电动小型货车驱动桥壳的有限元分析

摘 要：本文以某型号电动货车为研究对象，分析了驱动桥壳在三种极限工况下的受力特点。运用SolidWorks软件绘出驱动桥壳的简化三维模型，然后转化为STEP文件导入ANSYS软件中进行材料定义、网格划分生成有限元模型。基于此模型进行三种极限工况下的有限元分析，得出相应工况下的应力应变云图。并分析仿真结果，可得桥壳在三种极限工况下的变形和应变满足强度和刚度要求。

关键词：驱动桥壳 SolidWorks ANSYS 有限元分析

0 引言

随着世界对能源的重视，新能源车辆特别是电动汽车的飞速发展引起了普遍重视。电动小型货车作为新能源车的重要组成部分，其驱动桥壳技术也呈现出新的发展趋势。在市场中小型电动货车在物流运输，环保出行等领域起着重要支撑作用，因此电动小型货车的需求不断增长，对驱动桥壳技术性能方面也提出了更高要求。目前，国内外学者已对汽车驱动桥壳进行了大量的研究，主要集中在材料选择、结构设计、制造工艺和性能分析等方面。然而，针对电动小型货车驱动桥壳的有限元分析相对较少，尤其是考虑到电动汽车特殊工况下的性能需求，这一领域还有较大的研究空间。

本文以某型号电动小型货车驱动桥壳为研究对象，对汽车驱动桥壳在三种极限工况下进行有限元分析，校核最大应力值及最大变形量是否满足强度刚度要求。

1 驱动桥壳的简化模型建立

1.1 车辆设计参数

车辆参数如表1所示，驱动电机参数如表2。

1.2 驱动桥壳的三维建模

本文是后驱动桥与燃油车结构相似，电动驱动桥壳由左右半轴套管，和桥壳本体组成。在SolidWorks软件中通过草图绘制和凸台拉伸等建立三维模型，然后通过装配将半轴套管和桥壳本体连接在一起形成完整的驱动桥壳如图1所示。

构建精确的驱动桥壳模型是研究的核心前提，有限元分析采用简化的驱动桥壳模型。因此，对非关键特征如倒角、定位孔，和对整体力学性能影响不显著的工艺细节，可以适当去除，以减少网格划分时的复杂度，提高网格的精度和数量。这种简化处Ydxtp+IdLa4HtMYl/7vrn3EGX4jS3D1X9/oQkIMW/9E=理不仅有助于提升有限元分析的运算效率和精度，还能使模型更加简洁明了，便于后续的分析和研究。

2 驱动桥壳的静力学分析

2.1 定义材料特性

将驱动桥壳三维模型文件转换为STEP文件后导入ANSYS软件中进行材料选择，在此选择合金钢，材料性能参数如表3所示。

网格划分：有限元分析中有两种网格划分方法，一种是四面体网格，一种是六面体网格，六面体网格在划分网格数量和计算精度方面及变形特性等方面有良好表现，本文选择六面体网格划分，定义网格尺寸为10mm，将其进行网格划分。

2.2 满载工况

当模仿电动车辆以恒定速度驶过波动路面时，车辆壳体将承受来自静止车辆的垂直重力以及由不平坦路面引发的额外动态冲击负荷。所以，在计算车桥壳的静态弯曲应力时，我们必须同时考虑这两种载荷的作用。这样可以确保计算结果的准确性，并更全面地了解桥壳在实际工作条件下的性能。对于本车所处的满载工况，我们假设前轴荷载为33%，后轴荷载为67%。若本车满载重量为5000kg，则后桥壳所承受的车身重力G2可以通过以下方式计算：

式中：为电动货车后桥所分配的质量（kg）；

当轻型货车在崎岖路面上行驶时，桥壳不仅需要承受静止状态下所分配的车身载荷，还需额外承受因车身上下运动而产生的冲击载荷。为了量化这种冲击载荷，我们引入了动载荷系数的概念。动载荷系数通常用于估算不平路面上车辆所承受的附加载荷。对于一般轿车或客车，动载荷系数常设为1.75；对于轻型货车，该系数通常取为2.5：

那么桥壳两端弹簧座处受到的总载荷为：

通过计算=58625N。

经过ANSYS Workbench中的静态结构模块分析由图2的应力云图可知，在最严苛的负载冲击条件下，桥梁外壳所承受的最高应力水平为129MPa，这一峰值应力主要集中于弹簧座周围的区域。该部件是由铝合金材料制成，根据其力学特性，这种材料的屈服极限高达275MPa。为确保结构强度满足设计标准，部件的运行应力应低于其材料的允许应力水平。通常，塑性材料的允许应力是其屈服极限除以一个安全系数。在进行驱动桥壳的结构校验时，通常会采用1.5作为安全系数。因此，通过计算得出弹簧座位置的允许应力为183.3MPa。仿真结果表明，最大应力低于此允许应力值，说明在给定的工作条件下，桥壳的强度符合要求。

由图3的应变云图可知，在该工作条件下，最大弯曲出现在桥壳结构部分，测量到的变形程度为1.04mm。按照《汽车驱动桥壳台架试验评价指标》这一国家标准，在满载状态下，允许的每米轴长的最大变形限度被规定为1.5mm。经过对比分析，有限元分析得出的变形数值低于国家规定的最大容许值，因此可以判定，在此工作环境下，驱动桥壳的刚度符合要求。

2.3 最大侧向力工况

在汽车行驶过程中进行急转弯时，会经历一个称为“最大侧向力”的特定工况。在这一工况下，外侧车轮可能达到滑动的临界点，此时内侧车轮承受着主要的弯矩载荷。在这种情况下，通常可以忽略车辆前进方向的牵引力，因为侧向力和弯矩是主导因素。

约束条件：X方向平动自由度：驱动桥壳弹簧座在X方向上的移动被限制，即车辆在该方向上不会发生位移。Y和Z方向转动自由度：驱动桥壳在Y和Z方向上的旋转被约束，确保在这些方向上不会发生旋转运动。

载荷施加：（1）垂向载荷：在驱动桥壳半轴套管上施加一个沿着Y轴负方向的力，模拟在最大侧向力时的垂向载荷。这个力主要由车辆重量和转弯时的惯性力组成；（2）侧向力：沿着Z轴负方向施加一个侧向力，模拟在急转弯时车辆受到的向外侧滑动的力。这个力的大小取决于转弯的半径、速度、车辆质量以及轮胎与地面的摩擦系数；（3）转矩：在绕着Z轴的负方向上施加一个转矩，模拟由于侧向力和轮胎与地面摩擦力产生的旋转力矩。这个转矩影响车辆的操控性和稳定性。

此工况下，侧滑条件为：

式中：取1.0；

假设此时车辆处于满载高速右转弯，

式中：——左侧车轮地面支持力；——右侧车轮地面支持力；

经过ANSYS Workbench中的静态结构模块分析由图4、图5可知最大应力发生在桥壳本体上且应力为146.87Mpa，最大变形为0.827mm，因此可以判定，在此工作环境下，驱动桥壳的强度和刚度均符合要求。

2.4 最大制动工况

在车辆处于理想的直线行驶状态，且不考虑侧向力的情况下，车辆主要受到两种力的作用：地面对后驱动桥左右车轮的垂向反力，以及地面给予汽车行驶方向反向的切向制动力和制动力矩。

代入数据到式（2-10）、（2-11）可得

通常情况下可在一定范围内选取，本文取0.9

制动所产生的制动力矩为：

经过ANSYS Workbench中的静态结构模块分析得到图6、图7最大应力为 44.76Mpa ，最大变形为0.417mm ，满足强度和刚度要求。

3 结论

本文以某型号电动小型货车为研究对象，介绍运用 SolidWorks/ANSYS Workbench软件进行静力学仿真分析。得出驱动桥壳在三种极限工况下的最大主应力均低于材料的屈服极限，满足强度要求，最大变形均符合国家标准规定的载重汽车桥壳每米变形1.5mm的要求。通过对结构的静态分析为桥壳的疲劳寿命分析和结构设计优化奠定了基础。

基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目“基于复杂工况环境感知路面的车辆路噪主动控制研究”（GJJ2202416）。

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