基于UG的某汽车驱动桥壳静力学分析

许星月 陈晨 苏蓉 韩晓标 尹宗军 王清清

摘 要：文章通过UG仿真下的有限元分析对后驱动桥壳进行了结构静力学分析，得到了桥壳在四种典型工况下的的应力应变云图。结果表明该驱动桥壳满足强度要求和最大变形量的要求，该研究对驱动桥的结构设计具有一定的学术价值。

关键词：驱动桥壳;有限元;静力学分析

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）04-115-04

Static Analysis of the Drive Axle Shell of an Automobile Based on UG^*

Xu Xingyue¹， Chen Chen¹， Su Rong^1，2， Han Xiaobiao¹， Yin Zongjun^1*， Wang Qingqing¹

（ 1.Anhui Institute of Information Technology， School of Mechanical Engineering， Anhui Wuhu 241100;2.Anhui Institute of Information Technology， Office of the Principal， Anhui Wuhu 241100 ）

Abstract： The structural statics of the rear drive axle housing is analyzed by the finite element analysis under the UG simulation， and the stress-strain nephogram of the axle housing under four typical working conditions is obtained. The results show that the drive axle shell meets the requirements of strength and maximum deformation. Our research has certain academic value for the structural design of the drive axle.

Keywords： Drive axle housing; Finite element analysis; Static analysis

CLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）04-115-04

前言

驱动桥壳是汽车传动系统中驱动桥的主要零部件之一，其设计分析水平对整车性能有较大的影响。驱动桥是汽车在实际行驶工况下工作环境较为为恶劣的总成之一，其桥壳承受着来自地面与汽车悬架之间的所有载荷和力矩，因此对桥壳强度、刚度和动态特性的合理设计对汽车的安全性、操纵稳定性等会有明显的提升。

吴超^[1]运用有限元法研究了驱动桥壳在最大铅垂力工况下的静力分析。杨朝会^[2]对载货汽车驱动桥壳进行了强度计算和有限元模拟分析，得出了零件的应力和变形分布。刘为^[3]认为传统的桥壳设计采用经验设计的方法，存在設计周期长，成本高等弊端。随着计算机和CAE技术的发展，有限元分析技术越来越多的应用于桥壳设计和分析中。王文竹^[4]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工况的等效应力和变形。

本文通过某车型驱动桥壳结构参数建立起三维参数模型，后通过NX高级仿真模块进行桥壳的模态分析，得到自由模态下的固有频率及振型，为桥壳后续的轻量化研究提供了理论依据。

1 汽车后座的静力学分析

1.1 有限元模型的建立

其中材料的弹性模量为2×10⁵MPa，泊松比为0.28，材料密度为7.65e-6kg/mm³。本模型采用的是3D四面体网格划分的方法，网格节点数为10，网格大小为18mm，共生成52678个节点，26396个单元。如图1所示：

1.2 冲击载荷工况

由上述可知，满载时驱动桥壳板簧座所受最大垂直力为3.8N/mm²（MPa），此工况下只考虑最大垂直力。对两端半轴套管施加固定约束，如图2所示：

此桥壳在冲击载荷工况下由NX Nastran所得的变形图（图3）和Von Mises（图4）如下：

从图3节点的位移幅值图可以看出，桥壳在加载以后，受力变形，其最大的位移處于桥壳的中间位置，最小的位移即是被固定约束的地方。这是由于在冲击载荷工况下载荷主要集中在钢板弹簧座处，对两端半轴套管进行约束后，使得桥壳的中间位置以半轴套管为中心向下发生变形，从位移图中可以看出中间位置变形量较大。每米轮距变形量为0.558/ 1.6=0.35mm/m，远小于规定的1.5mm/m，符合国家相关规定。

从图4单元的应力云图可以看出，单元的最大应力出现在了半轴套管约束处，为223.85MPa，不影响分析。这是由于在冲击载荷工况下对半轴套管进行了固定约束，桥壳受到冲击时，两端板簧座对桥壳有向下的垂直力的作用，中间圆弧位置存在着过渡面，并在力的作用下挤压变形，从而导致半轴套管处受到较大的应力，各处的应力值分布也相对合理。

1.3 最大牵引力工况

汽车以最大牵引力（驱动力）行驶时，不考虑侧向所受到的力，且发动机工作在最大转矩，该工况桥壳承受垂直力和轮胎切向最大牵引力。

1）垂直力：

对驱动桥壳板簧座施加固定约束，载荷施加在两端半轴套筒上，如图5所示：

对驱动桥壳板簧座施加固定约束，载荷施加在两端半轴套筒上，如图5所示：

此桥壳在最大牵引力工况下由NX Nastran所得的变形图（图6）和Von Mises图（图7）。

从图6节点的位移幅值图可以看出，桥壳在加载以后，受力变形，其最大的位移处于桥壳的中间位置和两端套筒端点处，最小的位移即是被固定约束的地方。这是由于施加边界条件时，根据最大驱动力时的受力分布，主要的在载荷施加在两端套筒处，对两端上板簧进行固定约束，使得在该工况下桥壳中间位置变形量较大。而两端套筒受到最大切向牵引力。每米轮距变形量为0.524/1.6=0.33mm/m，远小于规定的1.5mm/m，符合国家相关规定。

从图7单元的应力云图可以看出，最大应力出现在板簧座约束处，为326.75MPa。这种情况的出现，与加载位置和约束位置有关。在最大驱动力工况下，桥壳中间区域由于圆弧过渡面的存在，在力的作用下有一个渐变的变化趋势，应力也较为集中在此处。此工况下从整个桥壳的单元应力分布来看，各处的应力分布也都在规定范围内，分布也都较为符合实际。

1.4 最大制动力工况

该工况下，驱动桥壳主要承受垂直力和切向最大制动力。此工况下载荷约束施加情况类比于最大牵引力力工况，垂直力同最大牵引力工况，切向最大制动力为：

约束两端板簧座，对套筒施加载荷，如图8所示：

此桥壳在最大制动力工况下由NX Nastran所得的变形图（图9）和Von Mises图（图10）。

由图中可以看出，节点的位移小于国家规定的1.5mm/m，而单元最大应力为294.27MPa，考虑应力集中的影响，与理论值基本吻合。

1.5 最大侧向力工况

最大侧向力工况下，汽车处于临界侧滑工况，驱动桥所受载荷由侧滑方向一侧的车轮承担。这是一种极度危险的工况，会导致车辆发生侧翻。该工况下，行驶中的汽车只有单侧的车轮承受所有的车身在垂直方向上的载荷和最大侧向力。桥壳的这种临界状况在实际中应避免发生，但是在理论分析上作为一种极限工况，对汽车的安全性与操纵稳定性来讲有其研究分析的价值，通过研究降低其风险。

单侧车轮所承受的垂直力为车重G，最大侧向力也为G。载荷与约束情况如图11所示：

此桥壳在最大侧向力工况下由NX Nastran所得的变形图（图12）和Von Mises图（图13）。

由12图可知，最大节点位移出现在侧滑方向端半轴套管的端部，其值为0.555mm，每米轮距变形量为0.33mm/m，符合1.5mm/m的国家标准。最大侧向力工况下的单元最大应力发生在半轴套管端部，最大值为312.39MPa（如图13所示），小于许用应力值。

2 结论

本文对某汽车驱动桥壳在各种典型工况下的进行了结构静力学分析，我们可以看出该车型下的驱动桥壳的应力分布能满足整车设计与车辆行驶要求。但是驱动桥壳的节点位移变形图与单元的应力云图显示，在四种典型工况下冲击载荷工况与最大侧向力工况下位于驱动桥壳钢板弹簧与桥壳中心圆弧过渡面处的节点的位移变形过于明显且单元的应力最大值均位于此处，为危险区域，多次分析过后发现此处并非随机点，会对桥壳的使用寿命造成较大影响^[4]。

参考文献

[1] 吴超，廖敏，业红玲.基于有限元方法的汽车驱动桥壳分析[J].智能制造， 2015（4）：45-48.

[2] 杨朝会，王丰元，马浩.基于有限元方法的载货汽车驱动桥壳分析[J].农业装备与车辆工程， 2006（10）：19-21.

[3] 刘为.汽车后驱动桥壳有限元分析[D].合肥工业大学， 2012.

[4] 王文竹，程勉宏，刘刚.汽车驱动桥壳的有限元分析[J].沈阳航空航天大学学报， 2008， 25（3）：38-40.