汽车驱动桥壳的有限元分析

（ａ）等效应力图
（ｂ）变形图
图３ 最大牵引力工况下等效应力图及变形图
从图３（ａ）中可以看出，最大等效应力点发生
在钢板弹簧座附近，最大应力值为１５３ＭＰａ。再如
图３（ｂ）所示，最大变形量发生在半轴套管端部，
其最大变形量为０．４４２ｍｍ。最大应力值和变形
量均符合要求。
（３）最大制动力工况
此工况下，汽车制动时，制动器能使车轮在地
’
中图分类号：Ｕ４６３．２１８＋．５
文献标识码：Ａ
驱动桥壳是汽车上重要的承载件和传力件。 非断开式驱动桥壳支承汽车重量，并将载荷传给 车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向 力、垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢 上…。因此，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车 的有效使用寿命。合理地设计驱动桥壳，使其具 有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳 的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶的平顺 性和舒适性。
节点上施加与运动方向一致的最大牵引力。
续表ｌ
最大制动力在两侧车轮轮距处各节点施加垂向力，在该处施加 与汽车运动方向相反的最大制动力，在两钢板弹簧 座的外侧与轮毂内轴承之间输入由制动力引起的 转矩。
最大侧向力在侧滑方向一侧车轮轮距处施加垂向力。且在该处 施加水平方向的最大侧向力。
表２各工况驱动桥壳的约束条件
２００８年６月 第２５卷第３期
沈阳航空工业学院学报 Ｊｏｕｍａｌ ０ｆ ＳｈｅｎｙａｒＩｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎ百ｎｅｅｒｉ“ｇ
Ｊｕｎ．２００８ Ｖ０１．２５ Ｎｏ．３
文章编号：１００７一１３８５（２００８）０３—００３８一０３
汽车驱动桥壳的有限元分析
王文竹程勉宏刘刚
此工况下，汽车所承受的侧向力达到地面给
轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力，汽
车处于侧滑的临界状态。此时，驱动桥的全部荷
（ａ）等效应力图
（ｂ）变形图
图５最大侧向力工况下等效应力图及变形图
由图５可知，最大侧向力工况下的最大应力
发生在钢板弹簧座附近，其最大值为２２９ＭＰａ，小
于许用应力。最大变形量出现在位于侧滑方向一
万方数据
第３期
王文竹等：汽车驱动桥壳的有限元分析
此工况为汽车满载以最大牵引力作直线行驶 时的工况，不考虑侧向力。此时左右驱动轮除作 用有垂向反力外，还作用有地面对驱动车轮的最 大切向反作用力（及牵引力），最大牵引力大小 为：
尸一＝等竽
式中：瓦一一发动机最大转矩，为３９２Ｎ·ｍ； ｉ。。一变速器，档传动比，为７．６４；ｉ。一驱动桥的主 减速比，为６．２５；叼，一传动系的传动效率，ｏ．９； ｒ，一驱动车轮的滚动半径，为０．４７ｍ。
ｌ 驱动桥壳有限元模型的建立
首先在ＣＡｌ．１Ａ中建立了某货车驱动桥壳的 三维模型，在保证分析精度的情况下，在建立模型 过程中进行了一定的简化。然后将三维模型导人 到ＡＮＳＹＳ中，选择８节点的４５号单元，对其进行 划分网格，得到２９９１９０个单元，６９４７９个节点。 有限元模型如图ｌ所示。该驱动桥壳材料为 ＱＴ４００一１５，弹性模量Ｅ＝１９６．２ＧＰａ，泊松比肛＝
2.学位论文 张成波 1141重型货车驱动桥桥壳轻量化研究 2010
重型载货汽车驱动桥壳支撑着汽车的荷重，是主要的传力件承载件，还将其载荷传递给车轮。作用在汽车驱动轮上的三种力即制动力、牵引力和侧 向力，同样也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车身上。汽车在行驶过程中会遇到各种各样的天气和路况，因此，驱动桥壳结构性能对整车性能及使用寿 命有着直接的影响作用。随着人类社会的不断发展，对汽车的平顺性和舒适性能要求日益提高，随着能源短缺问题的日益严重，使得人们对汽车轻量化 要求越来越高。这使得传统的设计计算方法已经无法满足现代汽车设计的要求。随着近代数学水平及其在工程上的应用日趋成熟，有限元法作为一种日 益普遍运用的计算分析工具，其产生和发展推动了计算机辅助设计的技术水平。通过有限元法对驱动桥壳结构进行性能分析，在设计时考虑驱动桥壳结 构的优化，对提高整车的各种性能，减轻桥壳重量，降低制造成本等都具有十分重要的意义。<br> 本文重点研究大致包括以下内容：结合某车型的驱动桥壳实际模型，和现在的能源危机下不断发展的轻量化设计要求，提出了对驱动桥壳进行轻量化的 研究目标，以有限元线性静态分析、自由模态分析及机械结构优化设计理论为基础，将CAD软件CATIA和有限元分析软件HYPERMESH结合使用，首先在原驱 动桥壳的结构和使用条件下结合三维建模理论对研究对象进行了一定程度上的简化处理，完成了驱动桥壳CATIA三维简化后的模型建立，然后将建立好的 三维模型导入HYPERMESH分析软件，进行了HYPERMESH有限元模型的建立及分析的整个过程，得出了驱动桥壳在四种典型工况下的综合变形结果和应力分 布及它在自由约束状态的前6阶固有频率和振型，通过上述分析结果结合桥壳实际使用时的材料许用应力和路面激励频率，证实该桥壳满足设计要求，即 可认为它在要求的各种行驶状况下是具有可靠性，而且不会引起共振。最后应用HYPERMESH的结构优化模块对其进行厚度优化，结果表明，桥壳质量有了 明显的减少，最大应力与许用应力更接近，有较好的实际工程应用意义。
代人以上数值得Ｆ＝２１８０８Ｎ。 （４）桥壳承受最大侧向力工况 该工况是汽车发生侧滑时的极限工况，即当 驱动桥的全部荷重由侧滑方向一侧的驱动车轮承 担时，驱动桥承受的侧向力为：
Ｐ＝Ｇ×妒１
式中：Ｐ－一驱动桥承受的侧向力；ｐ汽车满
载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，为 ６８１５０Ｊ７、ｒ；妒。一轮胎与地面的侧向附着系数，取
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
王文竹， 程勉宏， 刘刚 沈阳航空工业学院机械与汽车学院,辽宁,沈阳,110034
沈阳航空工业学院学报 JOURNAL OF SHENYANG INSTITUTE OF AERONAUTICAL ENGINEERING 2008，25(3) 4次
参考文献(4条) 1.刘维信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001 2.杨波,罗金桥.基于ANSYS的汽车驱动桥壳的有限元分析[J].CAD/CAM与制造业信息化,1999 3.李欣.重型货车驱动桥桥壳结构分析及其轻量化研究[D].武汉:武汉理工大学,2006 4.陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2005
ｔ｝Ｉｅ ｄｄＶｅ ａ）【ｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｓｔｌｌＪｃｔｕｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＴＩＡ；ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ；ＦＥＡ
万方数据
汽车驱动桥壳的有限元分析
作者： 作者单位： 刊名：
侧半轴套管的端部，其最大变形量为０．７７３ｍｍ。
４结论
通过对驱动桥壳四种典型工况的有限元分 析，可以看出，该驱动桥壳满足强度要求和最大变 形量要求。利用ＣＡＥ软件进行仿真分析和计算， 可以降低设计开发成本，减少试验次数，缩短设计 开发周期，提高产品质量，使得汽车在轻量化、舒 适性和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非 常重要的实际意义。
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1.期刊论文 马迅.田荣.MA Xun.TIAN Rong 基于协同仿真环境的驱动桥壳有限元分析 -重庆工学院学报（自然科学
版）2007,21(9)
以有限元静态分析理论为基础,将CATIA和ANSYS 11.0协同仿真环境(AWE)结合运用,完成了从驱动桥壳三维建模到有限元分析的整个过程,得出了驱动 桥壳在4种典型工况下的应力场和位移场,并对其进行了强度和刚度的校核.在此基础上,研究了驱动桥壳关键尺寸的改变对桥壳应力分布和变形结果的影 响.结果表明桥壳满足设计要求.
工况
约束条件
最大垂向力约束桥壳两端轮距处的点ｙ，ｚ向的平动和绕ｘ向 的转动
最大牵引力约束左侧（ｘ的负向钢板弹簧座三个方向的平动和 绕ｘ轴的转动），另一侧钢板弹簧座处ｚ和＇，向的
平动和绕工的转动。 最大制动力约束左侧钢板弹簧座处ｘ，ｚ向的平动和绕工的转
动；右侧钢板弹簧座处ｚ向的平动和绕ｘ的转动； 两侧凸缘盘所在位置上的节点的ｙ方向的自由度。
参考文献：
［１］刘维信．汽车设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００ｌ ［２］杨波，罗金桥．基于ＡＮｓＹｓ的汽车驱动桥壳的有限元分析
［Ｊ］．ｃＡＤ／ｃＡＭ与制造业信息化，１９９９ 【３］李欣．重型货车驱动桥桥壳结构分析及其轻量化研究［Ｄ］．武
汉：武汉理工大学，２００６ ［４］陈家瑞．汽车构造［Ｍ］．北京：机械工业出版社。２００５
收稿日期：２００７—１ｌ—１３ 作者简介：王文竹（１９７６一），男，辽宁盖州人来自百度文库讲师．硕士
０．３。半轴套管的材料为４５Ｍｎ２，弹性模量Ｅ＝ ２１０ＧＰａ，泊松比肛＝０．３。
图ｌ驱动桥壳的有限元模型
２载荷及边界条件的确定
２．１ 驱动桥壳载荷的计算 驱动桥壳在车辆行驶中的受力状况比较复
杂，承受的力主要有垂向力、切向力（牵引力或制 动力）和侧向力。这里，简化为以下四种典型工 况进行计算：
Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｄｒｉＶｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｗｅｎ—ｚｈｕ ＣＨＥＮＧ Ｍｉａｎ—ｈｏｎｇ ＬＩＵ Ｇａｎｇ （Ｍｅｃｈ卸ｉｃｓ觚ｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｃｏＵｅｇｅ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ０ｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００３４）
从图２（ａ）中可以看出，在驱动桥壳中部出现
应力集中的情况，最大应力值为１０６ＭＰａ，但小于 材料的许用应力４００ＭＰａ。从图中还可以看出，靠 近钢板弹簧座处应力也较大。从图２（ｂ）中可以
看出，桥壳最大变形量发生在桥壳凸缘盘处，其变 形量为０．６３４ｍｍ，其满足国家标准规定满载轴荷 时每米轮距最大变形不超过１．５ｍ－ｎ／ｍ。
驱动桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一个 简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断面 的最大应力值，然后考虑一个安全系数来确定工 作应力，这种设计方法有很多局限性【２ Ｊ。因此近 年来，许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳 进行了计算和分析。本文中利用有限元分析软件 ＡＮＳＹＳ对某型货车上使用的整体式驱动桥壳进 行了分析。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｄｄｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＣＡＴＩＡ．Ｔｈｅ ＦＥＡ ｉｓ ｓｉｍｕｌａ．
ｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｒＩｃｅ ｔｏ ｇｅｔ ｔｌｌｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏ皿ａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｌｌｅ ｄｄｖｅ ａ）【ｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｍａｎｄ ａｎｄ ｍａ）【ｉｍａｌ ｄｅｆｏ肿ａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｌｌｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｅ ｆｏｒ
代人以上数值得Ｐ。。＝３５８４３Ｎ （３）桥壳承受最大制动力工况 此工况为汽车满载紧急制动时的工况，不考 虑侧向力。汽车紧急制动时，左右驱动车轮除作 用有垂直反力外，还作用有地面对驱动车轮的制 动力，最大制动力大小为：
Ｆ＝Ｇｍｌ‘Ｄ／２
式中：ｐ汽车满载静止于水平路面时驱动
桥给地面的载荷，为６８１５０Ｎ；ｍ ７一汽车制动时的 质量转移系数，对载货汽车后驱动桥一般取Ｏ．７５ ～０．９５，取０．８；矿一驱动车轮与路面的附着系数， 计算时取０．７５—０．８，取Ｏ．８。
（１）桥壳承受最大垂向力工况 此工况为汽车满载并通过不平路面，受冲击 载荷的工况，这时不考虑侧向力和切向力。取２．５ 倍载荷施加在两个钢板弹簧座上，最大垂向力为： ＺＬ＝２．５Ｇ×６／（口＋６） ＺＲ＝２．５Ｇ×口／（口＋６） 式中：ｚ。，ｚ。一施加在左、右钢板弹簧座上的 载荷；Ｇ一后驱动桥壳满载轴荷，为６８１５０Ｎ；ａ一左 边钢板弹簧座中点与桥壳中央点的距离，为０．５６ ｍ；６一右边钢板弹簧座中点与桥壳中央点的距离 为Ｏ．５６ｍ。代入以上数值得Ｚ￡．＝Ｚ。＝８５１８７．５Ｎ （２）桥壳承受最大牵引力工况
最大侧向力约束左侧钢板弹簧座处三个方向的平动和绕ｘ的 转动，另一侧钢板弹簧座处ｚ和ｙ向的平动和绕Ｘ
的转动。
３计算及结果分析
（１）最大垂向力工况 汽车后桥满载轴荷６８１５０Ｎ，把２．５倍动载荷 加载到桥壳上，桥壳只承受最大垂向力。桥壳的 等效应力和变形如图２所示。
（ａ）等效应力图
（ｂ）变形图
图２最大垂向力工况下等效应力图及变形图
１．Ｏ。
代人以上数值得Ｐ＝６８１５０Ｎ。 ２．２边界条件的确定
根据公式，计算出相关节点的平均受力，直接 施加到相关节点上，约束方式也是直接将约束施 加到相应的节点上，见表１和表２［３ Ｊ。
表ｌ 各工况驱动桥壳的加载方式
工况
施加载荷
最大垂向力垂向力平均施加到弹簧座上的各个节点。
最大牵引力在两侧车轮轮距处的各节点上施加垂向力，且在该
（沈阳航空丁业学院机械与汽车学院，辽宁沈阳１１００３４）
摘要：利用ｃＡｌｌＡ软件建立了驱动桥壳的三维实体模型。通过对驱动桥壳进行有限元分析。分
别得到了驱动桥壳四种典型Ｔ况的等效应力和变形。结果表明该驱动桥壳满足强度要求和最大
变形量的要求，为驱动桥壳的结构改进及优化设计提供了理论依据。
关键词：ＣＡｌ．ＩＡ；驱动桥壳；有限元分析
面上滑动。桥壳主要承受垂向力和最大制动力，
桥壳的应力分布和变形量如图４所示。
其最大应力发生在半轴套管附近，最大应力
值为２０６ＭＰａ，小于材料的许用应力６２０ＭＰａ。最
大变形量出现在半轴套管端部，其最大变形量为
１．２ｍｍ．
（ａ）等效应力图
（ｂ）变彤图
图４最大制动力工况下等效应力图及变形图
（４）最大侧向力工况
（２）最大牵引力工况 此工况下，汽车满载，发动机以最大转矩工 作，亦为最大启动工况。桥壳主要承受垂向力和
最大牵引力。桥壳的等效应力分布和变形如图３ 所示。
万方数据
沈阳航空Ｔ业学院学报
第２５卷
重由侧滑方向一侧的车轮承担，桥壳这种极端情 况对驱动桥的强度极其不利，应避免发生。此时， 桥壳主要承受垂向力和最大侧向力，桥壳的应力 分布和变形如图５所示。