基于Solidworks 轻型货车前桥有限元仿真分析

郑永杰，闫小军，王振兴，高宇晗

（河北建筑工程学院，河北 张家口 075000）

前桥通过悬挂系统与车架相连，两端安装车轮，用以在车架与车轮之间传递各种作用力及其力矩，并利用转向传动机构使两转向轮转角按一定关系变化进而实现汽车的转向，因其兼具承载和转向作用，所以它是汽车的主要安全部件之一[1]。因此前桥在极限工况下的受力分析成为大家关注的焦点。

王曼[2]利用CATIA 软件对某型号汽车驱动桥建模，并对其进行模态和谐响应分析，得到了驱动桥在路面激励时各零部件的振动频率；朱文艳[3]等人利用Pro/E 对某型号乘用汽车驱动桥壳进行建模，通过对其在不同工况下的静力学分析，得到对应的应力应变云图；王宏[4]等人利用CATIA 对某型号驱动桥壳建模，得到其在不同工况下的受力情况。

上述文章中，研究的都是驱动桥壳在不同工况下的受力分析。本文主要针对由转向节、主销、横梁等构成的轻型货车前桥进行研究。主要内容有：前桥的结构型式选择、前桥各主要零件在制动、侧滑、不平路面等工况下的受力情况。计算并确认前桥各部件的基本尺寸，利用Solidworks 软件对车桥的前梁、转向节进行了建模及静力学分析。

一、三维模型建立

整车参数如表1：

分形维数与基质孔隙度及孔容的相关性较高，相关系数均在0.90以上(图3)，分形维数与基质孔隙度表现出正相关的关系，而与孔容表现出负相关的关系，说明基质孔隙度与孔容是灰岩储层的分形维数的重要影响因素，基质孔隙度越大，微米孔的孔容越小，分形维数值就越接近于3。但是分形维数与孔比表面积相关性较差，这是由于5个灰岩样中纳米孔贡献的总孔比表面积均为90 %左右，剩余约9 %由亚微米孔贡献，而微米孔在总孔比表面积中贡献不到1%。

表1 整车参数

主要结构型式如表2：

2017年国际大电网会议都柏林研讨会报道:体验未来的电力系统//闫丽霞,刘东,陈冠宏,徐晓春,王建春//(11):1

表2 结构形式

在此基础上，利用Solidworks 软件对汽车桥梁进行了三维空间网格分割、物料分配、约束及外力的计算，并对其进行了应力计算。图5 和图6 为前桥的应力云图和变形云图。

图1 前桥总装三维图

二、有限元模型建立

B 为汽车前轮轮距（mm）;

图2 前桥网格划分模型图

图3 左转向节网格划分模型

三、静力学分析

应用有限元非线性有限元方法，计算了主销与节框、主销与桥壳之间的空隙，并对其在紧急制动条件下的最大横向作用力进行了计算。在制动工况下前梁受力情况如图4 所示。

图4 紧急制动受力分析图

1.制动工况下计算结果

考虑到在紧急刹车时，车辆的重心会偏向前桥，因此，前轮受到的地面垂直力的计算公式如下：

此时Y1LY1R两者均产生向右的作用力。

在公式中：φ为轮胎与路面的附着系数，这里取0.6；带入数据：

前轮所承受的制动力：

这里分析市场风险e、购电商风险规避度λ、批发价格w、零售价格p、购电商成本cr对购电商最优购电量q*的影响。

将数据带入公式：

在中央军委装备发展部指导下，各军种装备部、战区联指、联勤保障部门等装备保障力量相互沟通，统筹设计、论证、建设一体化联合装备保障机制。以搭建全方位、统分结合的体系架构为目标，使装备保障的运行机制能够上下贯通相关业务，左右联通各单位行动，以实现装备保障运行流程简捷高效，使各级装备部门既能在平时稳定组织训练、建设，又能在战时及时有效地指挥装备保障行动。

本文前梁采用工字形断面，可以在减重的同时大大提高前梁的材料力学性能，在直角拐点处采用圆形倒角又可以大大减少应力集中对前梁的危害，增加其寿命与耐久性。转向节与前梁联接所用主销要求具有极高的抗弯与抗扭强度，以保证车辆在极端恶劣工况下的车辆行驶安全。转向节作为最主要的部件，为了确保车辆的良好行驶性能，降低轮胎磨损、转弯半径、转弯阻力等，应尽可能地将所有的转向轮都保持在完全的滚动状态。实现整车转向是前桥的一项重要功能，而转向横拉杆是汽车转向系统中重要的安全件，前桥横拉杆采用无缝钢管与球接头总成用螺纹连接以便于调整前桥前束，汽车前桥三维模型如图1。

图5 制动工况下前轴应力云图

图6 制动工况下前轴变形云图

2.2.2 大学生职业希望自我问卷 采用由牛媛媛[18]编制的《大学生职业可能自我问卷》中的大学生职业希望自我分量表，该量表共14个项目，将职业希望自我划分为个人发展、创造力、自主性、能力运用四个维度，并采用7点计分方法，衡量题项描述与被试情况的符合程度，1表示“完全不符合”，7表示“完全符合”。该量表在大学生中已经得到应用，其内部一致性系数为0.8745[18]。本研究中，该问卷的Cronbach’s α的系数为0.83。

对车桥在车辆紧急制动工况下的强度进行分析，计算结果显示：前轴最大应力值为32.73 MPa，作用点为前桥梁拳部下方，前桥应力的许用值为σW=241 MPa；[τ]=200 MPa。经计算校核，在制动工况下，符合强度要求。

生育期病虫发生种类达到14个，占全县农作物病虫害种类的40%左右。全生育期病虫发生总面积达到22.8-26.7万hm2次，是水稻种植面积的4.9-5.7倍，发生面积最大的依次是纹枯病、稻瘟病、稻纵卷叶螟、稻飞虱、螟虫等。

图7 和图8 为制动工况下转向节的应力云图和变形云图。

图7 制动工况下转向节应力云图

图8 制动工况下转向节变形云图

由上图可知，转向节最大应力值为48.86 MPa，危险断面在轴径为d1的轮轴根部，许用弯曲应力为[σ]=320 MPa，符合参数要求的强度要求。

2.在侧滑工况下计算结果

最大横向力是指车辆在满载状态下，车轮相对于地面横向移动的极限状态，在这个状态下，车辆的重心会受到较大的离心力，引起车辆与地面的摩擦，车辆的侧倾，从而使车辆的前桥受到巨大的冲击，使车辆发生碰撞，引起交通事故。前桥的侧滑是：汽车受到的侧向力大于或等于（轮胎与地面相对运动时的最大摩擦力），在侧滑时达到临界状态，而在汽车到达临界点时，其横向作用力与离心力F 的离心力相等。并且是最大值：

汽车行驶过程中必须要平稳，不能发生横向翻车我们必须使V滑＜V翻，将公式代入，有：

当车辆出现侧滑时，在没有轴向作用力的情况下，前梁只承担了弯矩而不产生扭矩。当前轮在地面上受到的反作用力Z1L、Z1R以及在此时的前轮的地面反力N 是不同的。这个时候的前轮的地面反力（N）分别为

式中，G1为汽车的前桥轴荷（N）;

如图2，将三维模型进行简化利用Solidworks 软件仿真模拟模块对其建立有限元模型，前轴材料为34CrNiMo。如图3 为转向节有限元模型，其材料使用34CrNiMo 来进行生产制造。

hg为汽车质心高度（mm）;

φ1为侧滑附着系数，这里我们取φ1=0.8。

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在上面的公式中：G1——满载工况前桥静载荷，单位为N；m1——制动工况前桥质量转移系数。轻型载货汽车的质量转移系数可取1.4-1.7。此处取1.6。质量分配给前桥35%。

在此基础上，应用Solidworks 软件对横向滑动梁进行了三维横向滑动模型的网格划分，分配不同的材料，并对其进行了一定的力约束和控制，并对各个车辆桥梁的横向滑动进行了数值模拟。图9 和图10分别为前桥侧滑工况下的应力分布图和位移图。

培养学生创造性思维是数学教育的重要目标之一，但学校数学教学中，数学表达的统一性、简洁性，数学题解法和答案的唯一性，往往又制约着学生“创新思维”的形成。对“探索”过程的经历，能够激发学生正向的学习情感，能够培养学生的积极数学精神，已经是大家的共识。课堂上，教师也注意到了要让学生经历“探索”的过程，但由于课堂时间、教学任务和教学内容所限，课堂上的探究往往成了“走过场”式的假探究。是否可以适当地将教学内容设计成实验课，真正让学生经历“探索”答案的过程，以增加学生与“创造性思维”相关的隐性知识呢？

图9 侧滑工况下前轴应力云图

图10 侧滑工况下前轴变形云图

由上图可知：在侧滑工况下对车桥进行强度分析，计算结果表明：前轴最大应力值为21.36MPa，作用点在侧滑方向拳部的主销孔处，前桥应力的许用值为σW=241 MPa；[τ]=200 MPa。经计算校核，在侧滑工况下，符合强度要求。

图11 和图12 分别为转向节在侧滑工况下的应力图和位移图。由两图可知：转向节最大应力值为41.88 MPa，危险断面在轴径为d1的轮轴根部，查阅资料[5]可得知许用弯曲应力为[σ]=200 MPa，符合参数要求的强度要求。

图11 侧滑工况下转向节应力云图

图12 侧滑工况下转向节变形云图

通过与某车型在不同工况下应力应变分析可知：

制动工况下，某车型前梁最大应力值为63.148 MPa，本设计车型前梁最大应力值为32.73 MPa，提升48.16%；

② 大多数情况下，规范推演计算值比PDA动测检测值偏小10%～20%以内，未出现高于PDA动测检测值情况，认为利用本文推演的土塞效应系数对于计算以密实砂层为持力层的开口钢管桩竖向极限承载力总体上是合理且偏于安全的。

制动工况下，某车型转向节最大应力值为53.683 MPa，车型转向节最大应力值为48.86 MPa，提升8.98%；

侧滑工况下，某车型前梁最大应力值为52.192 MPa，车型前梁最大应力值为21.36 MPa，提升59.1%；

侧滑工况下，某车型转向节最大应力值为54.5 MPa，车型转向节最大应力值为41.88 MPa，提升23.16%。