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斯太尔重卡驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元分析
马腾飞
安徽理工大学机械工程学院 安徽淮南 232001
摘要 汽车驱动桥壳是车辆中重要的安全部件。论文以某重型货车后驱动桥壳为研究对象，运用三维软件CATIA建模；运用ANSYS软件开展了桥壳在各种工况下的静力学分析，分析结果表明，桥壳的强度和刚度满足设计要求；运用ANSYS软件对桥壳开展了模态分析，分析结果表明桥壳的结构设计合理。上述静力分析和模态分析的结果可以为新产品的开发和结构优化设计提供重要的参考依据。
关键词 驱动桥壳 CATIA ANSYS 静力分析 模态分析
Structural Strength and Modal Analysis of Heavy Truck Driving Axle
Housing
Tengfei Ma
School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology
Abstract The automobile drive axle housing is an important safety component in vehicle. The 3D model of the
drive axle housing is established in the CATIA，Based on the actual use conditions for a heavy truck drive axle housing, this paper used finite element analysis software ANSYS to analyze the strength, stiffness and modal of the axle housing, which results show that the design of the axle housing is rational. These results of static analysis and modal analysis can provide some references for the development of new products and the structure optimization design in the future.
Key words drive axle housing CATIA ANSYS Static analysis Modal analysis
0 引言
随着中国经济高速发展，汽车工业迈进了新的发展时代，重型载货车的需求量不断增大，对重型汽车的性能要求也愈来越高。汽车驱动桥壳是其主要承载构件之一，其主要功用是支撑汽车重量，并经悬架传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向作用力及其力矩，同时它又是主减速器、差速器、半轴等的装配基体。根据汽车设计理论，驱动桥壳的设计应满足应力和变形要求，局部应力集中不应该导致桥壳的断裂或塑性变形。为保证车桥工作的可靠性和安全性，对其进行应力和变形分析具有非常重要的意义。为了提高强度、刚度和可靠度等指标，目前大量采用现代设计方法，运用有限单元法对驱动桥壳进行计算、分析与优化。
型。建模时，根据桥壳的受载情况，在满足计算精度的前提下，可以简化或者省略有些细节，如不考虑焊接处材料性质的变化、忽略不重要的小尺寸和小孔结构、桥壳的材料为均质材料且各向同性等。利用CATIA建立简化的几何模型如图1所示。
图1 某重型货车后驱动桥壳三维模型
1 驱动桥壳受力分析
图1为某重型货车后驱动桥壳的三维模
在实际的运动过程中，不同的运动状态对桥壳的受力情况影响很大。主要对桥壳的4种工况进行分析，分别是2.5倍冲击载荷工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况。该后桥额定载荷按10T来
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计算。
1.1 冲击载荷行驶工况
汽车在不平路面上高速行驶时，后桥壳除承受静载荷外，还承受附加的冲击载荷。图2是桥壳在冲击载荷时受力分析简图。此时，后桥壳垂向载荷通常取满载静载荷的2.5 倍，即
FZi?FZ0?G24?k 式中：G2 为汽车满载静载荷；K为动载荷系数，对载货汽车取2.5。
图2 冲击载荷时受力分析简图
1.2 最大牵引力行驶工况
汽车以最大牵引力行驶时，后驱动桥壳的受力分析如图3所示。此时，后桥内、外车轮所承受的垂向负荷分别为
FZi?FZ0?G2m24 式中，m2 为行驶时的车桥负荷转移系数，对于牵引车取1，地面对外驱动车轮的最大切向反作用力Fx 为
Fx?TEi1i0?4r r式中：TE 为发动机最大转矩，单位N·m，i1 为变速器Ⅰ挡速比，i0 为主减速器速比，rr 为轮胎滚动半径，η为传动系效率（由发动机至轮边）。
由最大切向反作用力Fx 产生一个绕轮胎中心线方向的转矩T 为 T?Fxrr
图3 最大牵引力时受力分析简图
1.3 紧急制动行驶工况
汽车紧急制动时，可不考虑侧向力。图 4为紧急制动时后驱动桥壳的受力分析简图。图中后桥内、外车轮所承受的垂向负荷FZi、FZo 分别为
FZG2m'i?FZ0?4 式中：m'为汽车紧急制动时的质量转移系数，取1.2。
另外，水平方向的纵向力Fx 为 F2x?G4m'? 式中：φ为轮胎与地面的纵向附着系数，计算时取φ=0.8。
同时，由水平方向的纵向力Fx 而产生一个绕桥壳中心线的力矩T，其大小为 T?Fxrr
图4 紧急制动时受力分析简图
1.4 最大侧向力行驶工况
当汽车所承受的侧向力达到地面作用于轮胎的侧向反作用力的最大值（即附着力）时，汽车处于侧滑的临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，汽车则侧滑。汽车向右侧滑时的受力分析如图5。图中，Fyi、Fyo 分别表示地面对后驱动桥内、外驱动车轮的侧向反作用力，FZi、FZo 分别表示侧滑时内、外驱动车轮的支撑反力。
图5 侧滑时时受力示意图
当汽车处于侧滑状态时，汽车向右侧滑时的受力分析如图6。此时，地面给后桥内、外驱动车轮所承受的垂向力FZi、FZo 分别为
FZi?0 FZ0?12G2 式中：G2 为汽车满载静止于水平路面时后
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驱动桥的载荷。上述地面给内、外驱动车轮的侧向反作用力Fyi、Fyo 分别为 Fyi?FZi?1?0N Fy0?FZ0?1
式中：φ1 为地面的侧向附着系数，取0.6。
作用在右侧车轮上的侧向力会使桥壳产生一个绕前进方向的转矩T，其大小为
T?Fy0rr
2 驱动桥壳强度分析
2.1 约束及加载
文中桥壳所用的材料铸钢ZG35Mn，屈服强度极限是345Mpa,拉伸强度极限是570Mpa，许用应力值345Mpa。半轴套管的材料是合金钢40MnB，许用应力值是785Mpa。根据汽车行驶时的各工况状态对模型进行约束，如表1所示。
表1 各工况下桥壳的约束条件
工况 约束条件 最大垂向力 约束左钢板弹簧座处X、Z方向的平动和Y向的旋转，右钢板弹簧座处X、Y、Z方向的平动和Y向的旋转。 最大牵引力 约束桥壳两端半轴套管安装内外轴承位置处X、Z方向的位移以及约束桥壳中间对称截面处节点Y方向的位移。 最大制动力 约束桥壳一端的半轴套管上内外轮毂轴承外圆面处X、Y、Z方向的平动，另一端内外轮毂轴承外圆面处Y、Z方向的平动，桥壳中央加强圈面上的Z方向的位移。 最大侧向力 约束左钢板弹簧座处X、Y和Z方向的平动，右钢板弹簧座处X、Z方向的平动。 针对各种工况对桥壳进行垂直力、纵向
力及力矩的加载，如表2所示。
表2 各工况下桥壳的加载方式
工况 施加载荷 最大垂向力 在两侧车轮轮距处各节点施加垂直向上的垂直载荷。 最大牵引力 桥壳两侧的钢板弹簧座上施加垂向载荷和切向载荷，在两侧钢板弹簧座间施加转矩。 最大制动力 桥壳左右两侧钢板弹簧座上施加垂向载荷和卡车行驶方向相同的切向力，在两侧钢板
弹簧座之间作用大小相等，方向相反的力矩。 最大侧向力 侧滑方向一侧轮轮距处各节点施加垂直向上的垂直载荷和水平方向的侧向力。 2.2 等效应力及应变云图
各个工况下的等效应力和应变云图如图6～图9所示。
a. 等效应力云图
b. 应变云图
图6 最大垂向力工况下等效应力和位移云图
a. 等效应力云图
b. 应变云图
图7 最大牵引力工况下等效应力和位移云图
a. 等效应力云图
3
b. 应变云图
图8 最大制动力工况下等效应力和位移云图
a. 等效应力云图
b. 应变云图
图9 最大侧向力工况下等效应力和位移云图
2.3 结果分析
桥壳各个工况下的等效应力和应变的分析结果见表3
表3 各工况下等效应力和应变
工况 最大等效应力/MPa 最大应变/mm 最大垂向力 262.73 0.786 最大牵引力 270.68 1.434 最大制动力 222.89 0.436 最大侧向力 621.88 3.133 由表3可知，桥壳在最大牵引力工况下等效应力最大，发生在左右两边轮毂轴管处，值为621.88MPa，小于材料的许用应力785Mpa；同时形变也最大，值为2.633mm，每米轮距变形量为2.633/1.860=1.42mm/m，满足国家标准规定满载轴荷时每米最大变形不超过1.5mm的要求。因此4种工况下该桥壳的强度和刚度均满足要求。
3 驱动桥壳的模态分析
模态分析是获得结构固有频率和振型，研究结构振动特性的一种方法。本节通过模态分析提取整个桥壳在前6阶的固有频率和模态振型等参数。根据需要，提取结构的前6阶固有频率，前6阶模态振型如图10～图16所示。
图10 第1阶模态振型
图11 第2阶模态振型
图12 第3阶模态振型
图13 第4阶模态振型
图14 第5阶模态振型
图15 第6阶模态振型
桥壳后六阶模态的固有频率和振型如表4所示。
阶数 固有频率/Hz 振型特征 1 838.79 一阶侧向弯曲 2 940.66 一阶垂向弯曲 3 1045 二阶垂向弯曲 4 1101.1 二阶水平弯曲 5 1137.7 二阶侧向弯曲 6 1201.5 一阶扭曲变形 汽车在正常行驶时,其振动系统主要承受频率为0～50 Hz的路面激振。由分析结果可知,该桥壳自1阶至6阶的各阶模态的固有频率都大于50Hz,因此该桥壳不会发生共振4
现象,由此说明该桥壳的结构设计合理。
4 结论
综上所述，由静力分析可知，桥壳的最大应力小于材料的屈服极限，满足强度要求。桥壳的最大变形量未超过国家标准规定满载轴荷时每米最大变形1.5mm的要求，满足刚度要求。由模态分析可知，桥壳各阶模态的固有频率都大于路面激励频率，不会发生桥壳共振现象，因此桥壳的结构设计合理。
利用CATIA建立某重型载重货车驱动桥壳简化三维模型，导入ANSYS软件建立其有限元模型。通过对桥壳的静力分析和模态分析，可大大降低设计开发成本，具有较强的指导作用和经济价值。
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