汽车零部件的载荷及其强度计算方法
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补充内容： （1） 可靠性设计方法 （2） 疲劳计算方法 （3） 应用案例
2.1 汽车零部件损坏形式及对策
汽车零部件损坏形式 （1） 静强度失效
一般受到冲击载荷 （2） 疲劳失效（90%）
周期性动载
讨论环节：越野车传动系统故障分析
浏河沙地比赛越野 车的战果
动载 设计 材料、铸造工艺 安装、保养和维护
FVB 2f
Fzf 2
1 2Fzf0
L hmaB1 2Fzf0
hm0.8g
L
F B 2 fm F V 2 fB 2 F z0 f L h m a B 0 2 .8 F z0 f L h m 0 .8 g
最大驱动力工况
在加速时，作用在前轮上的垂直负荷时减少的。用于静强 度计算的前轮驱动工况如下：
本质是将荷载效应S及结构抗力R看作是两个随机变量应用概 率论和数理统计的理论去研究结构的可靠度。
以概率论为基础的设计方法分为三个水准：
水准Ⅰ－半经验半概率法； 水准Ⅱ－近似概率法； 水准Ⅲ－全概率法。
三. 失效概率 Probability of failure
失效－指结构或结构的一部分不能满足设计所规定的某一功能要 求，即达到或超过了承载能力极限状态或正常使用极限状态中的 某一极限。 失效概率－指结构结构处于失效状态下的概率pf。 结构极限状态函数又称结构功能函数
2.4 汽车零部件强度计算
• 静强度许用应力 • 材料的选择
2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数
• 疲劳强度许用应力的估计 目前并无很好的预测疲劳的方法，一般通过标
准试验获取零件在不同正负交变应力循环下的疲 劳寿命，然后增加一些修正系数，描述疲劳寿命 的改变与尺寸、形状、表面加工质量等因素。
FL2mF2•FV0
最大侧向力工况
FVm 2 k2FV0,FLm 1F1FV0
其中，µ是侧向力系数
图2-8 所选择的侧向力FL的方向应该使其引 起的弯矩与垂直力FV引起的弯矩相加
讨论：
（1） 试验表明，普通轿车直线行驶时侧向力所引起的应力比转 弯行驶时要高（请问原因是什么？）。
（2） 在什么情况下，出现最大侧向力？
垂直力与侧向力联合作用
• 最大垂直力工况 • 最大侧向力工况 • 最大制动力工况 • 最大驱动力工况
FL1mF1•FV0
最大垂直力工况
最大垂直力 = 满载 + 最大动载荷 Fv mFv0Fv
讨论： （1） 为什么动态载荷与轮胎的垂直刚度有关？ （2） 耐久性性动载系数和静强度动载系数区别？那一个大？ （3） 在那种情况下，轮胎会出现最大垂直力？
F V1m k1F V 0,F L2m F 2F V 0
F V 1m k 1 F V 0 ,F L2 m F 2F V 0
No Image
图2-9 第三种侧向力工况（左、右两侧车 轮受到的侧向力FL方向相同）
• 车桥在侧向力情况下的受力分析
强度分析的条件是最坏的工况
最大制动力工况
制动时，由于制动减速度，导致前轮载荷增加，后 轮载荷减少。加速时后轮载荷增加，前轮载荷增加。
Zg (X 1 ,X 2, ,X n)
当
Zg (X 1 ,X 2, ,X n) 0
时，结构已达极限状态，称为极限状态方程。
若仅以荷载效应S ，结构构件抗力R作为两个基本随机变量，功能函数
表示为
Z = R -S
结构功能的表达 (极限状态方程）
Z=R-S>0, 或S < R 可靠 Z=R-S=0, 或S = R 极限状态 Z=R-S<0, 或S > R 失效
竹帛烟消帝业虚， 关河空锁祖龙居。 坑灰未冷山东乱， 刘项原来不读书。
2011-11-21
第2章
汽车零部件的载荷及其强度计算方法
第2章 讲课内容
• 2.1 汽车零部件损坏形式及对策 • 2.2 各种工况下轮胎上载荷 • 2.3 发动机转矩引起的载荷 • 2.4 汽车零部件的强度计算 • 2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数
低周疲劳与高周疲劳
高周疲劳：作用于零件、构件的应力水平较低 ， 破坏循环次数一般高于10^4的疲劳 ，弹簧、传动 轴等的疲劳属此类。
低周疲劳：作用于零件、构件的应力水平较高 ， 破坏循环次数一般低于10^4的疲劳 ，压力容器的 疲劳属此类。
可靠性计算
安全系数法的缺点：
没有定量的考虑抗力和荷载效应的随机性，而是靠经验或工 程判断的方法确定，带有主观成分。定的高或低依据不充分。 以概率理论为基础的极限状态设计法：
Fzf=Lr•G+h•m• LL
Fzf
Lr L
G
h L
m aB
Fzr
Lf L
G
h L
m aB
前轴的最大制动力FBf可以表示为：
F B f F z f L L rG L h m a B F z0 f L h m a B
其中，µ是轮胎-地面附着系数
对前轮最大制动力（水平方向）与垂直力的组合为：
无限寿命
图2-12 材料疲劳wk.baidu.com度极限图
就钢材而言，当其承受正、负（拉和压）相等的交变应力时，其疲劳强 度（材料能够承受的最大应力值）随材料可以承受的交变次数的增加而 减小，如图2-11所示。当可以承受的交变次数达到107次以上时，疲劳强 度就变成了一个固定值，称其为持久极限。持久极限一般只有静强度的 40%~50%。应力低于持久极限时，材料具有无限寿命。
载荷来源
底盘、车身零部件载荷来源
内部：发动机 外部：地面、风载
防止零部件损坏对策
为了使汽车产品具有需要的工作寿命、耐久性和可靠性 （1） 设计： 进行行驶试验（包括仿真），确定载荷。 （2） 分析：对零部件进行静态应力分析，疲劳寿命估计 （3） 试验：进行强度试验、耐久性试验，检验疲劳寿命
2.2 各种工况下轮胎上载荷
（2-15） （2-16）
其中，FA2f是一个前轮上的驱动力，它是一种纵向力FA （见图2-2），FVof是一个前轮的满载静负荷；FVA2f是驱 动时一个前轮上的垂直力。
2.3 发动机转矩引起的载荷
在汽车中，如果汽车装备了手动四挡变速器，为了计算 传动轴的疲劳强度，应该采用如下公式计算转矩：
（2-19） 其中，Tt1是传动轴疲劳强度计算转矩；Temax是发动机最 大有效转矩；i3是手动四挡变速器第三挡（次高挡）的传 动比。
2.1 汽车零部件损坏形式及对策
汽车零部件损坏形式 （1） 静强度失效
一般受到冲击载荷 （2） 疲劳失效（90%）
周期性动载
讨论环节：越野车传动系统故障分析
浏河沙地比赛越野 车的战果
动载 设计 材料、铸造工艺 安装、保养和维护
FVB 2f
Fzf 2
1 2Fzf0
L hmaB1 2Fzf0
hm0.8g
L
F B 2 fm F V 2 fB 2 F z0 f L h m a B 0 2 .8 F z0 f L h m 0 .8 g
最大驱动力工况
在加速时，作用在前轮上的垂直负荷时减少的。用于静强 度计算的前轮驱动工况如下：
本质是将荷载效应S及结构抗力R看作是两个随机变量应用概 率论和数理统计的理论去研究结构的可靠度。
以概率论为基础的设计方法分为三个水准：
水准Ⅰ－半经验半概率法； 水准Ⅱ－近似概率法； 水准Ⅲ－全概率法。
三. 失效概率 Probability of failure
失效－指结构或结构的一部分不能满足设计所规定的某一功能要 求，即达到或超过了承载能力极限状态或正常使用极限状态中的 某一极限。 失效概率－指结构结构处于失效状态下的概率pf。 结构极限状态函数又称结构功能函数
2.4 汽车零部件强度计算
• 静强度许用应力 • 材料的选择
2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数
• 疲劳强度许用应力的估计 目前并无很好的预测疲劳的方法，一般通过标
准试验获取零件在不同正负交变应力循环下的疲 劳寿命，然后增加一些修正系数，描述疲劳寿命 的改变与尺寸、形状、表面加工质量等因素。
FL2mF2•FV0
最大侧向力工况
FVm 2 k2FV0,FLm 1F1FV0
其中，µ是侧向力系数
图2-8 所选择的侧向力FL的方向应该使其引 起的弯矩与垂直力FV引起的弯矩相加
讨论：
（1） 试验表明，普通轿车直线行驶时侧向力所引起的应力比转 弯行驶时要高（请问原因是什么？）。
（2） 在什么情况下，出现最大侧向力？
垂直力与侧向力联合作用
• 最大垂直力工况 • 最大侧向力工况 • 最大制动力工况 • 最大驱动力工况
FL1mF1•FV0
最大垂直力工况
最大垂直力 = 满载 + 最大动载荷 Fv mFv0Fv
讨论： （1） 为什么动态载荷与轮胎的垂直刚度有关？ （2） 耐久性性动载系数和静强度动载系数区别？那一个大？ （3） 在那种情况下，轮胎会出现最大垂直力？
F V1m k1F V 0,F L2m F 2F V 0
F V 1m k 1 F V 0 ,F L2 m F 2F V 0
No Image
图2-9 第三种侧向力工况（左、右两侧车 轮受到的侧向力FL方向相同）
• 车桥在侧向力情况下的受力分析
强度分析的条件是最坏的工况
最大制动力工况
制动时，由于制动减速度，导致前轮载荷增加，后 轮载荷减少。加速时后轮载荷增加，前轮载荷增加。
Zg (X 1 ,X 2, ,X n)
当
Zg (X 1 ,X 2, ,X n) 0
时，结构已达极限状态，称为极限状态方程。
若仅以荷载效应S ，结构构件抗力R作为两个基本随机变量，功能函数
表示为
Z = R -S
结构功能的表达 (极限状态方程）
Z=R-S>0, 或S < R 可靠 Z=R-S=0, 或S = R 极限状态 Z=R-S<0, 或S > R 失效
竹帛烟消帝业虚， 关河空锁祖龙居。 坑灰未冷山东乱， 刘项原来不读书。
2011-11-21
第2章
汽车零部件的载荷及其强度计算方法
第2章 讲课内容
• 2.1 汽车零部件损坏形式及对策 • 2.2 各种工况下轮胎上载荷 • 2.3 发动机转矩引起的载荷 • 2.4 汽车零部件的强度计算 • 2.5 汽车零部件的许用应力与安全系数
低周疲劳与高周疲劳
高周疲劳：作用于零件、构件的应力水平较低 ， 破坏循环次数一般高于10^4的疲劳 ，弹簧、传动 轴等的疲劳属此类。
低周疲劳：作用于零件、构件的应力水平较高 ， 破坏循环次数一般低于10^4的疲劳 ，压力容器的 疲劳属此类。
可靠性计算
安全系数法的缺点：
没有定量的考虑抗力和荷载效应的随机性，而是靠经验或工 程判断的方法确定，带有主观成分。定的高或低依据不充分。 以概率理论为基础的极限状态设计法：
Fzf=Lr•G+h•m• LL
Fzf
Lr L
G
h L
m aB
Fzr
Lf L
G
h L
m aB
前轴的最大制动力FBf可以表示为：
F B f F z f L L rG L h m a B F z0 f L h m a B
其中，µ是轮胎-地面附着系数
对前轮最大制动力（水平方向）与垂直力的组合为：
无限寿命
图2-12 材料疲劳wk.baidu.com度极限图
就钢材而言，当其承受正、负（拉和压）相等的交变应力时，其疲劳强 度（材料能够承受的最大应力值）随材料可以承受的交变次数的增加而 减小，如图2-11所示。当可以承受的交变次数达到107次以上时，疲劳强 度就变成了一个固定值，称其为持久极限。持久极限一般只有静强度的 40%~50%。应力低于持久极限时，材料具有无限寿命。
载荷来源
底盘、车身零部件载荷来源
内部：发动机 外部：地面、风载
防止零部件损坏对策
为了使汽车产品具有需要的工作寿命、耐久性和可靠性 （1） 设计： 进行行驶试验（包括仿真），确定载荷。 （2） 分析：对零部件进行静态应力分析，疲劳寿命估计 （3） 试验：进行强度试验、耐久性试验，检验疲劳寿命
2.2 各种工况下轮胎上载荷
（2-15） （2-16）
其中，FA2f是一个前轮上的驱动力，它是一种纵向力FA （见图2-2），FVof是一个前轮的满载静负荷；FVA2f是驱 动时一个前轮上的垂直力。
2.3 发动机转矩引起的载荷
在汽车中，如果汽车装备了手动四挡变速器，为了计算 传动轴的疲劳强度，应该采用如下公式计算转矩：
（2-19） 其中，Tt1是传动轴疲劳强度计算转矩；Temax是发动机最 大有效转矩；i3是手动四挡变速器第三挡（次高挡）的传 动比。