微型車(chē)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)研究,微型車(chē),驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu),分析,以及,疲勞,壽命,預(yù)測(cè),研究,鉆研 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目：微型車(chē)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命 ___________預(yù)測(cè)研究 學(xué)生姓名： 二級(jí)學(xué)院： 班　　級(jí)： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒 論 1 1.1 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋介紹 1 1.2 研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題的研究?jī)?nèi)容 2 2驅(qū)動(dòng)橋組成和基本參數(shù) 3 2.1 驅(qū)動(dòng)橋組成 3 2.2整車(chē)的基本參數(shù) 3 3 主減速器設(shè)計(jì) 4 3.1主減速器的齒輪的確定 4 3.2 主減速器齒輪材料 11 4驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)及其他參數(shù) 12 4.1 橋殼的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算 12 4.2 其他參數(shù) 13 5驅(qū)動(dòng)橋分析的模型的建立 16 5.1 三維軟件Pro/E的介紹 16 5.2半軸模型的建立 16 5.3 主動(dòng)齒輪模型的建立 18 5.4其他有關(guān)模型 18 5.5虛擬裝配 19 6驅(qū)動(dòng)橋橋殼的ANSYS分析 22 6.1有限元法及ANSYS介紹 22 6.2 ANSYS分析 22 6.3 疲勞研究 27 6.4 結(jié)果分析 28 6.5 不足之處 28 7.論文總結(jié) 30 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 32 IV 摘要 微型車(chē)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)研究 摘 要 本文從汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋入手，首先闡明了驅(qū)動(dòng)橋的主要作用，并介紹其相關(guān)研究現(xiàn)狀和基本結(jié)構(gòu)，接著給出了驅(qū)動(dòng)橋的整車(chē)參數(shù)，以此為依據(jù)具體地設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)橋的主減速器和驅(qū)動(dòng)橋殼，并給出了其他有關(guān)部件的參數(shù)。隨后通過(guò)三維軟件Pro/E對(duì)驅(qū)動(dòng)橋相關(guān)部件進(jìn)行了建模，將各個(gè)部分進(jìn)行裝配，完成裝配圖。最后將驅(qū)動(dòng)橋主要受力部分驅(qū)動(dòng)橋橋殼導(dǎo)入分析軟件ANSYS，對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)疲勞和疲勞壽命分析，據(jù)此對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案，需對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼上的彈簧座和圓角過(guò)渡處進(jìn)行相應(yīng)的加厚處理。 關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋；設(shè)計(jì)；建模；有限元分析 Abstract The research on the structural analysis and fatigue life prediction of driving axle Abstract The mian boby of this text is about automobile driving axle,first,the text illustrates the main role of driving axle, introduces the related current research status and basic structure, and lists the basic parameter of the driving axle vehicle,then designs driving axle parts,such as driving axle main reducer,and drive axle housing,and other relevant parts of parameters is presented. Following, modeling of driving axle related parts through 3 d software Pro/E, assemble each part, to complete the assembly drawing.In the end, I import the driving axle housing which is the mian part of the force in driving axle to analysis software ANSYS to do the static and dynamic fatigue and fatigue life analysis.I propose optimization program to the design of driving axle that need the accordingly thickening process to the spring seat and rounded at the transition of the drive axle housing. Key words: drive axle; design; modeling; finite element analysis 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋介紹 自第一輛車(chē)Daimler-Benz誕生以來(lái)，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車(chē)的數(shù)量正在不斷增加，其有關(guān)的性能要求也隨之增高。汽車(chē)工業(yè)是一種綜合性的深加工產(chǎn)業(yè)，它的技術(shù)性要求高，有關(guān)產(chǎn)業(yè)之間牽一發(fā)而動(dòng)全身，它的進(jìn)步無(wú)疑也能給與國(guó)家一個(gè)巨大的發(fā)展推力，所以其發(fā)展程度代表了國(guó)家工業(yè)發(fā)展的水平。因此，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，其有關(guān)零部件的開(kāi)發(fā)和研究也隨之展開(kāi)。 汽車(chē)大體由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身以及電器與電子設(shè)備四個(gè)部分組成，其中傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向、行駛、制動(dòng)四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了汽車(chē)底盤(pán)，而汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋是傳動(dòng)系中的重要組成部分。作為汽車(chē)中主要承載、傳力部件，驅(qū)動(dòng)橋承受了車(chē)身給與路面之間的大部分力，如鉛垂力、縱向力、橫向力等等，同時(shí)將傳動(dòng)軸和變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩變大之后分配給兩側(cè)車(chē)輪。所以，驅(qū)動(dòng)橋的強(qiáng)度、剛度和疲勞可靠性是各大汽車(chē)生產(chǎn)商需要面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。以往，汽車(chē)工業(yè)都是根據(jù)累積的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此做出相應(yīng)的初始模型，并進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行各種調(diào)整來(lái)確保滿足設(shè)計(jì)要求，最后在做成成品?，F(xiàn)在，隨著最近幾年計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，類似于有限元分析理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、模態(tài)分析理論等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn)為汽車(chē)的零件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和模具制造一體化的實(shí)現(xiàn)提供了條件，利用這些現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以有效地縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，并減少相關(guān)的研發(fā)成本。 1.2 研究現(xiàn)狀 隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展及汽車(chē)技術(shù)的提高，驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)，制造工藝都在日益完善。驅(qū)動(dòng)橋也和其他汽車(chē)總成一樣，除了廣泛地采用新技術(shù)外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中日益朝著零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化、產(chǎn)品的系列化及生產(chǎn)組織的專業(yè)化的方向發(fā)展。面對(duì)著日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，提高驅(qū)動(dòng)橋的性能，降低成本和維修方便成了現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)首先要考慮的問(wèn)題。 與國(guó)外相比，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，具體表現(xiàn)在因?yàn)樯a(chǎn)條件和制造工藝、專業(yè)人才等的不同，我國(guó)制造的齒輪、軸類和殼體等零件重量和體積偏大、可靠性差、使用壽命短和次品數(shù)目多，明顯次于德國(guó)等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的產(chǎn)品。雖然有著良好的發(fā)展勢(shì)頭，但是與國(guó)外汽車(chē)相比仍然有很大差距。作為汽車(chē)的重要配套基礎(chǔ)件，驅(qū)動(dòng)橋的更新?lián)Q代在多方面受制于國(guó)外，這對(duì)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展極為不利。 經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)在各方面都有了很大的進(jìn)步，譬如生產(chǎn)規(guī)模上不斷擴(kuò)大，管理方式和經(jīng)營(yíng)理念上不斷向西方學(xué)習(xí)靠攏，技術(shù)上也不斷地進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)等等。作為汽車(chē)的基礎(chǔ)配套件企業(yè)，驅(qū)動(dòng)橋有關(guān)企業(yè)也在不斷擴(kuò)大自己的生產(chǎn)規(guī)模，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，學(xué)習(xí)先進(jìn)的國(guó)外技術(shù)與管理方式，在其產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的同時(shí)，也為汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。 國(guó)外汽車(chē)企業(yè)起步早、技術(shù)成熟，計(jì)算機(jī)技術(shù)的較早使用使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間縮短，提高了產(chǎn)品的研發(fā)效率。80年代開(kāi)始，我國(guó)逐步開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)汽車(chē)技術(shù)，進(jìn)行消化吸收，不斷創(chuàng)新，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋作出了多次重大的技術(shù)改進(jìn)，完成了數(shù)個(gè)噸位驅(qū)動(dòng)橋的產(chǎn)品系列，使得設(shè)計(jì)更加先進(jìn)、結(jié)構(gòu)更加合理，適用范圍廣，符合各大汽車(chē)企業(yè)的需求，產(chǎn)量連年攀升。各大汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋企業(yè)紛紛采用CAD、CAE技術(shù)、有限元法逐步在各大汽車(chē)行業(yè)中得到了應(yīng)用，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，大大縮短了驅(qū)動(dòng)橋的開(kāi)發(fā)周期，減少了相應(yīng)的研制成本，有關(guān)的優(yōu)化方案使得產(chǎn)品的性能得到了提高。生產(chǎn)設(shè)備的更新?lián)Q代、工藝路線的優(yōu)化也為產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供了保證。 1.3 課題的研究?jī)?nèi)容 本課題分析了國(guó)內(nèi)外的驅(qū)動(dòng)橋研究現(xiàn)狀，根據(jù)選定車(chē)型的最大功率及轉(zhuǎn)速、最大扭矩及轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比、輪胎尺寸等參數(shù)，結(jié)合汽車(chē)設(shè)計(jì)、汽車(chē)?yán)碚?、機(jī)械設(shè)計(jì)、Pro/E和ANSYS等有關(guān)理論及實(shí)踐知識(shí)，計(jì)算了主減速器和橋殼的有關(guān)工作參數(shù)，建立了幾個(gè)主要部件的三維模型，并對(duì)驅(qū)動(dòng)橋上最大受力件橋殼進(jìn)行疲勞壽命研究，嘗試性地提出了提高其疲勞壽命的方法。 33 第2章 驅(qū)動(dòng)橋組成和基本參數(shù) 2驅(qū)動(dòng)橋組成和基本參數(shù) 2.1 驅(qū)動(dòng)橋組成 在驅(qū)動(dòng)橋中，主減速器、差速器、半軸和橋殼是必不可少的幾個(gè)部分。 1.主減速器 如圖2.1所示為主減速器齒輪 圖2.1 主減速器齒輪 2.差速器 差速器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)的車(chē)輪差速滾動(dòng)或者多軸驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)的各驅(qū)動(dòng)橋差速旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。 3.半軸 半軸安置于驅(qū)動(dòng)橋殼內(nèi)部，能夠?qū)⒉钏倨鬏敵龅牧赝ㄟ^(guò)傳動(dòng)軸傳輸?shù)杰?chē)輪的機(jī)構(gòu)。 4.橋殼 驅(qū)動(dòng)橋的橋殼是驅(qū)動(dòng)橋里面的主要受力部分，用來(lái)連接車(chē)輪和車(chē)身。支撐車(chē)身重量。因此橋殼的強(qiáng)度和剛度對(duì)于整車(chē)而言非常重要。結(jié)構(gòu)形式分類：可分式、整體式、組合式。 2.2整車(chē)的基本參數(shù) 本次設(shè)計(jì)依據(jù)某車(chē)型的基本參數(shù)，具體車(chē)型參數(shù)如表2.1所示： 表2.1 某車(chē)型主要參數(shù) 第3章 主減速器設(shè)計(jì) 3 主減速器設(shè)計(jì) 3.1主減速器的齒輪的確定 3.1.1齒輪的計(jì)算載荷的確定 1、從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩的確定 （3.1） 式（3.1）中，為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，取78；為低檔傳動(dòng)比；由公式=計(jì)算得=36.90；為變速器傳動(dòng)比，取6.01； 為超載系數(shù)，取=1.0；為上述傳動(dòng)部分的效率，取=0.9。 =6177.39 N.m 2、在良好路面上驅(qū)動(dòng)輪打滑時(shí)從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩的確定 （3.2） 式（3.2）中：為汽車(chē)在滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給予水平地面的最大負(fù)荷，取 26880N；為輪胎對(duì)地面的附著系數(shù)，取=0.86；；為輪胎滾動(dòng)半徑，取0.273m；分別表示了主減速器從動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)輪間的傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比，分別取0.9和1。 =9316.91Error! Reference source not found. 由式（3.1），式（3.2）求得的計(jì)算載荷可以看出，轎車(chē)大多數(shù)情況是在高速輕載條件下工作，正常持續(xù)轉(zhuǎn)矩靠平均牽引力來(lái)確定，即主減速器的平均計(jì)算轉(zhuǎn)矩值。 3、日常行駛時(shí)汽車(chē)從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩的確定 = （3.3） 式（3.3）中：為汽車(chē)滿載時(shí)重量, 取38400N；為牽引掛車(chē)滿載時(shí)重量，取0N；為路上的滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.015； 為汽車(chē)正常工作時(shí)的平均爬坡能力系數(shù)，取0.05；為汽車(chē)性能系數(shù)。 （3.4） 當(dāng)=40.26>16時(shí)，取=0。 =1017.81 Error! Reference source not found. 3.1.2齒輪參數(shù)的確定 1、齒數(shù)的選擇 對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，與應(yīng)要有合適的搭配。為了方便取到合適的離地間隙，因?yàn)橹鱾鲃?dòng)比較大，應(yīng)取小一點(diǎn)。 由于主減速器的傳動(dòng)比為6.13，取主動(dòng)齒輪齒數(shù)z1=7，從動(dòng)齒輪齒數(shù)z2=43。 2、從動(dòng)錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的選擇 （3.5） 式（3.5）中：為直徑系數(shù)，取13～16；為計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取，較小者，即=6177.29N·mError! Reference source not found.Error! Reference source not found.。 計(jì)算得，=238.55～293.6mm，取=293mm。 確定后，可按公式算得從動(dòng)齒輪大端模數(shù)，并用式（3.6）校核： （3.6） 式（3.6）中：為模數(shù)系數(shù)，取0.3~0.4；為計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取。 =5.505~7.34 根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T12368-1990，=7mm，滿足條件。所以有：=49mm =293mm。 3、螺旋錐齒輪齒面寬的選擇 根據(jù)主減速器的推薦寬度，據(jù)經(jīng)驗(yàn)取：F=0.155=44.95mm，F(xiàn)=50mm，=55。 4、法向壓力角a的選擇 載貨汽車(chē)可選用20°壓力角。 5、螺旋錐齒輪螺旋方向 主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪的方向是不同，它們所受到的軸向力的方向受到錐齒輪的螺旋方向和旋轉(zhuǎn)方向的影響，因此主動(dòng)錐齒輪為左旋。 6、 旋角的選擇 螺旋角應(yīng)足夠大以使1.25。因比較大的時(shí)候會(huì)穩(wěn)定，噪聲也相對(duì)比較小，螺旋角推薦用35°。 7、主、從動(dòng)錐齒輪的幾何尺寸 相應(yīng)的公式和尺寸可以參見(jiàn)下表： 表3.1主減速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表 3.1.3齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 1單位齒長(zhǎng)上圓周力 主減速器齒輪的表面耐磨性一般我們用式（3.7）估算： （3.7） 式中：為單位齒長(zhǎng)上的圓周力；P為作用在齒輪上的圓周力。 按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)： （3.8） 式（3.8）中：為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，取78；為變速器的傳動(dòng)比；為主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑，取49mm。 一檔時(shí)： N／mm 直接檔時(shí)： N／mm 表3.2許用單位齒長(zhǎng)上的圓周力 按最大附著力矩計(jì)算時(shí)： （3.9） 式（3.9）中：為汽車(chē)滿載最大負(fù)荷，取26880N；為輪胎與地面的附著系數(shù)，取0.85；為輪胎的滾動(dòng)半徑，取0.367m； =1144.74 N／mm。 （2）齒輪的彎曲強(qiáng)度計(jì)算 主減速器螺旋錐齒輪齒輪的計(jì)算彎曲應(yīng)力為 （3.10） 式（3.10）中，為齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取，較小者，即=1144.74Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.，=184.19Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.；為超載系數(shù)，取1.0；為尺寸系數(shù)，根據(jù)=計(jì)算得=0.7245；為載荷分配系數(shù)，取1；為質(zhì)量系數(shù)，取1；J為計(jì)算彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)，見(jiàn)圖3.1，=0.242，=0.181。 圖3.1彎曲計(jì)算用綜合系數(shù)J 按計(jì)算：主動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力=359.45N／mm<700 N／mm； 從動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力=507.27 N／mm<700 N／mm； 按計(jì)算：主動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力=116.08 N／mm<210.9 N／mm； 從動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力=122.53 N／mm<210.9N／mm； 綜上所述由表3.2，計(jì)算的齒輪滿足彎曲強(qiáng)度的要求。 （4）主動(dòng)齒輪軸的彎矩 如圖3.2所示為主動(dòng)齒輪受力及彎矩圖。 圖3.2主動(dòng)齒輪軸彎矩圖 危險(xiǎn)截面上的合成彎曲應(yīng)力為： （3.11） 式（3.11）中：為彎曲截面系數(shù),根據(jù)公式，D=35mm；為主動(dòng)齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取184.19Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.；為危險(xiǎn)截面彎矩，主動(dòng)齒輪徑向力為3091.05N。 經(jīng)計(jì)算，=66.6MPa<=230MPa 所以主動(dòng)齒輪軸滿足要求。 3.1.4主減速器軸承載荷的計(jì)算 由于主動(dòng)錐齒輪采用懸臂式，從動(dòng)錐齒輪采用跨置式，所以它們軸承的徑向載荷如圖3.3所示 圖3.3主減速器軸承的布置尺寸 軸承A，B的徑向載荷分別為 = （3.12） （3.13） 式（3.12）和（3.13）中：已知=9459.57N，=3091.05N，=7204.88N , ＝40.96mm, a=43mm，b=26mm，c=69mm。 所以，軸承A的徑向力=5929.29N；軸承B的徑向力=12255.52N；軸承的壽命為 s （3.14） 式（3.14）中：為溫度系數(shù)，取1.0；為載荷系數(shù)，取1.2；Cr為額定動(dòng)載荷 此外對(duì)于無(wú)輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋來(lái)說(shuō)，主減速器的從動(dòng)錐齒輪軸承的計(jì)算轉(zhuǎn)速為 r/min （3.15） 式中：為輪胎的滾動(dòng)半徑，0.367m；為汽車(chē)的平均行駛速度，對(duì)于載貨汽車(chē)和公共汽車(chē)可取30～35 km/h，在此取32.5 km/h。 所以由上式可得==235.56 r/min； 主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速=235.56×5.49=1446.34 r/min。 所以軸承能工作的額定軸承壽命： h （3.16） 式（3.16）中: 為軸承計(jì)算轉(zhuǎn)速，1738.52r/min。 若大保養(yǎng)公里數(shù)S定為100000公里，可計(jì)算出預(yù)期壽命 = h （3.17） ==3076.9 h。 因?yàn)檩S承A和B是一對(duì)軸承，根據(jù)尺寸，在此選用30207型軸承，d=35mm,D=72mm，Cr=54.2KN，e=0.37。 對(duì)軸承A，徑向力=5929.29N，軸向力A=7204.88N，所以=1.21>e X=0.4，Y=1.6。 當(dāng)量動(dòng)載荷 Q=（3.18），為沖擊載荷系數(shù)，取1.2； 所以，Q=1.2（0.4×1318.58+1.6×1599.42）=16679.4N。 因?yàn)椴捎玫妮S承是一對(duì)一對(duì)的，且=2Cr，因此軸承A的使用壽命為： ===981130.2 h>3076.9 h= 所以軸承A是滿足使用的要求。 同理可計(jì)算出：軸承B，==450711.87 h＞，軸承C，=229515.09>，軸承D，==524605.97 h >，均符合要求 3.2 主減速器齒輪材料 齒輪所采用的鋼為20CrMnTi，因?yàn)闈B碳深度有著這樣的規(guī)定，當(dāng)端面模數(shù)不大于5時(shí)，深度的取值為0.9～1.3m，而當(dāng)端面模數(shù)大于5～8的時(shí)候取值就是1.0～1.4mm了。這種表面不應(yīng)用于補(bǔ)償零件的公差尺寸，也不能代替潤(rùn)滑。 第4章 驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)及其他參數(shù) 4驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)及其他參數(shù) 4.1 橋殼的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算 4.1.1最大功率行駛時(shí)汽車(chē)的橋殼強(qiáng)度的計(jì)算 如果忽略側(cè)向力不計(jì)的話，兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的最大切向反力共為 （4.1） 式（4.1）中：為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，取186；為傳動(dòng)系一檔傳動(dòng)比，6.01；為主減速比，6.14；為傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，0.9；為輪胎的滾動(dòng)半徑，0.367m。 經(jīng)計(jì)算，=16831.86N。 圖4.1 最大功率行駛時(shí)橋殼的受力簡(jiǎn)圖 如圖4.1所示，后驅(qū)動(dòng)橋殼在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎曲矩為： =4569.4 （4.2） 式（4.2）中：為汽車(chē)加速行駛時(shí)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.1；為汽車(chē)滿載時(shí)靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，26880N；為車(chē)輪（包括輪轂、制動(dòng)器等）重力；為驅(qū)動(dòng)車(chē)輪輪距，1.479m；為橋殼上兩鋼板彈簧座中心間的距離，0.88m.。 圖4.2最大功率行駛時(shí)橋殼的受力分析圖 彎矩為： =2608.94 （4.3） 反作用力矩： （4.4） 式（4.3）（4.4）中：為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，186；為一檔傳動(dòng)比，6.01；為主減速比，6.14；為傳動(dòng)效率0.9；為輪胎的滾動(dòng)半徑，0.367m。 危險(xiǎn)斷面合成力矩： =6101.29 （4.5） 危險(xiǎn)斷面合成應(yīng)力： =155.3 （4.6） 式（4.6）中：為危險(xiǎn)斷面的彎曲截面系數(shù)，39280。 4.1.3最大側(cè)向力時(shí)橋殼的強(qiáng)度計(jì)算 汽車(chē)會(huì)由于其他原因而承受側(cè)向力，驅(qū)動(dòng)橋的側(cè)滑條件是： （4.7） 式（4.7）中：為驅(qū)動(dòng)橋所受的側(cè)向力；為地面給左、右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的側(cè)向反作用力；為汽車(chē)滿載靜止于水平面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，26810N；為輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)，取1。 汽車(chē)右滑時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋側(cè)滑時(shí)左、右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的支承反力為： （4.8） （4.9） 4.2 其他參數(shù) 4.2.1 差速器 差速器的幾何尺寸如下表 表4.1 差速器的幾何尺寸 基本參數(shù)：行星齒輪數(shù)目，4個(gè)；球面半徑=53mm，壓力角，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=111.6Mpa，安裝孔直徑=23mm，深度L=25mm，彎曲應(yīng)力=111.6Mpa 4.2.2半軸 半軸選用全浮式半軸，半軸直徑選用d=45mm，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=525.53MPa，最大扭轉(zhuǎn)角=13.74，半軸花鍵部分，齒數(shù)、模數(shù)依次為16、3，分度圓的直徑和壓力角分別為48mm、 30°，剪切應(yīng)力=64.47MPa；擠壓應(yīng)力=71.72 MPa。 第5章 驅(qū)動(dòng)橋Pro/E三維設(shè)計(jì) 5驅(qū)動(dòng)橋分析的模型的建立 5.1 三維軟件Pro/E的介紹 Pro/E是PTC旗下著名的一款三維軟件，經(jīng)歷過(guò)二十多次改版，已在三維造型軟件領(lǐng)域中有著重要的地位。Pro/E的基于特征的建模系統(tǒng)，可以依靠具有智能特性的基于特征的功能來(lái)生成模型。同時(shí)采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征方面的問(wèn)題，一個(gè)統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫(kù)做到了“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)也提高了質(zhì)量。并且其采用模塊方式，用戶可以根據(jù)需要來(lái)選擇所需的模塊，可單獨(dú)進(jìn)行草圖繪制、零件制作、加工處理和裝配設(shè)計(jì)等操作。另外最重要的是它是第一個(gè)提出參數(shù)化設(shè)計(jì)有關(guān)概念的軟件。 5.2半軸模型的建立 5.2.1 新建文件 單擊工具欄上的新建文件夾→選擇零件→選擇缺省→選擇零件→選中使用缺省復(fù)選框→名稱中輸入名稱→新建 5.2.2 建立驅(qū)動(dòng)橋半軸 點(diǎn)擊拉伸→選項(xiàng)如圖5.1所示 圖5.1拉伸選型 放置→編輯→選擇top為基準(zhǔn)面→hight為草考面 草繪→進(jìn)行草繪→繪制面板如圖5.2所示 圖5.2 草繪 選擇完成→返回拉伸面板→完成拉伸特征，拉伸后的半軸如圖5.3所示 圖5.3 拉伸完成的半軸 5.2.3 建立花鍵 單擊拉伸→進(jìn)行拉伸操控，各部分設(shè)置如圖5.4所示 圖5.4 拉伸各部分設(shè)置 點(diǎn)擊基準(zhǔn)→建立基準(zhǔn)面→草繪→進(jìn)入草繪環(huán)境→完成，草繪環(huán)境如圖5.5所示，半軸花間如圖5.6所示 圖5.5半軸花鍵 圖5.6 半軸花鍵基體 選擇已經(jīng)畫(huà)好的花鍵→點(diǎn)擊陣列→進(jìn)行陣列操控→選擇中心線以及特征個(gè)數(shù)16→完成，如圖5.7所示為完成花鍵 圖5.7完成的花鍵 重復(fù)以上幾個(gè)步驟完成半軸，完成的半軸如圖5.8所示 圖5.8 驅(qū)動(dòng)橋半軸 5.3 主動(dòng)齒輪模型的建立 根據(jù)以下幾個(gè)步驟便可以完成模型的建立，首先依次點(diǎn)擊新建→零件→輸入文件名→取消缺省之后，再點(diǎn)擊mmns后便可以進(jìn)入零件模式， 接著利用拉伸→旋轉(zhuǎn)→混合掃描等幾個(gè)命令來(lái)建立殼體，最后主動(dòng)齒輪的模型便完成了，如圖5.9所示 圖5.9主動(dòng)齒輪 5.4其他有關(guān)模型 由pro/E建立的驅(qū)動(dòng)橋其他零件三維模型如圖5.10所示 圖5.10 其他零件模型圖 5.5虛擬裝配 5.5.1 Pro/E基本裝配約束 在pro/E中，需要建立約束來(lái)固定不同零件之間的連接。下面接好幾種不同的約束類型： 1、主要裝配約束 （1）匹配（Mate）約束； （2）對(duì)齊（Align）約束； （3）插入（Insert）約束。 2、模型的具體創(chuàng)建過(guò)程 （1）新建裝配文件 點(diǎn)擊新建文件→點(diǎn)擊類型里面的組件按鈕→缺省。 （2）第一個(gè)零件的裝配 點(diǎn)擊下拉菜單并選擇插入→點(diǎn)擊元件原件→裝配裝配命令 （3）第二個(gè)零件的裝配 ①導(dǎo)入第二個(gè)零件的過(guò)程如上，導(dǎo)入第二個(gè)需要裝配的零件。 ②在放置第二個(gè)零件前的一些準(zhǔn)備工作。 下圖5.11表示的是一些有關(guān)的移動(dòng)命令的實(shí)現(xiàn)界面。 圖5.11 移動(dòng)和約束的設(shè)置界面 ③完全約束放置好的第二個(gè)零件。 放置零件設(shè)置如圖5.11所示。 5.5.2 驅(qū)動(dòng)橋的總裝配圖和爆炸圖 裝配時(shí)可以先忽略約束驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性因素的影響，直接將零件以靜態(tài)位置放置就好。如圖5.12、 圖5.13所示。 圖5.12 總裝圖 圖5.13 總裝爆炸圖 5.5.3 裝配模型的干涉檢查 因?yàn)榭赡軙?huì)有影響正常的動(dòng)態(tài)分析的運(yùn)動(dòng)干涉的存在，所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋的模型在Pro/E軟件中裝配過(guò)程完成了以后，為了能夠取得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們應(yīng)該要進(jìn)行一些必要的干涉檢查，來(lái)保證在我們以后的動(dòng)態(tài)仿真中，不同零件之間的運(yùn)動(dòng)干涉不會(huì)發(fā)生。干涉分析的設(shè)置過(guò)程如下： 圖5.14 總裝圖 在Pro/E環(huán)境的選擇中，菜單的分析菜單下選擇：分析→模型→全局干涉，具體的操作過(guò)程如圖5.15所示。在運(yùn)動(dòng)干涉不存在的情況下，全局選型將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，但運(yùn)動(dòng)干涉存在的情況下則會(huì)顯示如圖5.16所示的信息。 圖5.15 干涉檢查的設(shè)置過(guò)程 圖5.16 全局干涉的選項(xiàng)卡 反復(fù)地嘗試上面的幾個(gè)操作，直到運(yùn)動(dòng)干涉在裝配模型中消失不見(jiàn)。 上述步驟僅考慮了驅(qū)動(dòng)橋整體，并未考慮到分析時(shí)承受載荷的模型彈簧座。 第6章 驅(qū)動(dòng)橋橋殼的ANSYS分析 6驅(qū)動(dòng)橋橋殼的ANSYS分析 6.1有限元法及ANSYS介紹 6.1.1 有限元法介紹 所謂的有限元法，便是一種將彈性連續(xù)體分成有限個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單元體的方法。其具體的步驟可以分為結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析三步，大體是將一個(gè)難以處理的圖形或者不規(guī)則物體分割成若干個(gè)易處理的單元體，再?gòu)倪@些簡(jiǎn)單的單元體出發(fā)，對(duì)這些單元體進(jìn)行系統(tǒng)的分析和處理，最后再利用數(shù)學(xué)中的變分原理或者加權(quán)余量法對(duì)這些單元體進(jìn)行整體性的分析。對(duì)于某些不規(guī)則體，這種方法是非常方便靈活的。并且隨著科學(xué)的進(jìn)步，有限元法日益完善，一大批類似于ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等有限元軟件也隨之誕生，這些軟件的出現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)代學(xué)術(shù)和工業(yè)難題有著莫大的幫助。 6.1.2 ANSYS介紹 作為全球范圍內(nèi)著名的有限元軟件，ANSYS是一個(gè)可以分析結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)等方面的通用軟件，其在機(jī)械、石油化工、交通運(yùn)輸、土木工程、水利、電子、科教等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 ANSYS可以分為前處理、分析計(jì)算、后處理三個(gè)模塊： （1）前處理：顧名思義，便是分析前的準(zhǔn)備，比如建模、劃分網(wǎng)格、施加載荷等等 （2）分析計(jì)算：根據(jù)所需要研究的方向設(shè)定相應(yīng)的選項(xiàng)進(jìn)行處理計(jì)算 （3）后處理：類似于前處理，在分析計(jì)算后所需要的一些相關(guān)步驟，比如結(jié)果的導(dǎo)出，數(shù)據(jù)的圖形化等等。 相較于其他軟件，ANSYS軟件具有著以下優(yōu)勢(shì)： （1）數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一，保證每次試驗(yàn)的誤差小 （2）GUI圖形界面擁有強(qiáng)大的三維建模能力，可以建立各種復(fù)雜的幾何模型 （3）擁有豐富的求解器，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇 （4）網(wǎng)格可以根據(jù)用戶需求自動(dòng)生成 （5）具有優(yōu)化功能，可以據(jù)此確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化相應(yīng)模型的外觀 （6）可實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合分析 （7）開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，可以用APDL和UPFS等工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā) 6.2ANSYS分析 6.2.1前處理 將已經(jīng)在pro/E中建立好的三維模型導(dǎo)入到專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行有驅(qū)動(dòng)橋的受力分析。為了后面的分析方便，在橋殼上添加了兩個(gè)簡(jiǎn)化的彈簧座模型以方便力的施加，在橋殼左右側(cè)添加了半軸模型以方便約束的施加，導(dǎo)入ANSYS后的橋殼模型如圖6.1。 Pro/E軟件導(dǎo)入ANSYS軟件示意圖： 圖6.1導(dǎo)入到ANSYS軟件的三維圖 定義材料屬性 彈性模量值 EX=1.5e11，柏松比 PRXY=0.25 橋殼材料為球墨鑄鐵 因?yàn)檫x擇的是球墨鑄鐵，Ansysworkbench自帶的材料庫(kù)里面沒(méi)有，需要自己編輯，具體步驟如下： 點(diǎn)擊A2欄Engineering Data，進(jìn)入材料編輯，點(diǎn)擊A*欄輸入球墨鑄鐵，再雙擊左側(cè)Toolbox欄下的Physical Properties 欄下的Density和Linear Elastic欄下的Isotropic Elasticty，并在右側(cè)Properties of Outline Row中B2欄輸入7300，在B5欄輸入1500000000000，在B6欄輸入0.25，形式如圖6.2所示。 圖6.2 材料編輯 劃分網(wǎng)格 在模型樹(shù)下點(diǎn)擊Mesh，在工具欄上找到Mesh點(diǎn)擊并選擇Generate Mesh。已經(jīng)進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化后的有限元模型如圖6.3所示。因?yàn)轵?qū)動(dòng)橋要進(jìn)行必要的動(dòng)力分析，所以在這一步驟中，盡量的保持驅(qū)動(dòng)橋上的網(wǎng)格質(zhì)量。 圖6.3 劃分網(wǎng)格后的有限元模型 6.2.2有限元處理過(guò)程 我們通過(guò)有限元分析軟件模擬的是靜態(tài)工況，為了更好的反映本文所設(shè)計(jì)的橋殼質(zhì)量。本分析過(guò)程參考文凌波的某型驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞壽命的仿真與實(shí)驗(yàn)分析，在半軸套管安裝輪轂的位置施加約束，允許其繞前后軸向旋轉(zhuǎn)，并允許其任一端沿左右軸向可有位移【14】，約束部分如圖6.4所示 圖6.4約束部分 因?yàn)闃驓な芰χ饕獊?lái)自于橋殼上兩彈簧座，汽車(chē)滿載時(shí)靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷為26880N，因此在分析時(shí)對(duì)兩彈簧座分別施加一個(gè)13440N的均布載荷。 在Environment中選擇loads中的Moment，選擇橋殼上的彈簧座，再在左側(cè)Details表格中選擇apply，并選擇Define By，選擇Components，在X Component后輸入13440，如圖6.5所示 圖6.5 在彈簧座上施加轉(zhuǎn)矩 在模型樹(shù)下選擇Solution，在上方工具欄中選擇Deformation中的Total，Strain中的Equivalent，Stress中的Equivalent，如圖6.6所示 圖6.6 計(jì)算 再左擊Solution，選擇tools欄下的Fatigue Tool，再?gòu)墓ぞ邫谥羞x擇Contour Results欄下的Life，Damage，Safety Factor，Biaxiality Indication，Equivalent Alternatin，再選擇Graph Results欄下的Fatigue Sensitivity，如圖6.7所示 圖6.7 疲勞計(jì)算 6.2.3查看結(jié)果文件 右擊左側(cè)模型樹(shù)下的Solution，選擇Solve，等待一段處理分析，結(jié)果便出來(lái)了，并查看相應(yīng)的位移和應(yīng)力云圖。如圖6.8、6.9所示 圖6.8位移云圖 圖6.9應(yīng)力云圖 根據(jù)位移云圖可以看出，驅(qū)動(dòng)橋的最大位移為1.837×10-4m。 1.837×10-4m/0.367m=0.5mm/m＜1.5mm/m，所以滿足《QC/T 533-1999汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法》中的最大位移與輪距之比不大于1.5mm/m的要求.而根據(jù)應(yīng)力云圖可以看出最大應(yīng)力為26.418MPa，主要在彈簧座處及橋殼圓角過(guò)渡處，且低于材料的屈服強(qiáng)度，所以靜力分析部分滿足要求。 6.3 疲勞研究 6.3.1 疲勞及疲勞壽命 根據(jù)美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)的定義，疲勞是指“當(dāng)結(jié)構(gòu)承受了動(dòng)態(tài)載荷，并在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后產(chǎn)生裂縫或者完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象。”所以，疲勞是一個(gè)只有承受了擾動(dòng)力才會(huì)發(fā)生的發(fā)展的過(guò)程，并且是局部承受高應(yīng)力后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化。因此，疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)失效所需要的應(yīng)力或者應(yīng)變循環(huán)次數(shù)。 在1829年疲勞問(wèn)題首次被提出后，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，疲勞理論逐漸成熟。如今，借助相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序和疲勞CAE技術(shù)，我們可以快速地發(fā)現(xiàn)零件的疲勞壽命薄弱地方并予以改進(jìn)，從而縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件大部分都有疲勞破壞，所以疲勞壽命的研究對(duì)于交通和原子能等工業(yè)部分有著重要意義。 6.3.2疲勞工況的仿真 實(shí)際工作中的汽車(chē)在行駛過(guò)程中，肯定會(huì)受到震動(dòng)的影響。其中，驅(qū)動(dòng)橋殼肯定也會(huì)受到動(dòng)態(tài)載荷的加載和卸載。因此我們?cè)谶M(jìn)行疲勞分析的時(shí)候，在橋殼所受力的下面和上面加上一個(gè)系數(shù)，根據(jù)《QC/T 533-1999汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法》，加載的最大載荷為該橋殼滿載載荷的2.5倍，在此系數(shù)取2.5。 完成驅(qū)動(dòng)橋殼約束加載。驅(qū)動(dòng)橋殼的兩端進(jìn)行約束，如圖6.10所示為驅(qū)動(dòng)橋疲勞仿真相關(guān)應(yīng)力加載 圖6.10加載曲線 6.3.3 分析結(jié)果 圖6.11驅(qū)動(dòng)橋疲勞變形 查看驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞變形圖可以看出，在加載了一定次數(shù)的最大為2.5倍的26880N、最小為0.25倍的26880N的周期性載荷后，驅(qū)動(dòng)橋殼會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞變形，而變形在驅(qū)動(dòng)橋殼圓角過(guò)渡處最為明顯，壽命值為100萬(wàn)次，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的不低于80萬(wàn)次的要求。 6.4 結(jié)果分析 根據(jù)此次的分析可以看出，應(yīng)力和變形主要發(fā)生在彈簧座和橋殼圓角過(guò)渡處的地方，因此建議對(duì)這部分進(jìn)行優(yōu)化，例如進(jìn)行相應(yīng)的加厚處理、硬度提高和外側(cè)加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)等等。 6.5 不足之處 本次的分析方法主要參考了文凌波的某型驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞壽命的仿真與實(shí)驗(yàn)分析，但由于本人水平和條件的限制，分析局限于仿真分析部分，并未進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并且，仿真分析中的模型只是一個(gè)簡(jiǎn)化后的模型，具體的彈簧座等結(jié)構(gòu)并沒(méi)有準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出來(lái)。因此，分析結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際結(jié)果存在一定的誤差。 第7章 論文總結(jié) 7.論文總結(jié) 本文根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋的基本參數(shù)對(duì)其零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在建模后進(jìn)行了有限元分析，據(jù)此提出了改進(jìn)方案。主要結(jié)論如下 （1）設(shè)計(jì)的主減速器、橋殼等有關(guān)部件符合強(qiáng)度和剛度要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期的零部件分析是必要的。 （2）橋殼有限元分析結(jié)果表明了該橋殼的剛度、強(qiáng)度及疲勞性能滿足要求，驅(qū)動(dòng)橋受到的應(yīng)力云圖分布較為合理。 （3）根據(jù)有限元分析的結(jié)果提出了改進(jìn)方案，可以對(duì)橋殼的左右臂的中間位置進(jìn)行相應(yīng)的加厚處理。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1]徐兆棠,劉永臣.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.8 [2]陳永波.有限元法基礎(chǔ)及ANSYS 應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008 [3]劉明卓,張磊.CAE技術(shù)的發(fā)展和前景展望[J].技術(shù)前沿，2006.8:6-99. 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