遍重視。電動小型貨車作為新能源車的重要組成部分，其驅動橋殼技術也呈現出新的發展趨勢。在市場中小型電動貨車在物流運輸，環保出行等領域起著重要支撐作用，因此電動小型貨車的需求不斷增長，對驅動橋殼技術性能方面也提出了更高要求。目前，國內外學者已對汽車驅動橋殼進行了大量的研究，主要集中在材料選擇、結構設計、制造工藝和性能分析等方面。然而，針對電動小型貨車驅動橋殼的有限元分析相對較少，尤其是考慮到電動汽車特殊工況下的性能需求，這一領域還有較大的研究空間。

本文以某型號電動小型貨車驅動橋殼為研究對象，對汽車驅動橋殼在三種極限工況下進行有限元分析，校核最大應力值及最大變形量是否滿足強度剛度要求。

1 驅動橋殼的簡化模型建立

1.1 車輛設計參數

車輛參數如表1所示，驅動電機參數如表2。

1.2 驅動橋殼的三維建模

本文是后驅動橋與燃油車結構相似，電動驅動橋殼由左右半軸套管，和橋殼本體組成。在SolidWorks軟件中通過草圖繪制和凸臺拉伸等建立三維模型，然后通過裝配將半軸套管和橋殼本體連接在一起形成完整的驅動橋殼如圖1所示。

構建精確的驅動橋殼模型是研究的核心前提，有限元分析采用簡化的驅動橋殼模型。因此，對非關鍵特征如倒角、定位孔，和對整體力學性能影響不顯著的工藝細節，可以適當去除，以減少網格劃分時的復雜度，提高網格的精度和數量。這種簡化處Ydxtp+IdLa4HtMYl/7vrn3EGX4jS3D1X9/oQkIMW/9E=理不僅有助于提升有限元分析的運算效率和精度，還能使模型更加簡潔明了，便于后續的分析和研究。

2 驅動橋殼的靜力學分析

2.1 定義材料特性

將驅動橋殼三維模型文件轉換為STEP文件后導入ANSYS軟件中進行材料選擇，在此選擇合金鋼，材料性能參數如表3所示。

網格劃分：有限元分析中有兩種網格劃分方法，一種是四面體網格，一種是六面體網格，六面體網格在劃分網格數量和計算精度方面及變形特性等方面有良好表現，本文選擇六面體網格劃分，定義網格尺寸為10mm，將其進行網格劃分。

2.2 滿載工況

當模仿電動車輛以恒定速度駛過波動路面時，車輛殼體將承受來自靜止車輛的垂直重力以及由不平坦路面引發的額外動態沖擊負荷。所以，在計算車橋殼的靜態彎曲應力時，我們必須同時考慮這兩種載荷的作用。這樣可以確保計算結果的準確性，并更全面地了解橋殼在實際工作條件下的性能。對于本車所處的滿載工況，我們假設前軸荷載為33%，后軸荷載為67%。若本車滿載重量為5000kg，則后橋殼所承受的車身重力G2可以通過以下方式計算：

式中：為電動貨車后橋所分配的質量（kg）；

當輕型貨車在崎嶇路面上行駛時，橋殼不僅需要承受靜止狀態下所分配的車身載荷，還需額外承受因車身上下運動而產生的沖擊載荷。為了量化這種沖擊載荷，我們引入了動載荷系數的概念。動載荷系數通常用于估算不平路面上車輛所承受的附加載荷。對于一般轎車或客車，動載荷系數常設為1.75；對于輕型貨車，該系數通常取為2.5：

那么橋殼兩端彈簧座處受到的總載荷為：

通過計算=58625N。

經過ANSYS Workbench中的靜態結構模塊分析由圖2的應力云圖可知，在最嚴苛的負載沖擊條件下，橋梁外殼所承受的最高應力水平為129MPa，這一峰值應力主要集中于彈簧座周圍的區域。該部件是由鋁合金材料制成，根據其力學特性，這種材料的屈服極限高達275MPa。為確保結構強度滿足設計標準，部件的運行應力應低于其材料的允許應力水平。通常，塑性材料的允許應力是其屈服極限除以一個安全系數。在進行驅動橋殼的結構校驗時，通常會采用1.5作為安全系數。因此，通過計算得出彈簧座位置的允許應力為183.3MPa。仿真結果表明，最大應力低于此允許應力值，說明在給定的工作條件下，橋殼的強度符合要求。

由圖3的應變云圖可知，在該工作條件下，最大彎曲出現在橋殼結構部分，測量到的變形程度為1.04mm。按照《汽車驅動橋殼臺架試驗評價指標》這一國家標準，在滿載狀態下，允許的每米軸長的最大變形限度被規定為1.5mm。經過對比分析，有限元分析得出的變形數值低于國家規定的最大容許值，因此可以判定，在此工作環境下，驅動橋殼的剛度符合要求。

2.3 最大側向力工況

在汽車行駛過程中進行急轉彎時，會經歷一個稱為“最大側向力”的特定工況。在這一工況下，外側車輪可能達到滑動的臨界點，此時內側車輪承受著主要的彎矩載荷。在這種情況下，通?？梢院雎攒囕v前進方向的牽引力，因為側向力和彎矩是主導因素。

約束條件：X方向平動自由度：驅動橋殼彈簧座在X方向上的移動被限制，即車輛在該方向上不會發生位移。Y和Z方向轉動自由度：驅動橋殼在Y和Z方向上的旋轉被約束，確保在這些方向上不會發生旋轉運動。

載荷施加：（1）垂向載荷：在驅動橋殼半軸套管上施加一個沿著Y軸負方向的力，模擬在最大側向力時的垂向載荷。這個力主要由車輛重量和轉彎時的慣性力組成；（2）側向力：沿著Z軸負方向施加一個側向力，模擬在急轉彎時車輛受到的向外側滑動的力。這個力的大小取決于轉彎的半徑、速度、車輛質量以及輪胎與地面的摩擦系數；（3）轉矩：在繞著Z軸的負方向上施加一個轉矩，模擬由于側向力和輪胎與地面摩擦力產生的旋轉力矩。這個轉矩影響車輛的操控性和穩定性。

此工況下，側滑條件為：

式中：取1.0；

假設此時車輛處于滿載高速右轉彎，

式中：——左側車輪地面支持力；——右側車輪地面支持力；

經過ANSYS Workbench中的靜態結構模塊分析由圖4、圖5可知最大應力發生在橋殼本體上且應力為146.87Mpa，最大變形為0.827mm，因此可以判定，在此工作環境下，驅動橋殼的強度和剛度均符合要求。

2.4 最大制動工況

在車輛處于理想的直線行駛狀態，且不考慮側向力的情況下，車輛主要受到兩種力的作用：地面對后驅動橋左右車輪的垂向反力，以及地面給予汽車行駛方向反向的切向制動力和制動力矩。

代入數據到式（2-10）、（2-11）可得

通常情況下可在一定范圍內選取，本文取0.9

制動所產生的制動力矩為：

經過ANSYS Workbench中的靜態結構模塊分析得到圖6、圖7最大應力為 44.76Mpa ，最大變形為0.417mm ，滿足強度和剛度要求。

3 結論

本文以某型號電動小型貨車為研究對象，介紹運用 SolidWorks/ANSYS Workbench軟件進行靜力學仿真分析。得出驅動橋殼在三種極限工況下的最大主應力均低于材料的屈服極限，滿足強度要求，最大變形均符合國家標準規定的載重汽車橋殼每米變形1.5mm的要求。通過對結構的靜態分析為橋殼的疲勞壽命分析和結構設計優化奠定了基礎。

基金項目：江西省教育廳科學技術研究項目“基于復雜工況環境感知路面的車輛路噪主動控制研究”（GJJ2202416）。

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