驱动后桥设计中的有限元分析设计

【摘要】：在我国，高速发展的经济水平驱动下，汽车行业也随之进入一个新的时期，卡车和客车的在人们生活中的需求量也逐渐加大，在卡车性能方面也有了更高的要求，这种情况下，传统的卡车驱动后桥设计对目前汽车设计所需已经远远不能满足。因为驱动后桥在汽车中，属于其重要的传动件及承载件，同时也是保证车辆能够安全驾驶的关键零部件，所以，驱动后桥的性能与使用寿命对车辆的使用期限有直接性的影响。由此可见，驱动后桥必须要有足够的刚度、疲劳耐久度以及强度。

【关键词】：驱动后桥，客车，卡车，有限元分析，设计，车辆使用寿命

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

一. 前言

汽车的后桥驱动是主要的汽车承载构件，它最主要的用途是对汽车的质量进行支撑，同时也对车轮对路面的反力予以承受，然后由悬架向车身进行传输。此外后桥驱动也是装配差速器、 以及半轴的车辆基体部件。因此，后桥驱动必须要有良好的质量和足够大的刚度和硬度，这样有利于车辆主要减速器的调整与拆装。此外，由于后桥壳的质量与尺寸相对来说都很大，所以在对其制造的时候就比较困难，所以，驱动后桥的结构模型在达到使用要求满足的同时，要尽量的方便对其制造。车辆的驱动后桥壳主要有分段式、整体式以及组合式三大类桥壳。而其桥壳整体的刚度与强度都非常大，而且方便减速器的维修、装配及调整，所以，后桥驱动被广泛应用于各种车辆当中。

高速发展的经济水平驱动下，汽车行业也随之进入一个新的时期，卡车和客车的在人们生活中的需求量也逐渐加大，在卡车性能方面也有了更高的要求，这种情况下，传统的卡车驱动后桥设计对目前汽车设计所需已经远远不能满足。因为驱动后桥在汽车中，属于其重要的传动件及承载件，同时也是保证车辆能够安全驾驶的关键零部件，所以，驱动后桥的性能与使用寿命对车辆的使用期限有直接性的影响。由此可见，驱动后桥必须要有足够的刚度、疲劳耐久度以及强度。

二. 驱动后桥的受力分析与后桥强度的计算

可以将驱动后桥当做一个空心的横梁，将轮毂轴承的两端在车轮上进行支撑，沿着轮胎的左右中心线，然后使地面对轮胎形成一种反力，车轮的重力与后桥壳承受力之差，其受力情况如图1所示。

图1：驱动后桥壳受力情况简图

在分析后桥壳的强度时，可以将其繁琐的受力情况做三种计算工况的简化，也就是：最大的车轮切向力、车轮所承受的最大铅垂力以及侧向力。在这三种有限元法计算的情况下，才能够保证后桥壳有足够的强度，这种后桥壳的卡车，在任何驾驶条件中都是非常可靠的。具体计算方法如下：

a. 在制动力或者是牵引力达到最大时，卡车驱动后桥的钢板弹簧座的位置，所面临断面弯曲度所承受的应力，与对其进行扭转时所承受的应力r用公式表示为：（公式一），T=（公式二），其中，Mv表示车轮的驱动后桥壳反力在地面上所引起的弯曲距离，用公式表示为Mv=m′2G2/2。

b. 在卡车的侧向面达到最大的情况下，后桥的外板弹簧处以及桥壳内部弯曲时所承受的应力a0和a1用公式表示分别是：（公式三），a0=（公式四），其中，K表示动载荷的系数。K的数值对货车来说一般为2.0，对轿车来说则是1.75，而对越野车来说是2.5.

通过有限元的计算，对驱动后桥的强度进行分析，在对约束受力情况处理的比较合理、对模型的简化性计算的比较得当的情况下mHi43LCMm3hX87cidht+hA==，就能够得出非常详尽的变形及应力分布情况，这些用传统的方法是很难做到的。

三. 后桥有限元的建立

为保证汽车后桥在工作中的可靠与安全性能，在进行驱动后桥设计时，必须达到车辆变形与应力的最大要求，车辆局部集中的应力不该造成桥壳的变形或者断裂。所以，对车辆后桥驱动变形与应力进行有效的分析，对其工作安全性的提高意义重大。目前，车辆尤其是卡车或者客车的后桥驱动结构比较复杂，而且基于不断变化着的汽车驾驶条件，用传统的计算方法对后桥壳的变形大小及其各方面应力的计算很难达到精确的程度。而运用有限元的对后桥驱动进行分析与计算，其精确结果有很大的提高。

后桥驱动中的有限元分析法以其离散化为基本思想。有限元将机械的结构或者弹性体分为在互相连接着的很多节点上的单位，同时，对每个单位进行内部位移的模型假设，并用多个位移节点对其进行描述。这种情况下，只要求解所分析对象的位移节点，就能得出所受的应力及其单位变形力，也不用对其弹性无限域进行求解。

在分析通常情况下的有限元时，会习惯性的把研究对象进行理想化，分析后桥驱动设计中的有限元时的假设是：a.假设驱动后桥壳与半轴套管是非装配的、一体的，也就是说，不用对焊接材料性能的变化予以考虑；b. 用均质线弹性制成后桥驱动的材料。

基于驱动后桥的几何模型非常复杂，所以在对其受力的分析不会造成影响的情况下，可以简化驱动后桥壳的实体，对用钢板弹簧制成的U型螺栓约束桥壳下半周的性能予以去除，将轴承作用于桥壳的力转变为分布力。由于后桥壳属于那种不规则的曲面，所以，要先用三维的模型软件对实体进行三维建模，再用后桥驱动有限元对ANSYS输入数据的接口进行分析，最后制成实体模型。计算这种模型时，通常采用的是SHELL63，这种板壳单元的挠度、应变以及转动的线性及弹性性能比较大，同时还有很刚化的应力，对SHELL63进行选取时，使驱动后桥的有限元分析能够使其受力状态更加接近于真实性。此为每一个节点处都含有6个自由转度，即：绕x、y、z方向的转动以及x、y、z平动，对有限元的网格进行划分，是在对驱动后桥的结构分块的原则。基于这一原则，驱动后桥壳的网格模型被设计出来，整个桥壳模型一共有19522个单位以及19516个节点（如图1）。

四. 分析后桥有限元模型的设计

在对货车在满载的情况下，1500毫米的车轮距离，13吨的轴荷，710毫米的板簧间距，9000的板簧座表面积，1476.3N的应受板壳重力进行分析。板壳主要实体的材料运用高强度的低合金钢制成，这种材料所经受的最大屈服度是345Mpa，其外部所插入的车轮轴管所用的材料主要是合金结构钢，这种材料所经受的最大屈服度大约是785Mpa..其中，这两种主体材料的泊松比与弹性模量相同，其度量值是：泊松比u=3/10，弹性模量E=206×103MPA。

在分析后桥壳的有限模型时，在静力学的分析分为最大切向力和铅垂力两种状况，对每侧的车轮中线进行约束，同时对两端的间支撑进行模拟。出现最大的侧向力状况时，对车轮中线的侧翻一侧进行约束，使其能够实现支承的固定性。这种约束性的出来方式，使得实际情况和对车轮轴承安装时其附近所承受的应力有一定的差异性，但是，对后桥壳其他的应力分布部位不会有任何影响，究其原因，主要是在车轮位于侧向力的情况下，使得整个后桥驱动的受力面主要向轮轴承周围进行集中，这种情况下，对后桥驱动的其他部位所受约束力的影响不大，几乎可以忽略不计。

4.1.驱动后桥壳的受力分析

4.1.1.变性分析

驱动后桥在载荷的冲击影响下，其轴向的变形、整体的变形、纵向的变形以及垂向的变形情况都相似于车辆满载时的状况。这种情况的垂向位移最大值是0.541毫米，轴向位移最大值是0.224毫米

4.1.2.应力分析

在荷载冲击的影响下，车辆应力最大值是317MPA，如果位于钢板弹簧座的附近，那么车轮应力值大部分主要是在35-70MPA区间，应力比较集中的位置，其应力值大约是140MPA。

4.2.驱动后桥壳的总体分析

如果要根据驱动后桥最大承受垂力的情况，对其方法与步骤进行分析，则结论为以下情况：

（1） 变形分析

在汽车的载荷冲击受到最大位移的后桥轴向影响时，其变形大小是0.224毫米，在汽车的载荷冲击受到最大位移的后桥垂向影响时，中央和两端最大的位移是0.541毫米，在汽车行驶时，所用的最大牵引力受到最大位移的桥壳纵向影响时，中央和两端最大的纵向位移是0.224毫米。

（2） 应力分析

如果出现临界的汽车侧翻的情况，车轮的内侧轴承位置会有最大的感应力，其应力大小是631MPA，比车轮轴管的屈服度要小785MPA，此外在载荷冲击的影响下，应力达到最大的情况主要发生在后桥壳弹簧座的周围，最大应力大小afa54d8593d8ff63461ba0ccf93a6034是188MPA，比后桥壳的屈服度要小345MPA，驱动后桥壳的强度基本上与其要求相符合。

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