2895 基于solidworks 汽车驱动桥有限元分析
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有限元法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法,以其在机械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用,特别是在材料应力、应变的线性范围更是如此。在汽车设计领域,无论是车身、车架的计算仿真,还是发动机的曲轴以及传动系统的计算均使用到该方法。有限元分析最基本的研究方法就是“结构离散单元分析整体求解”的过程。经过近 50年的发展,有限元法的理论日趋完善,已经开发出了一批通用和专用的有限元软件。ANSYS 是当前国际上流行的有限元分析软件,广泛地应用于各行各业,是一种通用程序,可以用它进行所有行业的几乎任何类型的有限元分析,如汽车、宇航、铁路、机械和电子等行业。ANSYS 软件将实体建模、系统组装、有限元前后处理、有限元求解和系统动态分析等集成一体,最大限度地满足工程设计分析的需要。通过结合 ANSYS 软件,能高效准确地建立分析构件的三维实体模型,自动生成有限元网格,建立相应的约束及载荷工况,并自动进行有限元求解,对模态分析计算结果进行图形显示和结果输出,对结构的动态特性作出评价。它包括结构分析、模态分析、磁场分析、热分析和多物理场分析等众多功能模块。汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一,其作用主要有:支撑并保护主减速器、差速器和半轴等,使左右驱动车轮的轴向相对位置固定;同从动桥一起支撑车架及其上的各总成质量;汽车行驶时,承受由车轮传来的路面反作用力和力矩并经悬架传给车架等。驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小,并便于主减速器的拆装和调整。由于桥壳的尺寸和质量比较大,制造较困难,故其结构型式应在满足使用要求的前提下应尽可能便于制造。驱动桥壳分为整体式桥壳,分段式桥壳和组合式桥壳三类。整体式桥壳具有较大的强度和刚度,且便于主减速器的装配、调整和维修,因此普遍应用于各类汽车上。但是由于其形状复杂,因此应力计算比较困难。根据汽车设计理论,驱动桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一个简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断面的最大应力值,然后考虑一个安全系数来确定工作应力,这种设计方法有很多局限性。因此近年来,许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳进行了计算和分析。本文中所研究的对象是在某型号货车上使用的整体式桥壳。一、驱动桥壳强度分析计算可将桥壳视为一空心横梁,两端经轮毂轴承支撑于车轮上,在钢板弹簧座处桥壳承受汽车的簧上载荷,而沿左右轮胎中心线,地面给轮胎以反力(双胎时则沿双胎中心),桥壳承受此力与车轮重力之差,受力如图 1 所示。图 1 驱动桥壳的受力简图桥壳强度计算可简化成三种典型的工况,只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度得到保证,就认为该桥壳在汽车行驶条件下是可靠的。1)牵引力或制动力最大时,桥壳钢板弹簧座处危险断面的弯曲应力 和扭转切应力 分别为:式中:地面对车轮垂直反力在桥壳板簧座处断面引起的垂直平面的弯矩,;(b 为轮胎中心平面到板簧座之间的横向距离)牵引力或制动力(一侧车轮上的)在水平面内引起的弯矩,;牵引或制动时,上述危险断面所受转矩, ;分别为危险断面垂直平面和水平面弯曲的抗弯截面系数及抗扭截面系数,之间的关系如表 1 所示。 2)当侧向力最大时,外轮和内轮上的垂直反力和 , 以及桥壳内、外板簧座处断面的弯曲应力 、 之间的关系,分别为:;3)当汽车通过不平路面时,危险断面的弯曲应力为: 式中 k 为动载荷系数。对于轿车,k 取 1.75;对于货车,k 取 2.0;对于越野车,k 取2.5。桥壳的许用弯曲应力为 300MPa500MPa,许用扭转切应力为 150MPa400MPa。可锻铸铁桥壳取较小值,钢板冲压焊接桥壳取较大值。上述桥壳强度的传统计算方法,只能算出某一断面的应力平均值,而不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。因此,它仅用于对桥壳强度的验算,或用作与其他车型的桥壳强度进行比较,而不能用于计算桥壳上某点(例如应力集中点)的真实应力值。使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析,只要计算模型简化得当,受力约束处理合理,就可以得到比较详细的应力与变形的分布情况,这些都是上述传统计算方法所难以办到的。二、实现方法一般来说,在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。这一般包括几何建模、定义材料属性和实常数(要根据单元的几何特性来设置,有些单元没有实常数)、定义单元类型,网格划分、添加约束与载荷等。由于汽车零部件结构形状较为复杂,包含许多复杂曲面,而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限,难以快速方便地对其建模。因此,针对较复杂的结构,可以先在三维 CAD 软件(如在 UG 中)建立几何模型,然后在有限元分析软件 ANSYS 中通过输入接口读入实体模型,最后在ANSYS 中完成其分析过程。三、有限元计算模型的建立被分析汽车的参数为:汽车的名义装载量 m14.0t ,满载轴荷时后桥负荷 m26.0t ,车轮中心线至钢板弹簧座中心距离 b370mm ,两钢板弹簧座中心间的距离s1004mm,桥壳本身的重力 G0931.6N,桥壳设计的安全系数为 7,弹簧上表面面积5000mm2,由此可得到面载荷为 5.88MPa。根据国家标准,当承受满载轴荷时,桥壳最大变形量不能超过 1.5mm/m;承受 2.5 倍满载轴荷时,桥壳不能出现断裂和塑性变形。所以垂直方向的载荷取满载轴荷的 2.5 倍,即 5.882.514.78MPa。首先在 UG 中建立起驱动桥壳的三维模型。在建立桥壳的有限元模型时,先对驱动桥壳实体做必要的简化。对主要承载件,均保留其原结构形状,以反映其力学特性,对非承载件进行了一定程度的简化。简化结果如图 2 所示。图 2 桥壳的三维模型然后将模型导入到 ANSYS 中,对其进行网格划分,划分网格时选用具有较高的刚度及计算精度的四面体 10 节点 92 号单元,这样将该零件划分为 60183 个节点,29805 个单元,如图 3 所示。图 3 桥壳的有限元模型该驱动桥壳的本体材料为 8mm 厚的 09SiVL 钢板,从材料手册中查出其弹性模量E=5MPa,泊松比 =0.3,材料密度为 7850。计算桥壳的垂直静弯曲刚度和静强度的方法是:将后桥两端固定,在弹簧座处施加载荷,将桥壳两端车轮中心线处全部约束,然后在弹簧座处施加规定载荷。四、计算结果在有限元模型中,驱动桥壳在 2.5 倍满载轴荷工况下,应力及位移云图分别如图 4、图5 所示,最大位移为 0.469E-03m,最大应力为 2185MPa,出现在半轴套管约束处。在不考虑由于约束影响造成的局部过大应力的情况下,应力较大值分布在钢板弹簧座的两侧,约为 240MPa,远小于材料的许用应力510MPa610MPa。所以,该桥壳是符合结构强度要求的。图 4 2.5 倍满载荷条件下的 Mises 应力云图图 5 2.5 倍满载荷条件下的 Mises 位移云图五、结束语通过建立汽车零部件、结构或系统的有限元计算模型,或利用 UG 等 CAD 软件建立 3D参数化模型进行转化,在 CAE 软件中进行仿真分析和计算,可以降低设计开发成本,减少试验次数,缩短设计开发周期,提高产品质量,使得汽车在轻量化、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高,具有非常重大的实际意义。 分 类 号 密 级 宁XX 学院毕 业 设 计 (论 文 )Solidworks(cosmosworks )汽车驱动桥有限元分析所 在 学 院专 业班 级姓 名学 号指 导 老 师年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺:本人所写的毕业论文Solidworks(cosmosworks )汽车驱动桥有限元分析均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担。承诺人(签名): 年 月 日摘 要随着汽车对安全、节能、环保的不断重视,汽车后桥作为整车的一个关键部件,其产品的质量对整车的安全使用及整车性能的影响是非常大的,因而对汽车后桥进行有效的优化设计计算是非常必要的。驱动桥作为汽车四大总成之一,它的性能的好坏直接影响整车性能,而对于载重汽车显得尤为重要。当采用大功率发动机输出大的转矩以满足目前载重汽车的快速、重载的高效率、高效益的需要时,必须要搭配一个高效、可靠的驱动桥。驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。所以采用传动效率高的单级减速驱动桥已成为未来重载汽车的发展方向。本文参照传统驱动桥的设计方法进行了载重汽车驱动桥的设计。本文首先确定主要部件的结构型式和主要设计参数;然后参考类似驱动桥的结构,确定出总体设计方案;最后对主,从动锥齿轮,差速器圆锥行星齿轮,半轴齿轮,全浮式半轴和整体式桥壳的强度进行校核以及对支承轴承进行了寿命校核。本设计具有以下的优点:由于的是采用中央单级减速驱动桥,使得整个后桥的结构简单,制造工艺简单,从而大大的降低了制造成本。并且,弧齿锥齿轮的单级主减速器提高了后桥的传动效率,提高了传动的可行性。关键词:驱动桥,主减速器,差速器,半轴,桥壳IVAbstractTo security, energy-conservation, constant attention of environmental protection with the car, the car rear axle is regarded as a key part of the completed car, its products impact on safe handling and completed car performance of the completed car of quality is very great, therefore is very essential for car rear axle to calculate effective optimization design. The transaxle always becomes as four major cars, the quality of its performance influences the performance of completed car directly, and seem particularly important to the truck. When adopting the high-power engine to output the big torque in order to meet the need of the fast, heavily loaded high benefit with high efficiency of the truck at present, must match a high-efficient, reliable transaxle. The transaxle is generally made up of main decelerator, differential mechanism, transmission device of the wheel and transaxle shell,etc. Adopt transmission with high efficiency single grade moderate transaxle become future heavily loaded developing direction of car already. With car to security, energy-conservation, constant attention of environmental protection, car rear axle is regard as a key part of the completed car, its products impact on safe handling and completed car performance of the completed car of quality is very great, therefore is very essential for car rear axle to calculate effective optimization design. This text has carried on the design of the truck transaxle according to the traditional transaxle design method. This text confirms the structural pattern of the main part and main design parameter at first; Then consult the transaxle -like structure, determine the overall design plan; To the main fact finally, the gear wheel of the driven awl, the taper planet gear of the differential mechanism, semi-axis gear wheel, the floating type semi-axis and shelly intensity of integral bridge check and check the life-span in supporting the bearing completely. It is following to originally design: Because adopt forms central the grades last transaxle,make rear axles whole the of simple structure, manufacturing process is simple, thus big reducing manufacturing cost. And, the single grade of main decelerators of the awl gear wheel of arc tooth has improved the transmission efficiency of the rear axle, have improved the feasibility of the transmission. Key Words: Transaxle , Main decelerator , Differential mechanism , Semi-axis , Bridge shell目 录摘 要 .IIIAbstract.IV目 录 .V第 1 章 绪论.61.1 驱动桥概述 .61.2 研究现状和发展趋势 .71.3 课题研究方法 .81.4 本课题要解决的主要问题和设计总体思路 .8第 2 章 SOLIDWORKS 及 cosmosworks 介绍.82.1 Solidworks 软件概述 .82.2 cosmosworks 介绍 .9第 3 章 汽车驱动桥 3D 设计 .113.1 概述 .113.1.1 选择研究对象 .123.1.2 模型处理 .133.2 建立驱动桥的 3D 模型 .133.2.1 进入 SOLIDWORKS 的操作界面 .133.3 驱动桥设计的绘制过程 .14第 3 章驱动桥的有限元分析.163.1 驱动桥壳强度分析计算 .173.2 实现方法 .173.3 具体分析步骤 .18总结与展望.28参考文献.29致 谢.306第 1 章 绪论1.1 驱动桥概述驱动桥和其他汽车总成一样,除了广泛采用新技术外,在结构设计中日益朝着“零件标准化、部件通用化、产品系列化”的方向发展及生产组织专业化目标前进。应采用能以几种典型的零部件,以不同方案组合的设计方法和生产方式达到驱动桥产品的系列化或变形的目的,或力求做到将某一类型的驱动桥以更多或增减不多的零件,用到不同的性能、不同吨位、不同用途并由单桥驱动到多桥驱动的许多变形汽车上。驱动桥是汽车传动系的主要组成部分。汽车的驱动桥处于传动系的末端,其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩,将转矩分配给左、右驱动轮,并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能;同时,驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢的铅垂力、纵向力和横向力。它要保证当变速器处于最高挡时,在良好的路面上有足够的牵引力以克服行驶阻力和获得汽车最大的速度,这主要取决于驱动桥的传动比。虽然在汽车的整体设计时,从整车性能出发决定驱动桥的传动比,但是用什么形式的驱动桥、什么结构的主减速器和差速器等在驱动桥设计中要具体考虑。决大多数的发动机在汽车上是纵置的,为了使扭矩传给车轮,驱动桥必须改变扭矩的方向,同时根据车辆的具体要求解决左右扭矩的分配。整体式驱动桥一方面需要承担汽车的载荷;另一方面车轮上的作用力以及传递扭矩所产生的作用力矩都要由驱动桥承担,所以驱动桥的零件必须具有足够的强度和刚度,以保证机件的可靠工作。驱动桥还必须满足通过性和平顺性的要求。 6。在一般的汽车结构中,驱动桥包括主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置和桥壳等组成。它们应具有足够的强度和寿命、良好的工艺、合适的材料和热处理等。对零件应进行良好的润滑并减少系统的振动和噪音等 1。驱动桥的结构型式虽然可以各不相同,但在使用中对它们的基本要求却是一致的,其基本要求可以归纳为 1:1)所选择的主减速比应能满足汽车在给定使用条件下具有最佳的动力性和燃油经济性。2)差速器在保证左、右驱动车轮能以汽车运动学所要求的差速滚动外并能将转矩7平稳而连续不断(无脉动)地传递给左、右驱动车轮。3)当左右驱动车轮与地面的附着系数不同时,应能充分利用汽车的牵引力。4)能承受和传递路面和车架式车厢的铅垂力、纵向力和横向力以及驱动时的反作用力矩和制动时的制动力矩。5)驱动桥各零部件在保证其强度、刚度、可靠性及寿命的前提下应力求减小簧下质量,以减小不平路面对驱动桥的冲击载荷,从而改善汽车的平顺性。6)轮廓尺寸不大以便于汽车的总体布并与所要求的驱动桥离地间隙相适应。7)齿轮与其他传动机件工作平稳,无噪声。8)驱动桥总成及零部件的设计应能满足零件的标准化,部件的通用化和产品的系列化及汽车变型的要求。9)在各种载荷及转速工况下有高的传动效率。10)结构简单,维修方便,机件工艺性好,容易制造。1.2 研究现状和发展趋势随着汽车向采用大功率发动机和轻量化方向发展以及路面条件的改善,近年来主减速比有减小的趋势,以满足高速行驶的要求。 1为减小驱动轮的外廓尺寸,目前主减速器中基本不用直齿圆锥齿轮。实践和理论分析证明,螺旋锥齿轮不发生根切的最小齿数比直齿齿轮的最小齿数少。显然采用螺旋锥齿轮在同样传动比下,主减速器的结构就比较紧凑。此外,它还具有运转平稳、噪声较小等优点。因而在汽车上曾获得广泛的应用。近年来,准双曲面齿轮在广泛应用到轿车的基础上,愈来愈多的在中型、重型货车上得到采用。 3在现代汽车发展中,对主减速器的要求除了扭矩传输能力、机械效率和重量指标外,它的噪声性能已成为关键性的指标。噪声源主要来自主、被动齿轮。噪声的强弱基本上取决于齿轮的加工方法。区别于常规的加工方法,采用磨齿工艺,采用适当的磨削方法可以消除在热处理中产生的变形。因此,与常规加工方法相比,磨齿工艺可获得很高的精度和很好的重复性。 4汽车在行驶过程中的使用条件是千变万化的。为了扩大汽车对这些不同使用条件的适应范围,在某些中型车辆上有时将主减速器做成双速的,它既可以得到大的主减速比又可得到所谓多档高速,以提高汽车在不同使用条件下的动力性和燃料经济性。81.3 课题研究方法1.了解驱动桥的构成。2.通过上网,查阅书籍等途径来熟悉它的工作原理。3.沟通讨论。1.4 本课题要解决的主要问题和设计总体思路1. 本课题解决的主要问题:国内外对驱动桥的研究很多,但是涉及到有限元分析的还是较少。本文选择一款轿车或者重型卡车的驱动桥(按结构可以分为中央单级减速驱动桥、中央双级减速驱动桥、中央单级、轮边减速驱动桥) ,分析其主要组成部分的具体结构,得出不同扭矩的情况下驱动桥各个部件的受力及变形状况。2. 本课题的设计总体思路:选择一种机型的驱动桥。应用三维软件 solidworks 对其各个部分进行建模及装配,运用 solidworks 软件自带的有限元分析模块 cosmosworks 对驱动桥整体进行有限元分析不同扭矩的情况下驱动桥各个部件的受力及变形状况。优化设计结构,以减小不平路面对驱动桥的冲击载荷,从而改善汽车行驶的平顺性。第 2 章 SOLIDWORKS 及 cosmosworks 介绍2.1 Solidworks 软件概述SolidWorks 为达索系统(Dassault Systemes S.A)下的子公司,专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应,并为制造厂商提供具有 Internet 整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统,包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统,著名的 CATIAV5 就出自该公司之手,目前达索的 CAD 产品市场占有率居世界前列。特点:Solidworks 软件功能强大,组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点,使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品9质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能,同时对每个工程师和设计者来说,操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的 Windows 系统的用户,基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks 资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器,用它可以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks ,用户能在比较短的时间内完成更多的工作,能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD 解决方案中,SolidWorks 是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论:“在基于 Windows 平台的三维 CAD 软件中,SolidWorks 是最著名的品牌,是市场快速增长的领导者。 ” 在强大的设计功能和易学易用的操作(包括 Windows 风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴)协同下,使用 SolidWorks ,整个产品设计是可百分之百可编辑的,零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。2.2 cosmosworks 介绍针对 SolidWorks 有史以来最好的原创设计验证解决方案!使用相同的 SolidWorks介面,提供快速、功能 强大与精确的设计分析 不用怀疑,COSMOSWorks 是主流市场的第一名。COSMOSWorks 针对工程师与设计人员,提供了简学易用且功能强大的设计验证与最佳化工具。全球超过 14,000 家各个业界的公司,目前正使用 COSMOS来改善设计品质,避免现场故障,减少材料成本与缩短上市时间。 COSMOSWorks 赋予您更快速、低成本与最佳化的产品研发能力,比起要使用到最精细的原型测试,还 更具有全面性的产品效能验证功能。现有的产品包装如下,COSMOSWorks 可以随时依据您扩充的分析需求而增加与改变:COSMOSWorks Designer 利用易学易用的虚拟仿真工具进行分析,其效果远远优于手算 COSMOSWorks Professional 提供了一系列功能强大的工具,可帮助那些熟悉分析概念的工程师对零件和装配体进行虚拟测试和分析。 COSMOSWorks Advanced Professional 是目前市场上最全面、最复杂的分析工具之一,它为经验丰富的分析员提供了多种分析功能,而价格却远远低于大多数的高端 FEA 软件价格适中的设计验证工具,适合每个工程师使用 COSMOSWorks Designer 是专门为那些非设计验证领域专业人士的设计师和工程师量身定做的,该软件通过表明 SolidWorks 模型在构建之前的运作状况,从而帮助提高产品质量。 使用 COSMOSWorks Designer 可以在不退出 SolidWorks 窗口的情况下,验证您的直觉10并对不同设计思路的实际性能进行分析,其效果要远远优于手算.易学易用,很快即可见成效 COSMOSWorks Designer-完全嵌入在 SolidWorks 界面中,并且使用 SolidWorks FeatureManager® 和许多相同的鼠标和键盘命令,因此任何能够在 SolidWorks 中设计零件的人都可以对其进行分析,而无需学习如何使用新的界面。COSMOSWorks Designer 包含最常用的设计验证工具,提供了对零件和装配体的应力、应变和位移分析的功能,而且价格非常适中。使用 COSMOSWorks Designer,您可以: 利用易学易用的虚拟仿真工具进行分析,其效果要远远优于手算,研究装配体和不同零部件之间的交互作用,在任何位置都可以使用像动态截面和探测这样的可视化工具对验证结果进行分析,在不同的现实条件下对各种设计思路进行分析,从中选择最佳的设计,快速检验您的直觉,减少物理测试.使用 SolidWorks 时,设计人员可以在最初建模阶段输入材料属性。适合专业工程师使用的强大分析工具,COSMOSWorks Professional 提供了一系列功能强大的工具,可帮助那些熟悉分析概念的工程师对零件和装配体进行虚拟测试和分析。对于需要更多特定分析功能的工程师来说,他们可以使用 COSMOSWorks Professional 对几乎任何零部件或装配体在任何载荷条件下的物理特性进行预测。智能化的分析使您的工作更轻松、更有效。除了 COSMOSWorks Designer 内所包含的分析功能外,它还提供了跌落测试、优化分析、热传导分析、热应力分析、振动分析、疲劳分析和扭曲分析等功能。无论应用于从机械设计和消费产品到医疗设备的哪个行业,COSMOSWorks 都能够大大提高产品质量,使工程师可以快速找出设计问题,所需时间要比制造 原型机短得多。使用 COSMOSWorks Professional,您可以: 执行跌落测试分析,优化零件和装配体以最大程度地减小质量和体积,确定您的设计是否会因扭曲或振动而出现故障,减少因物理原型机开发而产生的成本和时间延误,确定您的设计是否会因循环荷载产生的疲劳而出现故障,找出潜在的设计问题,并尽早在设计过程中予以纠正,解决大量的热力模拟问题,执行热耦合和结构分析 COSMOSWorks Professional 利用 COSMOSWorks 设计情形功能,用户可以对具有可变参数(例如,载荷或几何尺寸)的设计进行分析高端的分析工具,非高端的价格 COSMOSWorks Advanced Professional 是目前市场上最全面、最复杂的分析工具之一,它为经验丰富的分析员提供了多种分析功能,而价格却远远低于大多数的高端 FEA 软件。精密准确的 FEA,适合经验丰富的用户使用.对于棘手的工程问题(例如,高级动力问题和非线性模拟问题) ,您需要一个能够快速分析出可靠结 果的强大工具。 COSMOSWorks 11Advanced Professional 有 20 多年的 FEA 专业知识和技术创新作为坚实的后盾,为您提供了完成工作所需的高端分析功能。使用 COSMOSWorks Advanced Professional,您可以: 对塑料、橡胶、聚合物、泡沫和镍钛合金执行非线性分析,对非线性材料间的接触进行分析,研究您的设计在动态载荷下的性能,了解复合材料的特性,在 COSMOSWorks 中,用户可以执行多种设计分析。此示例对一个篮圈同时进行了线性和非线性分析。第 3 章 汽车驱动桥 3D 设计3.1 概述驱动桥是汽车传动系的主要组成部分。汽车的驱动桥处于传动系的末端,其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩,将转矩分配给左、右驱动轮,并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能;同时,驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢的铅垂力、纵向力和横向力。它要保证当变速器处于最高挡时,在良好的路面上有足够的牵引力以克服行驶阻力和获得汽车最大的速度,这主要取决于驱动桥的传动比。虽然在汽车的整体设计时,从整车性能出发决定驱动桥的传动比,但是用什么形式的驱动桥、什么结构的主减速器和差速器等在驱动桥设计中要具体考虑。决大多数的发动机在汽车上是纵置的,为了使扭矩传给车轮,驱动桥必须改变扭矩的方向,同时根据车辆的具体要求解决左右扭矩的分配。整体式驱动桥一方面需要承担汽车的载荷;另一方面车轮上的作用力以及传递扭矩所产生的作用力矩都要由驱动桥承担,所以驱动桥的零件必须具有足够的强度和刚度,以保证机件的可靠工作。驱动桥还必须满足通过性和平顺性的要求。 6。驱动桥的结构型式虽然可以各不相同,但在使用中对它们的基本要求却是一致的,其基本要求可以归纳为 1:1)所选择的主减速比应能满足汽车在给定使用条件下具有最佳的动力性和燃油经济性。2)差速器在保证左、右驱动车轮能以汽车运动学所要求的差速滚动外并能将转矩平稳而连续不断(无脉动)地传递给左、右驱动车轮。3)当左右驱动车轮与地面的附着系数不同时,应能充分利用汽车的牵引力。124)能承受和传递路面和车架式车厢的铅垂力、纵向力和横向力以及驱动时的反作用力矩和制动时的制动力矩。5)驱动桥各零部件在保证其强度、刚度、可靠性及寿命的前提下应力求减小簧下质量,以减小不平路面对驱动桥的冲击载荷,从而改善汽车的平顺性。6)轮廓尺寸不大以便于汽车的总体布并与所要求的驱动桥离地间隙相适应。7)齿轮与其他传动机件工作平稳,无噪声。8)驱动桥总成及零部件的设计应能满足零件的标准化,部件的通用化和产品的系列化及汽车变型的要求。9)在各种载荷及转速工况下有高的传动效率。10)结构简单,维修方便,机件工艺性好,容易制造。3.1.1 选择研究对象鉴于本课题研究的特殊性,本课题不是从无到有的设计,也不是理论性的设计说明,而是根据前人的经验和实际产品模型的基础上进行的分析和验证,运用一种新的设计方法和途径来探索问题的研究方法的。本设计选择一种汽车的驱动桥作为研究对象,结合该汽车厂商提供的数据进行分析和处理,然后用三维软件建立 3D 模型进行有限元分析和处理。表1 汽车的主要技术参数总质量 2305 发动机的位置 前置横列轴距 2700 车长/宽/高 4820/1870/1835变速器型式 手动五挡变速器 轮胎尺寸 235/75R15 发动机额定功率/转速 78/4600 最大扭矩/转速 190/3200最大爬坡度 %30最小离地间隙 200接近角 29 离去角 27.5 0传动轴 开式,两节,中间支撑最高车速 120满载 前 900 后 1405轴荷分配空载 前 845 后 78013一挡 二挡 三挡 四档 五挡 倒挡变速器速比3.9 2.77 1.97 1.4 1 3.93.1.2 模型处理在选择驱动桥总成的结构型式时,应当从所设计汽车的类型及使用、生产条件出发,并和所设计汽车的其他部件,尤其是悬架的结构型式与特性相适应,以共同保证整个汽车预期使用性能的实现。驱动桥的总成的结构型式,按其总体布置来说有三种:普通的非断开式驱动桥、带有摆动半轴的非断开式驱动桥合和断开式驱动桥 5。由于驱动桥整个运行过程比较复杂,零配件也相对有很多个,不可能每个零件都进行分析和处理。按理论来讲是可行的。但是从具体实际来讲,没有那个必要,受计算机内存和处理信息的要求,无法实现整体全部零件的分析处理,只能选取其中的一些关键的零配件进行一个分析。3.2 建立驱动桥的 3D 模型3.2.1 进入 SOLIDWORKS 的操作界面点新建进入零件界面,如下图.选中参考面进入草图环境.143.3 驱动桥设计的绘制过程画主体壳体主要部分草图,然后拉伸生成实体。15生成实体。完善连接部位的实体造型。完善一侧轮胎结构16完善整体造型设计.第 3 章驱动桥的有限元分析有限元法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法,以其在机械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用,特别是在材料应力、应变的线性范围更是如此。在汽车设计领域,无论是车身、车架的计算仿真,还是发动机的曲轴以及传动系统的计算均使用到该方法。汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一,其作用主要有:支撑并保护主减速器、差速器和半轴等,使左右驱动车轮的轴向相对位置固定;同从动桥一起支撑车架 及其上的各总成质量;汽车行驶时,承受由车轮传来的路面反作用力和力矩并经悬架传给车架等。驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小,并便于主减速器的拆装 和调整。由于桥壳的尺寸和质量比较大,制造较困难,故其结构型式应在满足使用要求的前提下应尽可能便于制造。驱动桥壳分为整体式桥壳,分段式桥壳和组合式 桥壳三类。整体式桥壳具有较大的强度和刚度,且便于主减速器的装配、调整和维修,因此普遍应用于各类汽车上。但是由于其形状复杂,因此应力计算比较困难。 根据汽车设计理论,驱动桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一个简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断面的最大应力值,然后考虑一个安全系数来确定工作应 力,这种设计方法有很多局限性。因此近年来,许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳进行了计算和分17析。本文中所研究的对象是在某型号货车上使用的整体式桥壳。 3.1 驱动桥壳强度分析计算可将桥壳视为一空心横梁,两端经轮毂轴承支撑于车轮上,在钢板弹簧座处桥壳承受汽车的簧上载荷,而沿左右轮胎中心线,地面给轮胎以反力(双胎时则沿双胎中心) ,桥壳承受此力与车轮重力之差,受力如图 1 所示。 桥壳强度计算可简化成三种典型的工况,只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度得到保证,就认为该桥壳在汽车行驶条件下是可靠的。3.2 实现方法一般来说,在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。这一般包括几何建模、定义材料属性和实常数(要根据单元的几何特性来设置,有些单元没有实常数) 、定义单元类型,网格划分、添加约束与载荷等。由于汽车零部件结构形状较为复杂,包含许多复杂曲面,而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限,难以快速方便地对其建模。因此,针对较复杂的结构,可以先在三维 CAD软件(如在 SOLIDWORKS 中)建立几何模型,然后在有限元分析软件COSMOSWORKS 中通过输入接口读入实体模型,最后在 COSMOSWORKS 中完成其分析过程。被分析汽车的参数为:汽车的名义装载量 m14.0t,满载轴荷时后桥负荷m26.0t,车轮中心线至钢板弹簧座中心距离 b370mm,两钢板弹簧座中心间的距离s1004mm ,桥壳本身的重力 G0931.6N,桥壳设计的安全系数为 7,弹簧上表面面18积 5000mm2,由此可得到面载荷为 5.88MPa。根据国家标准,当承受满载轴荷时,桥壳最大变形量不能超过 1.5mm/m;承受 2.5 倍满载轴荷时,桥壳不能出现断裂和塑性变形。所以垂直方向的载荷取满载轴荷的 2.5 倍,即 5.882.514.78MPa。3.3 具体分析步骤启动 COSMOSWORKS,进入工作界面.然后点“下一步” ,进入下面的,要求对要分析哪些部位进行选择。 19根据情况我们选择中间的主体结构,是主要的受力部位。要求进行材料的选择,我这里选择的是合金钢材料。点下一步进入施加约束的环节了。20我选择的是固定两端与轮子连接的部位。进入下一步。要求对施加的约束进行命名处理。下一步进行约束的编辑处理。21我们这里不需要进行编辑操作就不作选择了,进入下一步环节了。下一步是进行受力的一个约束设定环节。22下一步进行的是载荷类型的一个选择问题。我们选择的是力。下一步弹出的是施加的部位选择的问题。总结与展望23下一步进行的是受力的数值输入。点下一步进入分析环节。可以按照它的提示进行一个系统的操作。24点运行按钮,进行模型的网格化处理。总结与展望25网格化处理结束,进行优化环节。26运行结果界面:有几种结果可以查看,我把几种运行结果的截图都一一进行截图表达。总结与展望27应力结果:位移结果:28变形结果:总结与展望29总结与展望一、总结在这次毕业设计中,我系统的复习了机械制图、机械原理、汽车构造、汽车设计及生产制造等方面的基本理论和专业知识,从理论上到实践上了解各种驱动系统,同时也体现了我对所学的专业知识的程度。在这次设计中,首先的收获是查阅资料的能力。到图书馆借书、到网上搜索资料、到阅览室查阅期刊杂志,在大量的文字中找到我们需要的,并加以分析很整理,再把它融入到自己的设计中去。其次就是动手能力了。在我画驱动桥的装配图的过程中遇到很多的困难,对结构不是很了解,于是我们就到实验室对着实物一点一点的琢磨。通过对实际驱动桥的研究,再参照我们设计的驱动桥,进一步加深对它的认识。最能体现动手能力的方面还是 CAD 制图和手工绘图。这次的设计是对四年所学过的知识的一个复习,包括汽车构造、机械设计、机械制图等等。很多知识以前只是停留在理论上的认识,现在我们把理论运用到实践中去了,又有了更为深刻的认识。任何的事情都不可能达到完美,我们的设计更是这样的。通过反复的演算、修改、优化才能使我们的结果趋于合理,才会使图形效果更理想。通过这次设计,对这四年的学习做了一个总结,对自己也做了一个总结。这次的毕业设计给我最大的感受就是结果不是最重要的,我们享受的是一个努力的过程和认真的态度。二、今后研究方向对汽车关键结构进行有限元仿真分析,有条件的话进行实验验证。并去改正设计,这是一项探索的工程。30参考文献1王望予.汽车设计(第 4 版)M.机械工业出版社,20052刘惟信.汽车设计M.清华大学出版社,20013刘海江、于信汇、沈斌编著.汽车齿轮M.同济大学出版社,1997 4顾柏良等译.BOSCH 汽车工程手册M.北京理工大学出版社,2004 5 刘惟信编著.汽车设计丛书 驱动桥M .清华大学出版社,20046陈家瑞.汽车构造M.机械工业出版社,20057Jerry Kinsey. The Advantages of an Electronically Controlled Limited Slip Differential. J Copyright 2004 SAE international8 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册M.人民交通出版社,20019 余志生.汽车理论(第 3 版)M.机械工业出版社,200010 刘惟信编著.圆锥齿轮与双曲面齿轮传动M.北京:人民交通出版社,198011机械工程手册编辑委员会编.机械工程手册M.北京:机械工业出版社,199712 濮良贵,纪名刚主编机械设计(第七版)M高等教育出版社200713 骆素君、朱诗顺主编机械课程设计简明手册M化学工业出版社200614徐学林主编互换性与测量技术基础M湖南大学出版社200531致 谢本论文是在导师 XXX 的悉心指导下完成的,为期三个多月的毕业设计即将结束,回顾整个过程,我深有感受。在设计工作开始之前,李老师带领我们参观了很多汽车企业,老师和一些技术人员认真地给我们讲解了其工作原理,分析了各部件的功能特性和构造,避免了我在毕业设计过程中的盲目性。在设计过程中,我翻阅了大量的相关资料,同时将大一至大四上学期所学的相关专业课本认真的温习了一边,增加了很多理论知识。以前我对汽车的工作原理、工厂的工作环境和汽车的构造,没什么认识,但通过这次设计,我了解了,也感受到了。总之,这次设计,使我将四年中所学到的基础知识得到了一次综合应用,使学过的知识结构得到科学组合,同时也从理论到实践发生了一次质的飞跃,可以说这次设计是理论知识与实践运用之间互相过渡的桥梁。知识的巩固固然重要,但能力的培养同样不可忽略。我觉得这次设计的完成,不仅锻炼了我搞设计的工作能力,培养了我独立思考的能力,解决困难的方法,并且也培养了我独立创新力求先进的思想。同时我认识到:无论做什么事,只要你深入的去做,难事不难,但如果你不去用心的做,易事不易。机不可失,我在这次的设计中倾注了大量的心血,尽一切力量争取将设计做到在最好。我认为我在这段时间内所有的收获,对我今后的学习和工作会是一笔难得的财富。由于本人以前对汽车结构和制造过程了解不多,实践知识更是不足,但老师总是耐心地给我讲解有关方面的知识,及时了解我设计中遇到的难题,使我得以在短时间内完成设计工作,同时教导我们不管是在以后的工作还是学习中,都要保持治学严谨的态度。在本次毕业设计中,老师以及其他指导老师付出了辛勤的劳动,在此向他们表示衷心的感谢。此次设计的圆满完成与同组其他人员的通力合作也是分不开的,他们给了我许多帮助和指点,在此一并表示感谢! 由于自己能力所限,时间仓促,设计中还存在许多不足之处,恳请各位老师同学给予批评指正。32
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