汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词：汽车驱动桥桥壳，有限元法，强度分析，模态分析
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎｌｙ ｌｏａｄ－ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ－ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ，
ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
插图清单
图３．１本文所研究的非断开式驱动桥……………………………………１６ 图３．２某重型载货汽车的整体式驱动桥………………………………………．１６ 图３．３全浮式半轴支承示意图…………………………………………．．１８ 图３－４全浮式半轴支承结构示意图………………………………………………１８ 图３．５可分式桥壳…………………………………………………………………………．１９ 图３－６ 整体式桥壳…………………………………………………………………．．１９ 图３．７ 组合式桥壳………………………………………………………………………１９ 图３．８ 桥壳静弯曲应力计算简图………………………………………．．２１ 图３－９ 桥壳受冲击载荷作用下的受力示意图……………………………………２２ 图３．１ ０ 汽车以最大牵引力行驶时的受力简图……………………………．．２３ 图３．１ １ 汽车以最大牵引力行驶时后桥壳的受力简图………………………．．２４ 图３．１２ 汽车在紧急制动时的受力简图………………………………………．２５ 图３．１３ 汽车紧急制动时驱动桥桥壳的受力分析简图………………………．．２６ 图３．１４汽车向右侧滑时的受力简图…………………………………………．２７ 图３．１５汽车向右侧滑时驱动桥上面车厢的受力平衡图…………………．．２８ 图３．１６汽车向右侧滑时桥壳左、右半轴套管的受力分析图………………．．２９ 图３．１ ７汽车向右侧滑时驱动桥桥壳的受力分析图和垂向弯矩图………．３０ 图４．１ 驱动桥桥壳的有限元模型………：．．………………………………３６ 图５．１ 第一阶模态振型…………………………………………………………………４０ 图５．２ 第二阶模态振型…………………………………………………………………４０ 图５．３ 第三阶模态振型……………………………………………………………．４０ 图５。４ 第四阶模态振型………………………………………………………………．４０ 图５．５ 第五阶模态振型………………………………………………………………一４０ 图５－６ 第六阶模态振型………………………………………………………………一４０ 图６．１ 板簧座处载荷简图化示意图…………………………………………………４２ 图６．２ 车轮轮毂轴承半轴套管处受约束情况的示意图…………………４２ 图６．３ 最大铅垂力工况位移变形云纹图………………………………………．４３ 图６，４ 最大位移处云纹图…………………………………………………４３ 图６．５ 最大铅垂力工况Ｍｉｓｅｓ应力分布图……………………………一４４ 图６－６ 内外轴承应力分布图……………………………………………………４４ 图６．７ 不同视角下桥壳后盖附近应力分布图………………………………．４４ 图６．８ 内、外轴承处半轴套管垂向负荷简化示意图………………………４５ 图６－９ 最大铅垂力工况下桥壳的受力分析简图…………………………４５ 图６．１０位移变形云纹图………………………………………………………………４６ 图６．１１ Ｍｉｓｅｓ应力分布图…………………ｊ………………………………４６ 图６．１２法兰附近应力分布图…………………………………………………………．．４７ 图６．１３内轴承附近应力分布图………………………………………………………．４７ 图６．１４钢板弹簧座附近应力分布图……………………………………………．．４７ 图６．１５桥壳本体中部应力分布图………………………………………………．４７ 图６．１６位移交形云纹图…………………………………………………………．．４８ 图６．１ ７ Ｍｉｓｅｓ应力分布图……………………………………………………………．．４８ 图６．１８约束处应力分布图…………“…………………………………………………４８
ｍｉｎｉｍｕｍ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＦＥＭ ｉｓ ｆａｒ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｒｏｍ ｒｏａｄ
ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｗｏｎ’ｔ ｈａｐｐｅｎ ｗｈｅｎ ｔｈｉｓ ｔｒｕｅｋ ｉｓ ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｏｎ
合肥工业大学 硕士学位论文 汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元法分析 姓名：王斌 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：牛忠荣
20071201
汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元法分析
摘要
作为汽车的主要承载件和传力件，驱动桥桥壳支撑着汽车的荷重，并将载荷传给 车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力和侧向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架 或者车厢上。根据经验和理论研究，引起桥壳破坏的主要原因是作用在桥壳上的、由 路面不平度引起的冲击力和各种复杂工况下的作用力。
ｒｏａｄ．Ｔｈｅ ａｎＭｙｚｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｅｌｌ ｕｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｕｎｄｅｒ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ
ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ，
６－ｌ ９ 钢板弹簧座附近应力分布图………………………………………４８ ６－２ Ｏ 板簧座处垂向力、切向力载荷施加示意图………………………．４９ ６－２ ｌ 板簧座处转矩简化示意图…………………………………………．５０ ６－２ ２ 最大牵引力工况位移变形云纹图…………………………………………．．５ｌ ６ －２３ 最大变形处位移分布图……………………………………．．．……………５ｌ ６ Ｉ２ ４ 最大牵引力工况Ｍｉｓｅｓ应力分布图………………………………５１ ６ ．２ ５ 内、外轴承处应力分布图……………………………………………………５１ ６ ．２ ６ 钢板弹簧座附近应力分布图………………………………………５１ ６ － ２ ７ 月牙口附近应力分布图……………………………………………………５１ ６－２ ８ 最大制动力工况位移变形云纹图……………………………………．５３ ６－２ ９ 最大变形处位移云纹图……………．．……………………………………．５３ ６－３ Ｏ 最大制动力工况Ｍｉｓｅｓ应力分布图……………………………………．５３ ６。 ３ ｌ 内轴承附近应力分布图………………………………：…………～５３ ６－３２ 桥壳本体中部应力分布图…………………………………………一５３ ６． ３ ３ 钢板弹簧座处应力分布图……………………………………………．５３ ６Ｉ３ ４ 最大侧向力工况下桥壳的受力分析简图…………………………．．…．５４ ６－３ ５ 最大侧向力工况位移变形云纹图…………………………………………５５
ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｂｅａｒｓ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒｓ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｔｏ ｔｈｅ
ｗｈｅｅｌ．Ｂｙ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ，ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ ａｃｔｅｄ ｏｎ
对某样车后桥壳的有限元分析结果显示，桥壳内的最大Ｍｉｓｅｓ应力小于许用应力 值，该桥壳满足强度要求；桥壳的每米轮距最大变形量小于国标规定的１．５ｒｎｍ／ｍ，满 足刚度要求；计算得到的最低阶固有频率远大于路面激励频率，路面行驶不会引起桥 壳共振。计算结果表明，在汽车各种行驶条件下该桥壳是安全可靠。
针对桥壳的应力分布和变形特点，建议该桥壳适当地减小局部尺寸，以提高材料 的利用率，达到轻量化要求。
ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ。
Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｗａｙｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ
ｏｆ ｏｎｅ ｍｅｄｉｕｍ ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＦＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ ｉｎ ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ３－Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｆｏｕｒ ｔｙｐｉｃａｌ
ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ
பைடு நூலகம்
ｍａｘｉｍｕｍ ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔｗｅｌｖｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｍｏｄｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｆｒｅｅ
ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．
ｄｙｍｎｉｃ ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ．Ｔｈｕｓ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ．
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ
由于汽车的行驶工况比较复杂，驱动桥桥壳的强度和动态性能直接影响汽车运行 安全，合理地设计桥壳也是提高汽车平顺性和舒适性的重要措施之一。因此，必须对 桥壳强度、刚度和动态特性进行力学分析。
本文以有限元法静、动态分析理论为基础，使用有限元软件ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ， 对某中型货车的驱动桥壳进行力学性能分析。完成了从三维几何建模到有限元分析的 整个过程，得出桥壳在最大铅垂力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧 向力工况四种典型工况下的应力分布和变形结果以及在自由状态下的前１２阶固有频 率和振型。
ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ－ｃｅｎｔｅｒ—ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ
ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １，５ｍｍ／ｍ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｔｈｅ
ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ
ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ．Ｓｏ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ
ｓｏｍｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ．
ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ａｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｒａｍｅ ｏｒ ｃａｒｒｉａｇｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ
ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｃｒａｓｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｏｆ
ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｓｅｓ ａｒｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｂｅａｒｓ ｔｈｅ
ｍａｘｉｍｕｍ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ
ｔｈｅ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｆｏｒｃｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈａｒｄ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．
Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎｌｙ ｌｏａｄ－ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ－ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ，
ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
插图清单
图３．１本文所研究的非断开式驱动桥……………………………………１６ 图３．２某重型载货汽车的整体式驱动桥………………………………………．１６ 图３．３全浮式半轴支承示意图…………………………………………．．１８ 图３－４全浮式半轴支承结构示意图………………………………………………１８ 图３．５可分式桥壳…………………………………………………………………………．１９ 图３－６ 整体式桥壳…………………………………………………………………．．１９ 图３．７ 组合式桥壳………………………………………………………………………１９ 图３．８ 桥壳静弯曲应力计算简图………………………………………．．２１ 图３－９ 桥壳受冲击载荷作用下的受力示意图……………………………………２２ 图３．１ ０ 汽车以最大牵引力行驶时的受力简图……………………………．．２３ 图３．１ １ 汽车以最大牵引力行驶时后桥壳的受力简图………………………．．２４ 图３．１２ 汽车在紧急制动时的受力简图………………………………………．２５ 图３．１３ 汽车紧急制动时驱动桥桥壳的受力分析简图………………………．．２６ 图３．１４汽车向右侧滑时的受力简图…………………………………………．２７ 图３．１５汽车向右侧滑时驱动桥上面车厢的受力平衡图…………………．．２８ 图３．１６汽车向右侧滑时桥壳左、右半轴套管的受力分析图………………．．２９ 图３．１ ７汽车向右侧滑时驱动桥桥壳的受力分析图和垂向弯矩图………．３０ 图４．１ 驱动桥桥壳的有限元模型………：．．………………………………３６ 图５．１ 第一阶模态振型…………………………………………………………………４０ 图５．２ 第二阶模态振型…………………………………………………………………４０ 图５．３ 第三阶模态振型……………………………………………………………．４０ 图５。４ 第四阶模态振型………………………………………………………………．４０ 图５．５ 第五阶模态振型………………………………………………………………一４０ 图５－６ 第六阶模态振型………………………………………………………………一４０ 图６．１ 板簧座处载荷简图化示意图…………………………………………………４２ 图６．２ 车轮轮毂轴承半轴套管处受约束情况的示意图…………………４２ 图６．３ 最大铅垂力工况位移变形云纹图………………………………………．４３ 图６，４ 最大位移处云纹图…………………………………………………４３ 图６．５ 最大铅垂力工况Ｍｉｓｅｓ应力分布图……………………………一４４ 图６－６ 内外轴承应力分布图……………………………………………………４４ 图６．７ 不同视角下桥壳后盖附近应力分布图………………………………．４４ 图６．８ 内、外轴承处半轴套管垂向负荷简化示意图………………………４５ 图６－９ 最大铅垂力工况下桥壳的受力分析简图…………………………４５ 图６．１０位移变形云纹图………………………………………………………………４６ 图６．１１ Ｍｉｓｅｓ应力分布图…………………ｊ………………………………４６ 图６．１２法兰附近应力分布图…………………………………………………………．．４７ 图６．１３内轴承附近应力分布图………………………………………………………．４７ 图６．１４钢板弹簧座附近应力分布图……………………………………………．．４７ 图６．１５桥壳本体中部应力分布图………………………………………………．４７ 图６．１６位移交形云纹图…………………………………………………………．．４８ 图６．１ ７ Ｍｉｓｅｓ应力分布图……………………………………………………………．．４８ 图６．１８约束处应力分布图…………“…………………………………………………４８
ｍｉｎｉｍｕｍ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＦＥＭ ｉｓ ｆａｒ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｒｏｍ ｒｏａｄ
ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｗｏｎ’ｔ ｈａｐｐｅｎ ｗｈｅｎ ｔｈｉｓ ｔｒｕｅｋ ｉｓ ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｏｎ
合肥工业大学 硕士学位论文 汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元法分析 姓名：王斌 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：牛忠荣
20071201
汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元法分析
摘要
作为汽车的主要承载件和传力件，驱动桥桥壳支撑着汽车的荷重，并将载荷传给 车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力和侧向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架 或者车厢上。根据经验和理论研究，引起桥壳破坏的主要原因是作用在桥壳上的、由 路面不平度引起的冲击力和各种复杂工况下的作用力。
ｒｏａｄ．Ｔｈｅ ａｎＭｙｚｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｅｌｌ ｕｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｕｎｄｅｒ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ
ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ，
６－ｌ ９ 钢板弹簧座附近应力分布图………………………………………４８ ６－２ Ｏ 板簧座处垂向力、切向力载荷施加示意图………………………．４９ ６－２ ｌ 板簧座处转矩简化示意图…………………………………………．５０ ６－２ ２ 最大牵引力工况位移变形云纹图…………………………………………．．５ｌ ６ －２３ 最大变形处位移分布图……………………………………．．．……………５ｌ ６ Ｉ２ ４ 最大牵引力工况Ｍｉｓｅｓ应力分布图………………………………５１ ６ ．２ ５ 内、外轴承处应力分布图……………………………………………………５１ ６ ．２ ６ 钢板弹簧座附近应力分布图………………………………………５１ ６ － ２ ７ 月牙口附近应力分布图……………………………………………………５１ ６－２ ８ 最大制动力工况位移变形云纹图……………………………………．５３ ６－２ ９ 最大变形处位移云纹图……………．．……………………………………．５３ ６－３ Ｏ 最大制动力工况Ｍｉｓｅｓ应力分布图……………………………………．５３ ６。 ３ ｌ 内轴承附近应力分布图………………………………：…………～５３ ６－３２ 桥壳本体中部应力分布图…………………………………………一５３ ６． ３ ３ 钢板弹簧座处应力分布图……………………………………………．５３ ６Ｉ３ ４ 最大侧向力工况下桥壳的受力分析简图…………………………．．…．５４ ６－３ ５ 最大侧向力工况位移变形云纹图…………………………………………５５
ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｂｅａｒｓ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒｓ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｔｏ ｔｈｅ
ｗｈｅｅｌ．Ｂｙ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ，ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ ａｃｔｅｄ ｏｎ
对某样车后桥壳的有限元分析结果显示，桥壳内的最大Ｍｉｓｅｓ应力小于许用应力 值，该桥壳满足强度要求；桥壳的每米轮距最大变形量小于国标规定的１．５ｒｎｍ／ｍ，满 足刚度要求；计算得到的最低阶固有频率远大于路面激励频率，路面行驶不会引起桥 壳共振。计算结果表明，在汽车各种行驶条件下该桥壳是安全可靠。
针对桥壳的应力分布和变形特点，建议该桥壳适当地减小局部尺寸，以提高材料 的利用率，达到轻量化要求。
ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ。
Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｗａｙｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ
ｏｆ ｏｎｅ ｍｅｄｉｕｍ ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＦＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ ｉｎ ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ３－Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｆｏｕｒ ｔｙｐｉｃａｌ
ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ
பைடு நூலகம்
ｍａｘｉｍｕｍ ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔｗｅｌｖｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｍｏｄｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｆｒｅｅ
ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．
ｄｙｍｎｉｃ ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ．Ｔｈｕｓ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ．
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ
由于汽车的行驶工况比较复杂，驱动桥桥壳的强度和动态性能直接影响汽车运行 安全，合理地设计桥壳也是提高汽车平顺性和舒适性的重要措施之一。因此，必须对 桥壳强度、刚度和动态特性进行力学分析。
本文以有限元法静、动态分析理论为基础，使用有限元软件ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ， 对某中型货车的驱动桥壳进行力学性能分析。完成了从三维几何建模到有限元分析的 整个过程，得出桥壳在最大铅垂力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧 向力工况四种典型工况下的应力分布和变形结果以及在自由状态下的前１２阶固有频 率和振型。
ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ－ｃｅｎｔｅｒ—ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ
ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １，５ｍｍ／ｍ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｔｈｅ
ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ
ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ．Ｓｏ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ
ｓｏｍｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ．
ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ａｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｒａｍｅ ｏｒ ｃａｒｒｉａｇｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ
ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｃｒａｓｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｉｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｏｆ
ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｓｅｓ ａｒｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｘｌｅ ｈｏｕｓｉｎｇ ｂｅａｒｓ ｔｈｅ
ｍａｘｉｍｕｍ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ
ｔｈｅ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｆｏｒｃｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈａｒｄ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．
Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ