CLC NO.:U462.1 document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-12-03 前言 驱动桥壳是汽车上重要的传力和承载部件，不仅支撑着整车的质量，将载荷传递给轮胎，还将驱动轮传来的反力和力反矩经悬架传给车架，所以驱动桥壳必须具备足够的强度才能保证驱动桥有效可靠的工作[1]，长期以来，驱动桥壳的强度计算都是拿驱动桥壳作为一个分析对象，目前驱动桥壳强度计算方法主要以两种方式出现，一种是在轮心加载，在板簧座上作约束，另外一种是在板簧座加载，在轮心上作约束，不管是那种方式，约束条件都比较难确定，给计算的结果造成一定的误差，主要原因是没有考虑各部件间的运动关系，为了克服上述问题，在驱动桥壳强度计算模型中添加了板簧、衬套、减振器和吊耳，可以有效模拟驱动桥的受力情况。 1、驱动桥壳有限元模型的建立 1.1 几何模型的建立 钢板弹簧式悬架是由钢板弹簧、U型螺栓、驱动桥壳、减振器，吊耳、衬套和缓冲块组成，利用UG建立板簧式悬架的几何模型，在进行网格划分前，有必要对驱动桥壳的结构进行简化，去掉不必要的圆角、倒角、小孔以及工艺结构，然后导入hypermesh进行几何清理和网格划分[2]，钢板弹簧采用六面体单元离散，驱动桥壳、夹板采用四面体单元进行离散，为了比较准确模拟驱动桥壳的受力情况，在有限元建模中对钢板板簧进行如下简化，将三片主簧合并成一片，通过共节点连接，钢板弹簧中间夹紧部位与上下夹板体通过耦合连接，主簧与副簧对应部位通过接触对连接，由于是静力分析，无法考虑减振器的阻力问题，在这里通过柱面副模拟减振器的运动，减振器两端通过衬套分别与车身和减振器销连接，吊耳采用梁单元模拟，吊耳两端通过衬套分别与车身和减振器销连接，板簧前耳与车身通过衬套连接，建立了基于悬架系统的驱动桥壳强度的有限元模型，如图1。 图1 驱动桥有限元模型 1.2 载荷工况 车辆在行驶过程中会遇到多种极限的工况，驱动桥必须具备足够的强度才能保证车辆行驶的安全，目前对驱动桥的载荷计算主要采用的是动载荷系数经验值法来确定[3]，考虑驱动桥在3种典型工况的受力情况，最大垂直力工况、最大切向力工况和最大侧向力工况。 最大垂直工况考核汽车在满载状态下高速行驶在不平路面上驱动桥壳所受的垂直弯曲应力，桥壳除了受满载的载荷外[4]，还受到地面的冲击载荷，动载荷系数为2.5。 式中：k为动载荷系数，通常取2.5，G2为汽车满载后轴荷 最大牵引力工况考核汽车在满载状态下一档行驶时驱动桥壳的应力情况，不考虑垂直方向的冲击和侧向力的作用，驱动桥壳承受垂直载荷和纵向的牵引力作用。 式中：Temax发动机的最大转矩；ig1变速器一档传动比；i0主减器传动比；ηT传动效率，取1；rr驱动轮的滚动半径。由于Fx＞Fxq，所以制动工况即为最大切向力工况。 最大制动力工况考核汽车在满载状态下启动或紧急制动时桥壳的应力情况，驱动桥壳承受垂直载荷和地面的制动力作用 式中，m'为汽车制动时的质量转移系数，一般取0.75～0.95；φ为驱动车轮与路面的附着系数，一般取0.75～0.8之间。此工况取驱动车轮与地面的摩擦系数为0.8，质量转移系数为0.8。 最大侧向力工况考核汽车在满载状态下转弯桥壳处于一侧受力，另一侧不受力的极限状态，此时桥壳一侧不仅承受整个后轴荷全部同时还受到地面的侧向力作用 式中：φ为轮胎与地面的侧向附着系数，本次计算取为1.0。 1.3 驱动桥的强度分析 某微车的后轴荷为940Kg，发动机的最大转矩85N.m，变速器一档传动比3.652，主减器传动比5.125，传动效率1，驱动轮的滚动半径271mm。驱动桥壳的主体材料采用汽车结构用热连轧钢板，SAPH440，材料的屈服强度为305MPa，与桥壳焊接的法兰为优质碳素结构钢45号，材料的屈服强度为355MPa，两材料具有相同的弹性模量E=2.06X105和泊松比0.3，由于驱动桥桥壳有限元模型中引进了悬挂系统，统一了桥壳约束的边界条件，只对悬架与车身连接的点进行约束，根据桥壳在各工况下的受力，在轮心处施加载荷。 图2 垂直工况应力云图 图3 制动工况应力云图 驱动桥在承受最大垂直工况，桥壳最大应力出现在板簧座与桥壳焊接内侧位置，应力值为193MPa，当汽车处于紧急制动工况时，驱动桥受到地面切向力作用，以板簧座为支承点发生剪切，在板簧座与桥壳焊接内侧位置出现最大等效应力，应力值为131MPa，当汽车处于侧翻的临界状态下，板簧座内侧存在最大等效应力，应力值为165MPa，以上工况下所有最大等效应力均小于桥壳材料的屈服强度305MPa，满足桥壳的强度要求。 图4 侧滑工况应力云图 2、结论 提出了基于悬架系统下的驱动桥壳强度分析方法，可以有效解决传统驱动桥壳强度计算中没有考虑悬架运动造成边界和载荷较难确定的问题，同时考虑各部件的柔性，与传统驱动桥分析相比，分析精度更高，为驱动桥壳强度的设计具有一定的指导意义。 CLC NO.:U462.1 document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-12-03 前言 驱动桥壳是汽车上重要的传力和承载部件，不仅支撑着整车的质量，将载荷传递给轮胎，还将驱动轮传来的反力和力反矩经悬架传给车架，所以驱动桥壳必须具备足够的强度才能保证驱动桥有效可靠的工作[1]，长期以来，驱动桥壳的强度计算都是拿驱动桥壳作为一个分析对象，目前驱动桥壳强度计算方法主要以两种方式出现，一种是在轮心加载，在板簧座上作约束，另外一种是在板簧座加载，在轮心上作约束，不管是那种方式，约束条件都比较难确定，给计算的结果造成一定的误差，主要原因是没有考虑各部件间的运动关系，为了克服上述问题，在驱动桥壳强度计算模型中添加了板簧、衬套、减振器和吊耳，可以有效模拟驱动桥的受力情况。 1、驱动桥壳有限元模型的建立 1.1 几何模型的建立 钢板弹簧式悬架是由钢板弹簧、U型螺栓、驱动桥壳、减振器，吊耳、衬套和缓冲块组成，利用UG建立板簧式悬架的几何模型，在进行网格划分前，有必要对驱动桥壳的结构进行简化，去掉不必要的圆角、倒角、小孔以及工艺结构，然后导入hypermesh进行几何清理和网格划分[2]，钢板弹簧采用六面体单元离散，驱动桥壳、夹板采用四面体单元进行离散，为了比较准确模拟驱动桥壳的受力情况，在有限元建模中对钢板板簧进行如下简化，将三片主簧合并成一片，通过共节点连接，钢板弹簧中间夹紧部位与上下夹板体通过耦合连接，主簧与副簧对应部位通过接触对连接，由于是静力分析，无法考虑减振器的阻力问题，在这里通过柱面副模拟减振器的运动，减振器两端通过衬套分别与车身和减振器销连接，吊耳采用梁单元模拟，吊耳两端通过衬套分别与车身和减振器销连接，板簧前耳与车身通过衬套连接，建立了基于悬架系统的驱动桥壳强度的有限元模型，如图1。 图1 驱动桥有限元模型 1.2 载荷工况 车辆在行驶过程中会遇到多种极限的工况，驱动桥必须具备足够的强度才能保证车辆行驶的安全，目前对驱动桥的载荷计算主要采用的是动载荷系数经验值法来确定[3]，考虑驱动桥在3种典型工况的受力情况，最大垂直力工况、最大切向力工况和最大侧向力工况。 最大垂直工况考核汽车在满载状态下高速行驶在不平路面上驱动桥壳所受的垂直弯曲应力，桥壳除了受满载的载荷外[4]，还受到地面的冲击载荷，动载荷系数为2.5。 式中：k为动载荷系数，通常取2.5，G2为汽车满载后轴荷 最大牵引力工况考核汽车在满载状态下一档行驶时驱动桥壳的应力情况，不考虑垂直方向的冲击和侧向力的作用，驱动桥壳承受垂直载荷和纵向的牵引力作用。 式中：Temax发动机的最大转矩；ig1变速器一档传动比；i0主减器传动比；ηT传动效率，取1；rr驱动轮的滚动半径。由于Fx＞Fxq，所以制动工况即为最大切向力工况。 最大制动力工况考核汽车在满载状态下启动或紧急制动时桥壳的应力情况，驱动桥壳承受垂直载荷和地面的制动力作用 式中，m'为汽车制动时的质量转移系数，一般取0.75～0.95；φ为驱动车轮与路面的附着系数，一般取0.75～0.8之间。此工况取驱动车轮与地面的摩擦系数为0.8，质量转移系数为0.8。 最大侧向力工况考核汽车在满载状态下转弯桥壳处于一侧受力，另一侧不受力的极限状态，此时桥壳一侧不仅承受整个后轴荷全部同时还受到地面的侧向力作用 式中：φ为轮胎与地面的侧向附着系数，本次计算取为1.0。 1.3 驱动桥的强度分析 某微车的后轴荷为940Kg，发动机的最大转矩85N.m，变速器一档传动比3.652，主减器传动比5.125，传动效率1，驱动轮的滚动半径271mm。驱动桥壳的主体材料采用汽车结构用热连轧钢板，SAPH440，材料的屈服强度为305MPa，与桥壳焊接的法兰为优质碳素结构钢45号，材料的屈服强度为355MPa，两材料具有相同的弹性模量E=2.06X105和泊松比0.3，由于驱动桥桥壳有限元模型中引进了悬挂系统，统一了桥壳约束的边界条件，只对悬架与车身连接的点进行约束，根据桥壳在各工况下的受力，在轮心处施加载荷。 图2 垂直工况应力云图 图3 制动工况应力云图 驱动桥在承受最大垂直工况，桥壳最大应力出现在板簧座与桥壳焊接内侧位置，应力值为193MPa，当汽车处于紧急制动工况时，驱动桥受到地面切向力作用，以板簧座为支承点发生剪切，在板簧座与桥壳焊接内侧位置出现最大等效应力，应力值为131MPa，当汽车处于侧翻的临界状态下，板簧座内侧存在最大等效应力，应力值为165MPa，以上工况下所有最大等效应力均小于桥壳材料的屈服强度305MPa，满足桥壳的强度要求。 图4 侧滑工况应力云图 2、结论 提出了基于悬架系统下的驱动桥壳强度分析方法，可以有效解决传统驱动桥壳强度计算中没有考虑悬架运动造成边界和载荷较难确定的问题，同时考虑各部件的柔性，与传统驱动桥分析相比，分析精度更高，为驱动桥壳强度的设计具有一定的指导意义。

文章来源：边界与海洋研究 网址: http://bjyhyyj.400nongye.com/lunwen/itemid-29027.shtml

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