基于Ｈｙｐｅｒ Ｍｅｓｈ的商用車驅動橋殼有限元分析

摘要:驅動橋殼是汽車的重要部件之一，應具有足夠的強度和剛度。先利用UG建立橋殼的幾何模型，然后在Hyper Mesh中進行網格劃分、加載和約束，對驅動橋殼進行有限元分析計算，最后提出改進方案。

關鍵詞:驅動橋殼;Hyper Mesh;有限元分析

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-4054-02

Finite Element Analysis of Drive Axle Housing of Commercial Vehicle based on Hyper Mesh

ZHU Yi

(Hefei University of Technology， Mechanical and Automobile Engineering College，Hefei 230009，China)

Abstract: The drive axle housing is one of the important parts of automobile， should be have enough intensity and flexibility. At first， geometry model of the drive axle housing was established by UG ， then plotted in girding form， loaded and restricted by Hyper Mesh. The drive axle housing was analyzed and computed. Finally improved project was put forward.

Key words: Drive axle housing; hyper mesh;finite element analysis

驅動橋殼是汽車上重要部件之一，它的主要功用是支承汽車質量，并承受由車輪傳來的路面反力和反力矩;同時，它又是主減速器、差速器、半軸的裝配基體，所以，驅動橋殼應具有足夠的強度和剛度，以保證主減速器齒輪嚙合正常并不使半軸產生附加彎曲應力，而且要在保證強度和剛度的前提下，盡量減小質量以提高行駛平順性。為保證車橋工作的安全性和可靠性，驅動橋殼設計時應滿足應力和變形要求。因此，對驅動橋殼進行應力、變形分析，提高工作可靠性具有非常重要的意義。

常規的設計方法是將驅動橋殼看作一個簡支梁并校核幾種典型計算工況下某些特定斷面的最大應力值，然后考慮一個安全系數來確定工作應力。但是，通過傳統的簡化方法，將導致不精確甚至是錯誤的解。為獲得滿足工程要求的數值解，必須運用現代數值模擬技術，因此近年來，許多研究人員利用有限元方法對驅動橋殼進行計算和分析。本文利用有限元分析軟件Hyper Mesh對牽引車上的整體式驅動橋殼進行了分析。

1 驅動橋殼強度計算與分析

汽車驅動橋橋殼形狀結構復雜，可將橋殼視為一空心橫梁，兩端經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，而沿左右輪胎中心線(雙胎時沿雙胎中心)，地面給輪胎以反力。

汽車驅動橋殼是汽車的主要傳力件和承載件，而汽車實際行駛工況復雜，行駛條件千變萬化，要精確地計算汽車行駛時作用于橋殼各處的應力大小很困難。一般情況下將橋殼復雜的載荷狀況簡化成三種典型的計算工況:即汽車通過不平路面時所受的沖擊載荷工況，牽引力或制動力最大時工況，以及側向力最大時工況。

1.1 汽車通過不平路面時工況

當汽車通過不平路面并高速行駛時，驅動橋殼除承受靜止狀態下那部分載荷外，還要承受附加的沖擊載荷，此時不考慮側向力，后橋所承受的垂向負荷為:

式中，G為汽車滿載靜止于水平路面上后驅動橋的載荷;k為汽車動載荷系數，貨車一般取k=2.5。

1.2 牽引力最大工況

此工況為汽車滿載以最大牽引力直線行駛時的工況，不考慮側向力。此時作用在左右驅動輪上除有垂向反力外，尚有切向反力。地面對左右驅動車輪的最大切向反力共為:

式中，Temax為發動機最大轉矩，N/m;il為變速器一檔速比;i0為主減速器速比;ηT為傳動系的傳動效率，計算時取0.9;rr為輪胎的滾動半徑，m。

1.3 制動力最大工況

此工況為汽車滿載緊急制動時的工況，不考慮側向力。此時左右驅動車輪除有垂向反力外，還有地面對驅動車輪的制動力，最大制動力為:

式中，G為汽車滿載靜止于水平路面上后驅動橋的載荷;m'為汽車制動時的質量轉移系數，載貨汽車后驅動橋一般取0.75～0.95，計算時取0.8;Φ為驅動車輪與路面的附著系數，一般取0.75～0.8，計算時取0.8。

1.4 側向力最大時工況

此工況是汽車發生側滑時的極限工況，即驅動橋的全部荷重由側滑方向一側的驅動車輪承擔，這種極端情況對驅動橋的強度極為不利，應盡量避免這種情況產生。驅動橋承受的側向力為:

式中，G為汽車滿載靜止于水平路面上后驅動橋的載荷;Φ1為輪胎與地面的側向附著系數計算時取1.0.

2 驅動橋殼有限元模型建立

該車型橋殼為整體式橋殼，考慮到分析時的可行性在實際建模時進行適當簡化，略去鋼板彈簧支座、擋油盤座環、主減速器殼及后蓋等部件，去除一些對結果影響不大的螺紋孔和較小的倒角，采用三維軟件UG建立幾何模型，然后用HyperMesh進行網格劃分得到有限元模型，如圖1所示。

3 計算結果及分析

車型參數:滿載后最大后軸載荷12430kg，發動機最大輸出扭矩1550N/m，變速箱1檔速比12.10，后橋主減速器速比4.38，驅動輪輪胎滾動半徑0.47m。車橋材料屈服強度σs≥400MPa，抗拉強度σb=550MPa。根據驅動橋的實際行駛工況，在輪軸處約束，板簧處加載。沖擊載荷工況下等效應力圖和變形圖如圖2、圖3，側向力最大工況下等效應力圖和變形圖如圖4、圖5，其余工況應力和位移如表1、表2。

計算結果表明最大應力基本出現在輪轂內軸承里端，在側向力最大的極限工況下比較危險，還有在沖擊載荷工況下最大應力很接近材料的屈服強度，其余工況滿足材料剛度和強度要求，安全系數較高。根據有限元分析結果，可以使用轂內軸承里端處增加橋殼厚度的方法來增加強度，或可以采用強度更高的材料。

4 結論

通過分析可知，利用有限元軟件進行仿真分析和計算，可以降低開發成本，減少試驗次

數，縮短設計開發周期，提高產品質量。另外，可以進一步進行橋殼模態試驗分析和動態應力分析等，用于掌握其動態性能、疲勞壽命等，并可在此基礎上進行橋殼結構優化設計，最大限度地發揮結構性能，具有非常重要的實際意義。

參考文獻:

[1] 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社，2001.

[2] 王望予.汽車設計[M].北京:機械工業出版社，2004.

[3] 譚繼錦.汽車有限元法[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 楊朝會，王峰元，馬浩.基于有限元方法的載貨汽車驅動橋殼分析[J].農業裝備與車輛工程，2006，(10):19-21.

[5] 楊波，羅金橋.基于ANSYS汽車驅動橋殼的有限元分析[J]機械研究與應用，2005，18(6):90-91.

[6] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社，2004.

[7] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:機械工業出版社，2006.