汽車驅(qū)動橋橋殼的優(yōu)化設(shè)計

汽車驅(qū)動橋橋殼的設(shè)計

摘要本文的主要研究對象是驅(qū)動橋殼，主要是對其進行優(yōu)化設(shè)計。驅(qū)動橋殼是汽車上一個重要部件，它是車橋上承載載荷以及轉(zhuǎn)矩的部件，它還需要傳遞各種從車輪上傳過來的力，根據(jù)實際情況中需要應(yīng)對的各種復(fù)雜路況，汽車會需要承受來自不同方向，大小不同的載荷，這些載荷可能會導(dǎo)致汽車車橋受到損傷，驅(qū)動橋殼作為保護汽車驅(qū)動橋的部件，強度以及剛度都要滿足一定的要求，在設(shè)計的時候，需要設(shè)計人員進行精確而又可靠的設(shè)計。在本文中，作者的主要目的是進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的核心是輕量化，采用的方法是有限元分析法，在有限元分析的過程中，我們先采用Pro/e軟件進行三維建模，然后將模型在ANSYS中進行簡化，簡化完成后，再進行驅(qū)動橋殼在各個行駛狀況下的橋殼應(yīng)力分析以及各個部位的變形狀況，分析得到的結(jié)果，再結(jié)合橋殼各個部分材料的屈服強度，可以初步確定橋殼的可靠性。在此基礎(chǔ)上，再在優(yōu)化模塊進行優(yōu)化設(shè)計，進行了輕量化設(shè)計之后，再檢驗橋殼的可靠性。在橋殼進行了輕量化設(shè)計之后，它的質(zhì)量大大降低，并且可靠性依舊滿足要求，這就可以為制造企業(yè)帶來可觀的價值。驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計是車橋制造領(lǐng)域的一個核心內(nèi)容，輕量化可以降低企業(yè)的制造成本、加工難度，還能夠減少加工過程中的廢氣以及廢水的排放，既對經(jīng)濟有促進作用，還對環(huán)境保護做出了貢獻。本文采用的技術(shù)手段是先采用力學(xué)計算，再用有限元分析軟件進行應(yīng)力分析，然后再進行優(yōu)化設(shè)計。在經(jīng)過上述一系列操作之后，建設(shè)性地解決了一部分的橋殼的優(yōu)化問題，也為汽車后橋的各種零部件的優(yōu)化提供的一個良好的示范。關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋殼；力學(xué)分析；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計AbstractThemainresearchobjectofthisthesisisthedrivingaxlehousing,whichisdesignedoptimally.Driveaxleshellisanimportantcarparts,itisontheaxlebearingloadandtorquecomponents,italsoneedtopasstheforcefromthewheeltoupload,accordingtotheactualsituationintheneedtodealwithvariouscomplexroadconditions,acarmayneedtobearfromdifferentdirections,differentsizesofload,theloadmayresultinautomobileaxledamage,asprotectionofautomotivedriveaxledriveaxleshellcomponents,strengthandstiffnesstomeetcertainrequirements,atthetimeofdesign,needtodesignpersonnelforpreciseandreliabledesign.Inthisarticle,theauthor'smainpurposeistooptimizethedesign,optimizationdesignisthecoreoflightweight,thefiniteelementanalysismethodisadopted,intheprocessoffiniteelementanalysis,wefirstusePro/esoftwarefor3dmodeling,andthentosimplifythemodelinANSYS,simplifiediscompleted,andthentodriveaxleshellsundervariousdrivingconditionsofthebridgeshellstressanalysisanddeformationconditionofeverypart,analysistheresults,combinedwithbridgeshellpartstheyieldstrengthofmaterial,candeterminethereliabilityofthebridgeshell.Onthisbasis,thereliabilityofthebridgehousingistestedaftertheoptimizeddesignoftheoptimizedmoduleandthelightweightdesign.Afterthelightweightdesignofthebridgehousing,itsqualityisgreatlyreducedanditsreliabilitystillmeetstherequirements,whichcanbringconsiderablevaluetothemanufacturingenterprise.Thelightweightdesignofthedriveaxlehousingisacorecontentinthefieldofvehicleaxlemanufacturing.Thelightweightdesigncanreducethemanufacturingcostandprocessingdifficultyofenterprises,andalsoreducetheemissionofwastegasandwastewaterintheprocessofprocessing,whichnotonlypromotestheeconomy,butalsomakesacontributiontoenvironmentalprotection.Thetechnicalmeansadoptedinthisthesisaremechanicalcalculationfirst,stressanalysisbyfiniteelementanalysissoftware,andthenoptimizationdesign.Afteraseriesofoperations,apartoftheoptimizationproblemoftheaxlehousingisconstructivelysolved,whichalsoprovidesagooddemonstrationfortheoptimizationofvariouspartsoftheautomobilerearaxle.Keywords:drivingaxlehousing;Mechanicalanalysis;Finiteelementanalysis;Theoptimizationdesign目錄第一章緒論 第一章緒論1.1研究目的及意義貨車由后輪驅(qū)動，在一輛貨車中，驅(qū)動橋殼也即后橋殼，它起到了重要的支承和傳力的作用。驅(qū)動橋殼能夠把車身上的力傳遞給車輪，把車輪上面的力傳遞給車架、懸架。所以驅(qū)動橋殼必須滿足下列要求：①密閉性好，能夠防止水泥進入并能夠保護裝在上面的傳動部件；②它得具有足夠的使用壽命以及強度，質(zhì)量應(yīng)該在保證可靠性的前提下盡可能地降低；③必須保證足夠的剛度，這樣才能夠保證各個齒輪之間的正常嚙合，并且不會讓半軸套管承受附加彎曲應(yīng)力；④驅(qū)動橋殼還得保證和地面之間的距離足夠大；⑤就驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)來說，工藝性必須很好，這樣能夠保證加工的便利，還能降低成本。[1]根據(jù)驅(qū)動橋殼設(shè)計的一些要求，我們能夠?qū)驓みM行力學(xué)分析計算，然后再通過分析結(jié)果來驗證車橋的剛度是否滿足要求。但是在實際情況中，由于汽車的行駛條件是千變?nèi)f化的，這種變化的條件使得用傳統(tǒng)方法很難計算應(yīng)力。但如果利用有限元分析法就能跟根據(jù)汽車在遭受不同情況時受到的力和轉(zhuǎn)矩來進行進一步的分析計算。可以得到比較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。[2]本文采用有限元分析方法對某整體式?jīng)_焊橋殼進行輕量化。對汽車的驅(qū)動橋殼進行有限元分析從而實現(xiàn)輕量化不僅能夠提高汽車的承載能力，而且能夠降低車橋的生產(chǎn)費用，輕量化的本質(zhì)就是減輕車橋的重量，從而達到減少燃油損耗和增強汽車性能的作用，對汽車零部件的開發(fā)具有重要意義。目前來說，汽車的輕量化一般來說有以下三種主要方法，可以分別從材料、工藝以及結(jié)構(gòu)三個方向來實現(xiàn)優(yōu)化。就材料來說，在汽車材料中，以高強度鋼為主，復(fù)合材料和鎂鋁合金為輔的多材料混合結(jié)構(gòu)逐漸成為當(dāng)前車橋研發(fā)設(shè)計的主流方案。[3]將來，鎂鋁合金和纖維加強復(fù)合材料取代高強度鋼成為主要材料而高強度鋼為輔助材料的多材料混合結(jié)構(gòu)會成為主流方案。就工藝來說，可以通過創(chuàng)新或者引進更先進的技術(shù)來改善加工工藝。而就結(jié)構(gòu)而言，就是采用有限元分析法、邊界元分析法等方法來分析掌握各種情況下的應(yīng)力載荷。本課題主要研究目的是對驅(qū)動橋的強度、剛度等元素進行研究，主要采用響應(yīng)面分析法對驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，再進行驗證，從而能夠得出一套方案。經(jīng)過輕量化設(shè)計后，汽車的整體的結(jié)構(gòu)可以得到改善，驅(qū)動橋殼的重量得以減輕，從而可以降低整個汽車的質(zhì)量。[4]經(jīng)過輕量化設(shè)計的汽車，油耗大大降低，由于具有較低的自重，所以受到的各種阻力都不大。提出輕量化的方案，對于企業(yè)來說，可以為它們的生產(chǎn)、制造、檢驗提供一些參考，更重要的是，能夠降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及設(shè)計水平，在此基礎(chǔ)之上，企業(yè)的核心競爭力可以隨之提高，汽車驅(qū)動橋殼的輕量化具有重大的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟價值。[5]圖1-1某型號輕型貨車驅(qū)動橋圖片圖1-2某型號重型貨車的驅(qū)動橋圖片1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀低碳環(huán)保日益受到全世界的關(guān)注，油氣資源日益消耗，逐漸走向枯竭，所以低油耗、少排放是目前世界汽車研究的重點和熱點。輕量化設(shè)計是降低汽車油耗的有效途徑，作為汽車重要部件的驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計更是重中之重。國內(nèi)研究汽車驅(qū)動橋橋殼的時間的比較晚的，剛開始的研究都是采用傳統(tǒng)的研究方法，主要是一些計算和進行實驗，后來，出現(xiàn)了CAD有以及CAE技術(shù)，國內(nèi)的學(xué)者們也開始利用CAD和CAE軟件對汽車橋殼進行研究，取得了一些成果，不過同國外相比，仍然存在著較大的差距。1982年，國內(nèi)馮星炎先生的團隊對某型號汽車的驅(qū)動橋殼進行了疲勞壽命的實驗，通過改變實驗載荷的試驗方式，擬合出了驅(qū)動橋殼的應(yīng)力曲線。[6]1989年,四川大學(xué)的胡金玉副教授組織團隊設(shè)計了一款能夠進行有限元分析的軟件，他們團隊通過對一些實際橋殼的講解說明了軟件的應(yīng)用方法，還通過實驗的方法對有限元分析的結(jié)果進行了驗證。[7]2007年，南京大學(xué)的羊豐和鄭海靈教授等人通過參數(shù)化建模的方法，用Por/e建立了貨車驅(qū)動橋殼的數(shù)學(xué)模型，同時對影響驅(qū)動橋殼剛度和強度的諸多因素進行了研究，成功完成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，在經(jīng)過一系列優(yōu)化之后，橋殼的壁厚由9.3mm降低至了7.4mm，質(zhì)量減輕了5.6kg。[8]2010年，南京航空航天大學(xué)的孫忠韞教授對驅(qū)動橋殼進行了一系列研究，運用有限元分析法的方法，得出了車橋結(jié)構(gòu)的受力圖并計算出了相應(yīng)的應(yīng)力值，對結(jié)構(gòu)材料多余的部位進行優(yōu)化，對驅(qū)動橋殼的殼體壁厚分布情況進行了精確處理。[9]2015年，周玉旻、劉淼在《基于UG和ANSYS的汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析》一文中，采用UG軟件建立了驅(qū)動橋殼的三維參數(shù)化模型，并且用ANSYS軟件對橋殼進行了有限元分析，分析了橋殼在汽車遭遇不同的行駛狀況之下所受的應(yīng)力情況以及變形情況，最終獲得了具有可靠性的輕量化橋殼，為企業(yè)的產(chǎn)品制造提供了理論方案。[10]2017年，吉林大學(xué)李琳鈺對某重型載貨汽車的驅(qū)動橋進行了有限元分析，使用了Pro/E與ANSYS軟件對驅(qū)動橋殼進行了建模和有限元分析，經(jīng)過分析各個位置的應(yīng)力變化和形變，獲知危險截面的位置，她還研究了疲勞損傷累積理論，并且結(jié)合該理論初步計算出了橋殼的疲勞壽命。[11]1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外在上個世紀(jì)的六十年代開始就對驅(qū)動橋殼進行了大量的實驗和研究，研究的手段非常有效，取得了大量成果，這些成果頗具參考價值。國外的電子技術(shù)發(fā)達，20世紀(jì)80年代開始美國就已經(jīng)將電子信息技術(shù)完美地融入了生產(chǎn)制造之中，ANSYS軟件在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，使用有限元分析軟件可以大大縮短研發(fā)周期。比如美國的波音747客機上所有的零部件都是使用三維建模軟件模擬裝配，之后再進行有限元分析其結(jié)構(gòu)的可靠性，進行改進之后再制作飛機的樣機，零件能夠一次性可靠的概率居然達到了88%，這個案例為采用有限元分析來設(shè)計、生產(chǎn)提供了嶄新的思路并做出了良好示范。早在1974年，日本的學(xué)者MochizukiS等人就分析了汽車的驅(qū)動橋殼因為地面不平整還引起的彎曲應(yīng)力，并且從疲勞強度的方面評價了這部分應(yīng)力，最后得到的計算結(jié)果和實驗結(jié)果完全一致[12]。1978年，美國學(xué)者JerryJG采用了有限元分析的方法對驅(qū)動橋殼的半軸套管進行了有限元分析，大大降低半軸套管的質(zhì)量，還提高了半軸套管的疲勞壽命[12]。1995年，澳大利亞的ChrisJ等人通過對驅(qū)動橋橋殼進行有限元分析，使用了一種劃分網(wǎng)格的方法并且成功做出分析，為有限元分析劃分網(wǎng)格奠定了基礎(chǔ)[13]。1997年，韓國的ParkerG教授帶領(lǐng)團隊深入研究了橋殼的成型方法，對現(xiàn)在使用五驅(qū)動橋殼成型方法進行了研究，并且提出了改進措施，最后的數(shù)據(jù)分析顯示，他的改進方法是世界上最經(jīng)濟的驅(qū)動橋殼成型方法[14]。2011年，巴基斯坦的兩位教授GuddentandB和NillangekerB對制動工況下的驅(qū)動橋殼進行了深入研究，他們改進了橋殼的研究方法，采用試驗的方法對橋殼的性能進行研究，在進行有限元分析之后再進行實驗分析來進行驗證，他們用有限元分析軟件對橋殼進行了改進，提高了驅(qū)動橋殼的疲勞壽命[15]。從上面的研究現(xiàn)狀我們可以看到，國內(nèi)目前的驅(qū)動橋殼輕量化設(shè)計取得了一定成果，但是和國外相比還是存在著差距，差距主要表現(xiàn)在以下的幾個方面：（1）先進的分析方法和設(shè)計理念沒有很好地與實際生產(chǎn)相結(jié)合，新制造工藝的研究相對于理論研究有滯后，導(dǎo)致先進的技術(shù)方法沒能夠盡快地推動制造業(yè)的發(fā)展。（2）經(jīng)驗設(shè)計仍然大量存在，一些設(shè)計師在設(shè)計零件的時候沒有使用科學(xué)的方法去分析（3）對驅(qū)動橋殼的輕量化研究一直在原地踏步，總是在一個領(lǐng)域研究，少有延伸和拓展。1.3主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線1.3.1研究內(nèi)容本文以某輕型載貨汽車的電驅(qū)動橋橋殼為研究對象，本文的研究內(nèi)容由一下的幾個部分組成：（1）使用三維建模軟件Pro/e建立該型號汽車的驅(qū)動橋殼的三維動力學(xué)模型，并且對三維模型進行簡化處理，之后再使用有限元分析軟件ANSYS進行參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)格劃分，獲得該驅(qū)動橋殼的有限元模型。（2）對汽車在不同行駛狀況下的驅(qū)動橋殼受力的情況進行分析和計算。（3）在面對不同的行駛狀況下，汽車驅(qū)動橋殼所受到的力的大小和方向都是有差異的。運用有限元分析軟件，針對汽車在行駛中遇到的不同情況，對驅(qū)動橋殼進行有限元分析。并進行靜力學(xué)分析，再驗證它是否具有可靠性，強度和剛度是否滿足要求，再對橋殼進行輕量化設(shè)計。（4）使用有限元分析軟件的優(yōu)化模塊對橋殼進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化完成之后，將優(yōu)化后的參數(shù)與優(yōu)化前進行對比，最后再進行分析，確定輕量化方案的可靠性。[16]1.3.2技術(shù)路線本論文的輕量化設(shè)計從力學(xué)分析出發(fā)，對電驅(qū)橋的幾種典型工況進行力學(xué)分析，并且對驅(qū)動橋殼進行有限元分析，然后根據(jù)力學(xué)計算得到的計算結(jié)果來進行設(shè)置有限元模型上的載荷[17]。本文的思路是，在完成力學(xué)計算并且對分析結(jié)果進行了判斷之后，以有限元分析為基礎(chǔ)，分析輕量化之后的合理性，合理則能夠進一步計算分析，最終可以確定設(shè)計方案。本文技術(shù)路線如下：圖1-3橋殼優(yōu)化設(shè)計技術(shù)路線第二章驅(qū)動橋的相關(guān)介紹及驅(qū)動橋殼的力學(xué)計算2.1汽車驅(qū)動橋的概述2.1.1汽車車橋簡介驅(qū)動橋橋殼是汽車重要的傳力和承載部件，它的性能對汽車行駛過程中的安全性有著巨大影響。車橋是決定汽車行駛性能的重要部件。載貨汽車的后橋大多是汽車的驅(qū)動橋。本文的研究對象為某型號輕型載貨汽車[18]。2.1.2驅(qū)動橋的作用及組成部分簡介汽車驅(qū)動橋處于傳動系的端點，它是傳力機構(gòu)，也是幫助汽車行駛的機構(gòu)，它還起到支承的作用。驅(qū)動橋的作用包括：①可以放大轉(zhuǎn)矩②可以改變力的方向③能夠更加合理地把力傳遞到車輪。驅(qū)動橋應(yīng)當(dāng)具備如下條件：①有比較合適的傳動比，這樣可以保證汽車的動力并可以節(jié)約燃料成本②有合適的離地間隙③驅(qū)動橋的剛度以及強度必須滿足要求，在此基礎(chǔ)上質(zhì)量應(yīng)該盡可能的小。④驅(qū)動橋的拆卸、裝配、位置調(diào)整必須比較方便[19]。2.1.3驅(qū)動橋橋殼的結(jié)構(gòu)型式本文所研究的橋殼為整體式橋殼，以下是整體式橋殼的簡介：整體式橋殼是一種強度以及剛度都比較高的橋殼，這種橋殼在實際使用當(dāng)中，無論是安裝或者是調(diào)整都是比較方便的。本文的研究對象是沖壓焊接式整體式橋殼，這是一種剛度比較大的橋殼，但是加工面相對來說更多，制造過程也并不簡單，適用于各個類型的貨車[20]。在驅(qū)動橋橋殼當(dāng)中，半軸是一個重要部件[21]。本文采用的是全浮式半軸。全浮式半軸是一種通過軸承來支承的半軸，在此種情況下，半軸僅僅受到轉(zhuǎn)矩的作用，而不承受地面給予的其它的力。但是橋殼在受力情況下發(fā)生變形、而且還會引起彎曲應(yīng)力。使用全浮式半軸的汽車驅(qū)動橋殼在制造過程中由于工藝的復(fù)雜性其成本會有所提高，但因為它在工作中所呈現(xiàn)出的穩(wěn)定性以及可靠性，所以這種半軸廣泛應(yīng)用于各個類型的客車、貨車上。2.2驅(qū)動橋殼的力學(xué)計算一般情況下，我們對驅(qū)動橋殼的力學(xué)計算是根據(jù)汽車不同的行駛狀況來計算的，參考各類力學(xué)書籍上的相關(guān)理論，并且借鑒一些知名研究者在期刊上發(fā)表的作品或者論文[22-23]，本文的力學(xué)計算如下：2.2.1橋殼的靜彎曲應(yīng)力計算在進行受力分析時，我們可以視橋殼為一個梁，路面給輪胎的支撐力為G2,驅(qū)動橋殼承受的力則是這個支撐力跟車輪的重力g之間的差值，這個力的大小為（G2圖2-1滿載勻速行駛工況驅(qū)動橋受力圖及彎矩圖在靜載荷的條件之下，，驅(qū)動橋殼在板簧座之間的彎矩大小為：M=（G2-g）（B-s2）N上式當(dāng)中：G——輕型載貨汽車滿載時靜止在水平地面時驅(qū)動橋給予地面的壓力，N；g——輪胎以及內(nèi)部的制動器等部件的重力，N；B——該貨車的兩個車輪中心之間的距離，m；S——該貨車的兩個板簧座之間的距離，m；進行計算的時候，G取該輕型貨車滿載載荷60000N，兩個車輪之間的距離取1.5m，左右兩個板簧座之間的距離s取1.5m，包括內(nèi)部零件的車輪的重力g相對于G來說比較小，在這里忽略不計。將數(shù)據(jù)代入公式1-1中可以計算出:M=8250N·m從彎矩圖可以看出，板簧座處通常是橋殼的危險端面，靜彎曲應(yīng)力σwj可以通過下式計算出：σwj=MWv×10-6MP上式中：M——左右兩個板簧座間的彎矩，N·m；Wv——板簧座附近危險斷面處的垂向彎矩系數(shù)，m3圖2-2驅(qū)動橋殼危險斷面及半軸套管斷面在本文當(dāng)中，該驅(qū)動橋橋殼在板簧座附近的危險斷面的形狀為矩形管，半軸套管的斷面形狀為圓管。圖二中B=0.108,b=0.084，H=0.120m，h=0.102m，σ=0.012m，σl=0.009m，D=0.070m，d=0.056m，在圓管斷面情況下，垂向及水平彎曲截面系數(shù)Wv=Wh=πD332（1-d4D4），扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)Wt=πD316（1-d4D4）.在矩形管斷面情形下，Wv=16H（BH3-bh3），Wh=16B（HB3-hb3），扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)Wt=2σ（B-σ）（H-σ1），根據(jù)上述公式可以計算出Wv=1.801×10-4m3，Wh=1.596×σwj=58.54Mpa2.2.2不平路面的沖擊工況驅(qū)動橋殼應(yīng)力計算一輛輕型載貨汽車滿載時在水平路面上行駛的時候，驅(qū)動橋殼會給予地面一個壓力，而當(dāng)水平路面變成了崎嶇路面時，載貨汽車所承受的載荷便不止在水平路面上承受的那一部分，還需要承受崎嶇路面所給予汽車的沖擊載荷，這兩部分的載荷疊加起來，才能計算出驅(qū)動橋殼所承受的彎曲應(yīng)力：σwd=kdσwjMpa在上式當(dāng)中：Kd——動載荷系數(shù)，在本文中，輕型載貨汽車該系數(shù)取2.5σwj——靜載荷情形下驅(qū)動橋殼承受的彎曲應(yīng)力，Mpa，通過式（1-2）可計算出來。根據(jù)上式可以計算出驅(qū)動橋殼在承受崎嶇路面的沖擊載荷的情況下所承受的應(yīng)力：σwd=146.35Mpa2.2.3最大牽引力工況下驅(qū)動橋殼所受應(yīng)力計算當(dāng)汽車沒有進行直線行駛時，汽車會受到側(cè)向力的作用，而汽車在直線行駛時，則可以不用考慮側(cè)向力對計算結(jié)果的影響。我們假設(shè)汽車是在進行直線運動，貨車受到的牽引力為最大值，驅(qū)動橋殼不僅需要承受垂直方向的反作用力所引起的彎矩，還需要承受路面的轉(zhuǎn)矩，這一部分轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動橋殼在水平方向的轉(zhuǎn)矩以及水平方向切向力所引起的。下圖是貨車在受到最大牽引力時行駛的受力簡圖。圖2-3最大牽引力工況下驅(qū)動橋殼受力簡圖圖2-4最大牽引力工況下驅(qū)動橋殼鉛垂縱對稱面上彎矩圖圖2-5最大牽引力工況下驅(qū)動橋殼水平縱對稱面上彎矩圖（1）垂向載荷在危險斷面處產(chǎn)生的應(yīng)力在本文中，我們假設(shè)路面給予汽車左右車輪的反作用力ZL、ZR相等，并且ZL=ZR=Gm1上式當(dāng)中ZL、ZR——表示路面對汽車左、右車輪的垂向反力，N；G——貨車在滿載時在水平路面上驅(qū)動橋殼給予地面的力，60000Nm1——該輕型貨車在加速前進時驅(qū)動橋的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，在本文中為了安全著想取1.3由公式（1-3）可計算出：ZL=ZR=39000N驅(qū)動橋殼在兩個板簧座之間的彎矩Mv為：Mv=（Gm12-g）（B-s2）N·m通過上式可以計算出：Mv=10725N·m垂直方向的載荷在板簧座附近產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力值為：σwv=MvWv×10-6Mpa（1上式中Wv——驅(qū)動橋殼在板簧座處的彎矩系數(shù)，已經(jīng)計算出值為1.801×10-4m3從而可以計算出：σwv=59.22Mpa（2）最大切向反作用力在板簧座附近產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：地面對左、右驅(qū)動車輪作用的最大切向反作用力按最大附著力計算，即XL=XR=Gm12ψN（1上式中ψ——輪胎在地面上的附著系數(shù)，在本文中取ψ=0．8。根據(jù)上式可以計算出：XL=XR=33800N這時兩個板簧座之間驅(qū)動橋殼的水平彎矩Mh為：Mh=Gm12ψ（B-根據(jù)上式可計算出：Mh=8580N·m而切向反作用力在板簧座附近所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為：σwh=MhWh×10-6Mpa上式中當(dāng)中Wh——驅(qū)動橋殼在板簧座附近危險斷面的水平彎矩系數(shù)，這個值的大小為1．596×10-4m3，根據(jù)公式可以計算出：σwh=52.22MPa（3）由最大切向反作用力于板簧座附近產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：切向反作用力在板簧座附近所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：T=Gm12ψrN·m（1-9）上式當(dāng)中r——驅(qū)動橋所對應(yīng)的驅(qū)動車輪的半徑，m，本文所研究的驅(qū)動車輪半徑為0.405m。根據(jù)公式1-9可以計算出：T=12636N·m這個轉(zhuǎn)矩在板簧座附近所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：τ=MtWt×10-6MPa上式當(dāng)中Wt——驅(qū)動橋殼在板簧座處的危險斷面的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，大小為3.782×10-4m3，根據(jù)上面的公式可以計算出：τ=46.51Mpa（4）在板簧座附近的合成彎曲應(yīng)力：該驅(qū)動橋殼在板簧座處的危險斷面是矩形管的形狀，這個斷面附近的合成彎曲應(yīng)力σw為：σw=σwv+σwh（1-11）上式當(dāng)中σwv——垂直方向的載荷于板簧座附近產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，Mpa；σwh——切線方向產(chǎn)生的反作用力使得板簧座附近產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，Mpa從上面的計算可以得到，當(dāng)該輕型載貨汽車在牽引力最大的情況下行駛的時候，板簧座處危險斷面的驅(qū)動橋殼的彎曲應(yīng)力σw以及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ的值的大小為：σw=111.44Mpaτ=46.51Mpa2.2.4最大制動力工況下的驅(qū)動橋殼應(yīng)力計算在一輛輕型貨車制動的時候，如果我們忽略側(cè)向力對結(jié)果的影響，那么驅(qū)動橋殼在這個過程當(dāng)中所受的力和汽車在受到的牽引力最大時行駛所受的力大體相似，驅(qū)動橋殼不僅承受垂直方向的彎矩，還承受了路面給予車輪的制動力引起的驅(qū)動橋殼的水平方向上的彎矩以及制動力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。下圖是該輕型貨車在制動情況下驅(qū)動橋殼受力的受力分析圖。圖2-6最大制動力工況下驅(qū)動橋殼受力簡圖圖2-7最大制動力工況下驅(qū)動橋殼水平縱對稱面上彎矩圖圖2-8最大制動力工況下驅(qū)動橋殼鉛垂縱對稱面上彎矩圖（1）垂直方向的載荷在板簧座附近產(chǎn)生彎曲應(yīng)力在本文中，路面對左右兩個車輪的垂直方向的支撐力Z2L、Z2R相等，并且Z2L=Z2R=Gm22上式當(dāng)中Z2L、Z2R——表示地面給左右車輪的支撐力，NG——該輕型貨車在水平路面上靜止時驅(qū)動橋?qū)Φ孛娴膲毫Γ?0000N;m2——該貨車在制動的情況下驅(qū)動橋的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，本文中該值取0.95。從公式1-12可以計算出：Z2L=Z2R=28500N這種情況下，驅(qū)動橋殼在兩個板簧座間的垂直方向的彎矩Mv為：Mv=（Gm12-g）（B-s2）上式中的G、g、m1、B、s見公式1-1的說明。通過上式可計算得：Mv=10725N·m垂直方向的載荷在板簧座附近的彎曲應(yīng)力為：σwv=MvWv×10上式中的Wv——驅(qū)動橋殼在板簧座處的危險截面處的截面系數(shù)，這個值計算得2.158×10-4m3，通過上式可以計算出：σwv=49.70Mpa（2）板簧座附近危險截面處制動力所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：地面對汽車車輪的制動力可以根據(jù)下面的公式進行計算：X2L=X2R=Gm2上式中的ψ——該汽車的驅(qū)動輪跟地面的附著系數(shù)，本文中該值取0.8。從上式可以計算得到：X2L=X2R=22800N而此時驅(qū)動橋殼在左右兩個板簧座之間的水平彎矩為：Mh=Gm12ψ根據(jù)上式能夠計算得：Mh=8580N·m切線方向的反作用力在板簧座附近產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：σwh=MhWh×10上式中的Wh——在板簧座處的危險截面附近驅(qū)動橋殼的水平截面系數(shù)，這個值是1.596×10-4m3根據(jù)公式1-16可以計算出：σwh=53.75Mpa（3）制動力在板簧座附近產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力Mt=Gm12ψm2rN·m（1上式中的r——該汽車的驅(qū)動橋?qū)?yīng)的驅(qū)動輪的半徑，在本文中該值為0.405m根據(jù)公式1-16可以計算出：Mt=9234N·m這個轉(zhuǎn)矩在板簧座附近危險斷面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：τ=MtWt×10-上式中Wt——驅(qū)動橋在板簧座處危險斷面的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，這個值為2.756×10-4m3根據(jù)上式能夠計算出：τ=33.51Mpa（4）在板簧座附近產(chǎn)生的合成彎曲應(yīng)力：板簧座附近驅(qū)動橋殼的危險端面是矩形管的形狀，根據(jù)該形狀的特點，截面的合成應(yīng)力的計算公式為：σw=σwv+σwh上式當(dāng)中σwv——垂直方向載荷在板簧座附近產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，Mpaσwh——制動力在板簧座附近所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，Mpa通過以上公式的計算結(jié)果得，該輕型載貨汽車在進行制動的情況下，驅(qū)動橋殼在板簧座處危險截面的彎曲應(yīng)力σw以及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ為：σw=103.45Mpaτ=33.51Mpa2.2.5最大側(cè)向力工況下的驅(qū)動橋殼應(yīng)力計算一輛輕型載貨汽車在行駛的時候，當(dāng)進行轉(zhuǎn)向時，汽車會受到離心作用，此時地面會給汽車的驅(qū)動車輪一個向心力來使汽車免于發(fā)生側(cè)滑。這里向心力就是側(cè)向力。汽車受到的側(cè)向力的大小和地面給予汽車輪胎摩擦力的最大值相等的時候，汽車的狀態(tài)為即將發(fā)生側(cè)滑的臨界狀態(tài)。如果汽車需要的側(cè)向力的大小比摩擦力還大，汽車就會發(fā)生側(cè)滑。在本文當(dāng)中，通過對研究對象進行測量，該汽車的質(zhì)心高度是1200mm，汽車車輪的輪距是1500mm。下圖是汽車受到側(cè)向力時的受力簡圖以及彎矩圖。圖2-9最大側(cè)向力工況下的驅(qū)動橋殼的受力簡圖圖2-10最大側(cè)向力工況下驅(qū)動橋殼受力的彎矩圖上圖中XL、XR——路面給予汽車車輪的側(cè)向反作用力，NZL、ZR——地面給予車輪的垂直方向的支撐力，N汽車即將發(fā)生側(cè)滑的時候，在側(cè)滑的方向的另一側(cè)的支撐力的大小為零，我們假設(shè)汽車向右邊發(fā)生側(cè)滑，由圖九可以得知XL、XR的大小都是零，驅(qū)動橋的重量由側(cè)滑方向這一側(cè)的車輪來承受，根據(jù)側(cè)滑的平衡狀態(tài)可得：Ph=GB2上式當(dāng)中P——該汽車驅(qū)動橋受到的側(cè)向的力，N；h——該輕型貨車驅(qū)動橋殼質(zhì)心高度，1200mm；G——該輕型貨車滿載靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的力，60000N；B——該汽車驅(qū)動車輪之間的距離，1500mm。根據(jù)公式1-17可以計算出：P=37500N當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)滑的時候，軸承會對輪轂產(chǎn)生支撐力，這兩個支撐力可以根據(jù)車輪的受力平衡條件求出來。輪轂內(nèi)外軸承的支撐力為：S1R=ra+bXR+ba+bZR（1-S2R=ra+bXR-ba+bZR（1-上述公式中a、b——輪轂軸承的支承中心到車輪中心線之間的距離，m；XL、XR——路面給予汽車車輪的側(cè)向反作用力，N；ZL、ZR——地面給予車輪的垂直方向的支撐力，N根據(jù)上述內(nèi)容，我們可以得知XR=P=37500N，ZR=G2=30000N，根據(jù)驅(qū)動橋的二維圖紙我們可以得到該驅(qū)動橋的相關(guān)參數(shù)：a=0.07146，b=0.07146，驅(qū)動橋的半徑為0.405m，通過公式1-18、1-19S1R=136266NS2R=76266N由圖十可以得知，當(dāng)該輕型貨車發(fā)生側(cè)滑的時候，半軸套管承受著最大的彎矩，半軸套管的圓管面就是危險截面，此處的彎矩MA為：MA=S2R(a+b+l)-S1Rl（1-20）上式中的l——輪轂軸承的內(nèi)端支撐面到支承中心的距離，在本文中，該驅(qū)動橋l=0.0164m。半軸套管的危險截面的形狀為圓管狀，該圓管（見圖二）外徑D=0.070，內(nèi)徑d=0.056m，該截面的彎曲截面系數(shù)WA為2.215×10-5m3。根據(jù)公式1-20，將各個參數(shù)代入公式，可以計算出：MA=9916N·m該危險截面處的彎曲應(yīng)力σw為：σA=MAWA×10-6m3（1-21該危險截面處的剪切應(yīng)力τA為：τA=S2Rπ4（D2-d2）×10根據(jù)公式1-21、1-22，代入已知參數(shù)，可以計算出：σA=448MpaτA=55.0Mpa合成應(yīng)力σΣA為σΣA=σA2+3τ根據(jù)上述公式可以計算出：σΣA=458Mpa2.2.6應(yīng)力計算結(jié)果分析該輕型貨車驅(qū)動橋各個部件的屈服強度如下：驅(qū)動橋殼材料為QT450-10，屈服強度為330Mpa，半軸套管材料為45Mn2，屈服強度為735Mpa。通過對四大工況下汽車驅(qū)動橋危險斷面應(yīng)力的計算，前三種工況之下危險截面是在驅(qū)動橋殼之上，三種情況下的合成應(yīng)力都沒有超出驅(qū)動橋殼材質(zhì)的屈服強度極限330Mpa，半軸套管自然更是合用。在最大側(cè)向力工況之下，危險截面是在半軸套管的圓管面上，此時它受到的合成應(yīng)力也沒有超過半軸套管材質(zhì)的屈服強度極限735Mpa。在最大側(cè)向力工況之下，因為這是一種極限情況下的考慮，考慮汽車的車身的載荷都由一側(cè)的輪胎來承受，但在實際情況中，汽車輪胎是具有彈性的，所以汽車超出極限的可能性很小。通過對以上各種工況的分析計算，可以初步認(rèn)為該汽車驅(qū)動橋是滿足上述各種行駛條件的。該驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足幾種常見工況并且有進一步優(yōu)化的可能。2.3本章小結(jié)在本章當(dāng)中，首先對輕型載貨汽車的驅(qū)動橋進行了結(jié)構(gòu)和功能上的簡單介紹，然后對驅(qū)動橋殼在四種典型工況下的受力情況進行了分析，通過對受力情況的分析，結(jié)合驅(qū)動橋殼材料的屈服強度，我們可以初步認(rèn)為該驅(qū)動橋殼可以進行進一步的優(yōu)化設(shè)計。第三章有限元模型的建立及分析3.1驅(qū)動橋殼有限元模型的建立我們首先建立驅(qū)動橋殼的三維模型圖，該橋殼的二維模型則是由某車橋公司提供。在建立三維模型的過程中，我們需要對驅(qū)動橋殼的各個部件進行建模，將板簧座、半軸管、后橋殼蓋等部件進行建模。本文采用的是Pro/e進行建模，在建立有限元模型時，將asm格式的三維模型組件轉(zhuǎn)化成stp格式再將其導(dǎo)入ANSYS中。簡化前的橋殼模型如下：圖3-1完整驅(qū)動橋殼將模型導(dǎo)入ANSYS之后，我們需要在spaceclaim中根據(jù)需要將完整的三維模型進行簡化。簡化的思路如下[24-26]：①將模型中對受力分析影響較小的組件簡化在本文中，驅(qū)動橋殼簡化過程在ANSYS中進行，首先將不影響驅(qū)動橋殼受力分析的零件刪去，在此過程中刪去后橋殼蓋、板簧座、油塞等零件，進行該步驟簡化的目的是使有限元分析的復(fù)雜度降低，在分析的時候能夠盡量避免電腦超過負(fù)荷。②忽略部分細節(jié)特征將一些對有限元分析來說無關(guān)緊要的細節(jié)進行簡化，比如一些圓角、倒角以及部分不重要的圓孔。經(jīng)過此番優(yōu)化后，能夠提升劃分網(wǎng)格速度及精度以及分析速度。在ANSYS中對驅(qū)動橋殼的三維模型進行簡化之后，再對驅(qū)動橋殼進行有限元分析，經(jīng)過這番簡化，電腦的負(fù)荷能夠大大降低，成功率大大提高。簡化后的驅(qū)動橋殼模型如下圖所示：圖3-2簡化驅(qū)動橋殼3.2驅(qū)動橋殼有限元網(wǎng)格的劃分在本文中，我首先采用的是自定義網(wǎng)格大小，我設(shè)定的是10mm，但是在進行分析時分析速度非常緩慢，經(jīng)常報錯，分析成功得到的結(jié)果也和理論分析的結(jié)果不一致。于是我采用了自動劃分網(wǎng)格，自動劃分的網(wǎng)格大小為86.94mm，采用的是均勻網(wǎng)格，這樣可以有效地提高計算精度，降低計算誤差。在自動劃分網(wǎng)格完成后，得到了132046個節(jié)點，79033個單元。得到的簡化驅(qū)動橋殼的有限元模型如圖所示。[27]圖3-3劃分網(wǎng)格后的橋殼有限元模型3.3驅(qū)動橋殼材料屬性的選取在ANSYS中進行有限元分析時，對材料屬性進行設(shè)置時，材料屬性的設(shè)置一般有強度、彈性模量、密度等幾個方面。在本文中，驅(qū)動橋殼的材料是QT450-10，半軸套管采用的材料是45Mn2。上述兩種材料的具體參數(shù)如表3-1所示。在進行有限元分析時，我們假設(shè)這些材料都是均勻的。表3-1材料參數(shù)表零部件材料彈性模量泊松比密度（kg/mm3）驅(qū)動橋殼QT450-101.69E50.2777.3E-6半軸套管45Mn22.10E50.287.9E-63.4驅(qū)動橋殼的靜力學(xué)分析3.4.1載荷以及約束設(shè)置在各個工況下，載荷以及約束的設(shè)置方法如表3-2以及表3-3所示。表3-2橋殼在各工況下的加載方式工況加載方式垂直載荷工況將垂向力施加于板簧座處最大牽引力工況在車輪的輪距處施加垂向力，再在其垂直方向也即汽車運動方向施加牽引力最大制動力工況在車輪的輪距處施加垂向力，再在其垂直方向也即摩擦力的方向施加制動力最大側(cè)向力工況在汽車的輪距處施加垂向力，再在汽車發(fā)生側(cè)滑的方向施加側(cè)向力表3-3橋殼在各工況下的約束條件工況約束條件垂直載荷工況在橋殼兩端輪距處的節(jié)點Y、Z的平動方向設(shè)置約束最大牽引力工況在一側(cè)板簧座處X、Y、Z的平動方向設(shè)置約束；在另一側(cè)板簧座處約束X和Z的平動方向設(shè)置約束最大制動力工況在板簧座處X、Z的平動方向設(shè)置約束；在左右法蘭盤螺栓孔處限制X方向的自由度最大側(cè)向力工況在一側(cè)板簧座處X、Y、Z的平動方向設(shè)置約束；另一側(cè)板簧座處X和Z的平動方向設(shè)置約束3.4.2各工況下的靜力學(xué)分析在ANSYS的mechanical板塊中劃分網(wǎng)格，設(shè)置好載荷以及約束之后，就能夠進行求解了，在求解結(jié)束后，能夠查看在各個工況下驅(qū)動橋殼各個部位的應(yīng)力和變形結(jié)果。（1）不平路面沖擊工況該輕型載貨汽車的驅(qū)動橋殼在汽車滿載的情況下承受的載荷是6000kg，在靜止的情況下汽車橋殼受到的應(yīng)力以及橋殼的總變形量如圖3-4、3-5所示。對不平路面沖擊工況進行靜強度分析時，汽車驅(qū)動橋殼承受的載荷的大小是靜止工況下的2.5倍，垂直作用在板簧座處，此時橋殼受到的應(yīng)力以及總變形量如圖3-6、3-7所示。圖3-4滿載工況等效應(yīng)力云圖圖3-5滿載工況變形云圖圖3-6沖擊工況等效應(yīng)力云圖圖3-7沖擊工況變形云圖由圖3-4可知，在汽車滿載靜止時，橋殼所受到的最大等效應(yīng)力在左右板簧座處，應(yīng)力大小為83.591Mpa，沒有超出材料的許用應(yīng)力。由圖3-5可知，該橋殼的最大變形量是0.644mm，根據(jù)《汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)》[28]，載貨汽車每米輪距所允許的最大變形量不能超過1.5mm/m，該橋殼的變形量為0.429mm/m，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以該橋殼的剛度在該工況下是滿足要求的。由圖3-6可知，在沖擊工況下，汽車橋殼受到的最大等效應(yīng)力大小為208.98Mpa，沒有超出橋殼材料能承受的最大應(yīng)力，由圖3-7可知，汽車橋殼的最大變形量是1.609mm，輪距的最大變形量為1.073mm/m，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以橋殼的剛度在該工況下是滿足要求的。（2）最大牽引力工況該工況下的等效應(yīng)力云圖和變形云圖如圖3-8、3-9所示。圖3-8最大牽引力工況等效應(yīng)力云圖圖3-9最大牽引力工況變形云圖由圖3-8可知，橋殼在最大牽引力工況下承受的最大應(yīng)力為164.96Mpa，應(yīng)力最大處是左右板簧座處，該最大應(yīng)力遠小于橋殼各部分材料的許用應(yīng)力，所以，在最大牽引力工況下橋殼材料滿足要求。由圖3-9可知，橋殼變形最大的部位是兩端半軸的軸頭處，最大變形量是2.018mm，橋殼的每米輪距的變形量是1.345mm/m，符合標(biāo)準(zhǔn)，所以該橋殼的剛度是滿足要求的。（3）最大制動力工況在該工況下橋殼的等效應(yīng)力云圖和變形云圖如圖3-10、3-11所示。3-10最大制動力工況等效應(yīng)力云圖3-11最大制動力工況變形云圖由圖3-10可知，橋殼在最大制動力工況下承受的最大應(yīng)力為115.15Mpa，應(yīng)力最大處是左右板簧座處，該最大應(yīng)力遠小于橋殼各部分材料的許用應(yīng)力，所以，在最大制動力工況下橋殼材料滿足要求。由圖3-11可知，橋殼變形最大的部位是兩端半軸的軸頭處，最大變形量是1.428mm，橋殼的每米輪距的變形量是0.952mm/m，符合標(biāo)準(zhǔn)，所以該橋殼的剛度是滿足要求的。（4）最大側(cè)向力工況在該工況下橋殼的等效應(yīng)力云圖和變形云圖如圖3-12、3-13所示。圖3-12最大側(cè)向力工況等效應(yīng)力云圖圖3-13最大側(cè)向力工況變形云圖由圖3-12可知，橋殼在最大側(cè)向力工況下承受的最大應(yīng)力為115.15Mpa，應(yīng)力最大處是右側(cè)板簧座處，該最大應(yīng)力遠小于橋殼各部分材料的許用應(yīng)力，所以，在最大制動力工況下橋殼材料滿足要求。由圖3-13可知，橋殼變形最大的部位是右端半軸的軸頭處，最大變形量是2.165mm，橋殼的每米輪距的變形量是1.440m/m，符合標(biāo)準(zhǔn)，所以該橋殼的剛度是滿足要求的。3.5本章小結(jié)在本章中，我對貨車進行了有限元分析，主要是從靜強度以及剛度方面進行分析，在進行完分析之后我可以得出如下結(jié)論：（1）對驅(qū)動橋殼的靜強度有限元分析的準(zhǔn)確性跟很多因素有關(guān)，比如橋殼模型的幾何特征的簡化、有限元模型中網(wǎng)格的劃分。在劃分網(wǎng)格的過程中，為了減少電腦的負(fù)擔(dān)以及節(jié)約時間，在不影響分析結(jié)果的情況下，可以盡量選擇較大的網(wǎng)格。在進行了靜強度分析之后，驅(qū)動橋殼在四大常見工況下的各部分最大應(yīng)力值都小于橋殼材料的許用應(yīng)力。如果要對橋殼的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，我們可以考慮從減少橋殼中央部分的壁厚的角度進行。（2）進行有限元分析后，我發(fā)現(xiàn)橋殼中的每米輪距的最大變形量都沒有超出1.5mm/m，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。第四章驅(qū)動橋殼的優(yōu)化設(shè)計4.1概述驅(qū)動橋殼的優(yōu)化設(shè)計是一個很大的課題，在各個車橋公司里最為常見的優(yōu)化設(shè)計思路是輕量化設(shè)計。但優(yōu)化設(shè)計還有很多其它方面的內(nèi)容，我們需要對研究對象進行各個方面的分析，然后在滿足應(yīng)力要求，滿足變形要求的情況下減少橋殼的體積、質(zhì)量，在綜合各個因素的情況下找到最有效率的方案[29]。本文在第三章對汽車橋殼進行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)該橋殼在各個工況之下強度都滿足要求，并且橋殼在各工況下承受的應(yīng)力遠沒有達到它材料的許用應(yīng)力，都有著不小的盈余，根據(jù)這個結(jié)論，我們可以對汽車橋殼進行優(yōu)化設(shè)計。在當(dāng)今時代，輕量化一般有如下幾種思路[30-31]：一是采用強度很高而密度較小的材料，比如鋁合金、鎂合金等。二是用有限元分析軟件進行有限元分析，在分析后，我們可以得出能夠進行優(yōu)化設(shè)計的部位以及大概的數(shù)值。在進行優(yōu)化設(shè)計之后，再將模型導(dǎo)入有限元分析軟件進行分析，如果強度依然滿足要求，那橋殼的優(yōu)化設(shè)計便是成功的。但是在實際情況中，更換更為優(yōu)質(zhì)的材料需要高得多的成本，而那樣的高成本會導(dǎo)致生產(chǎn)的車橋的價格在市場中沒有競爭力，所以在本文當(dāng)中，我們主要采用有限元分析軟件ANSYS進行橋殼的優(yōu)化設(shè)計。4.2優(yōu)化設(shè)計前的準(zhǔn)備根據(jù)在ANSYS中進行的有限元分析結(jié)果，我們可以大致得出優(yōu)化方案。在分析結(jié)果中，我們可以看到橋殼中央部位是在各個工況下承受應(yīng)力最小的部位，在變形方面，也只有沖擊工況下變形量較大，但依然是一個很安全的數(shù)值。所以我們可以降低橋殼中央處的壁厚來進行橋殼輕量化設(shè)計。橋殼靜強度分析結(jié)果中，在沖擊工況下，驅(qū)動橋殼承受的最大應(yīng)力是208.98Mpa，承受應(yīng)力最大處為半軸套管與車橋主題的連接位置，半軸套管材料的屈服強度是735Mpa，最大應(yīng)力值遠小于735Mpa，據(jù)推測，該位置始終可靠。根據(jù)分析結(jié)果，變形最大的部位在橋殼中央，這是我們進行優(yōu)化的位置，也是需要注意的位置，在該處每米輪距的最大變形量是1.073mm/m，在進行了優(yōu)化設(shè)計后，橋殼中央每米輪距的最大變形量必須小于1.5mm/m，最大應(yīng)力必須小于330Mpa。在上述原則的指導(dǎo)下，我們可以進行優(yōu)化設(shè)計。4.3驅(qū)動橋殼優(yōu)化的進行在本次橋殼優(yōu)化過程中，重要參數(shù)為橋殼的厚度h，驅(qū)動橋殼的半軸材料是45Mn2,橋體材料的QT450-10，兩種材料的許用應(yīng)力大小差別很大，如果直接對驅(qū)動橋殼進行優(yōu)化的話，可行性并不是很高，所以我們主要針對橋殼的中央部位的厚度進行優(yōu)化。[26]主要有如下幾個好處：（1）橋殼中央的調(diào)整對于橋殼的整體來說影響比較小，而且對于裝配的影響也不大。（2）橋殼的中央部位是橋殼表面積最大的部分，進行優(yōu)化的時候可操作空間比其他部位大。（3）對橋殼的中央進行優(yōu)化設(shè)計有許多已經(jīng)被證明成功的技術(shù)路線以及改進方案可供參考。接下來，我們需要把橋殼的數(shù)學(xué)模型建好，該數(shù)學(xué)模型主要包括以下三個方面的內(nèi)容：（1）設(shè)計變量在本文當(dāng)中，設(shè)計對象是驅(qū)動橋殼，橋殼的原始厚度是11mm，這是橋殼本體部分的厚度（不包括方形截面與圓形截面的過渡部分），根據(jù)我們在實際加工中的情況，我們將橋殼本體的厚度約束為8-11mm。（2）狀態(tài)變量在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，狀態(tài)變量的約束一般是指對于研究對象承受的應(yīng)力的約束，橋體部分承受的應(yīng)力不能夠大于330Mpa，半軸套管部分的應(yīng)力不能夠大于735Mpa，由此我們可以得到約束條件：σ1≤330Mpaσ2≤735Mpa（3）目標(biāo)函數(shù)在本文中，對驅(qū)動橋殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的最終目的是達到車橋輕量化的效果，在不超過橋殼各部分材料能夠承受的最大應(yīng)力的條件下，我們選用橋殼的重量作為目標(biāo)函數(shù)，它和橋殼的體積是有關(guān)系的，所以我們可以得到關(guān)系式：W=f（h）我們進行輕量化設(shè)計的目的就是得到W=minf（H）（4）選取工況在各種工況之下，橋殼主體部分受到最大應(yīng)力的情況是沖擊工況之下，所以在本次設(shè)計當(dāng)中，我們選擇沖擊工況下的受力情況對驅(qū)動橋殼進行優(yōu)化設(shè)計。數(shù)學(xué)模型建立好之后，我們便能正式進行優(yōu)化了。橋殼的厚度在實際的加工當(dāng)中，根據(jù)橋殼厚度范圍在8-11mm，我們選用ANSYS里面tool中的“first-order”進行優(yōu)化操作。[32]我們設(shè)置最大迭代次數(shù)為25次，然后運行系統(tǒng)，在迭代至第9次之后出現(xiàn)了收斂的情況，迭代表如表4-1所示。表4-1迭代過程參數(shù)表迭代次數(shù)橋體承受應(yīng)力σ1（Mpa）半軸套管承受應(yīng)力σ2（Mpa）h(mm)W(kg)1282.75440.5611.00094.762308.74447.3210.69494.183352.71454.319.916492.664311.45451.1110.26393.655335.48446.3210.13293.126304.12443.3210.07192.827315.76451.6510.01292.508322.67447.239.965291.639318.13452.319.960891.23根據(jù)上面的圖表我們可以看出，第九次迭代的結(jié)果是眾多結(jié)果中的最優(yōu)解，橋殼的質(zhì)量從94.76kg減少到了91.23kg，減少了3.53kg，質(zhì)量僅僅為原質(zhì)量的96.27%，并且橋殼以及半軸套管所承受的應(yīng)力都小于各自材料的許用應(yīng)力。如果對該輕量化設(shè)計的能夠造成的經(jīng)濟效益進行考量，如果我們假設(shè)某企業(yè)一年能夠生產(chǎn)該輕型貨車驅(qū)動橋殼3萬件，每一臺驅(qū)動橋殼在生產(chǎn)過程中能夠少用3.53kg的鑄鐵材料。一年下來，能夠節(jié)約材料105.9噸，該鑄鐵材料的市場價大約是6000元/噸，所以對橋殼進行的輕量化設(shè)計能夠創(chuàng)造經(jīng)濟效益63.5萬元。同時，該優(yōu)化設(shè)計不僅能創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，還會對節(jié)能減排，保護生態(tài)文明起到一定的作用。4.4驅(qū)動橋殼的優(yōu)化驗證4.4.1優(yōu)化設(shè)計之后橋殼的靜強度分析驅(qū)動橋殼在汽車多種行駛狀況下的危險部位不同，危險部位在橋殼主體的情況為沖擊工況和滿載工況，其它的工況的危險部位都集中在半軸套管的末端，在橋殼主體部分所受到的應(yīng)力比在沖擊工況下主體受到的應(yīng)力要小，所以我們在進行優(yōu)化后的有限元分析只需要對沖擊工況之下的應(yīng)力以及變形情況進行分析便能夠了解驅(qū)動橋殼的可靠性情況。在對橋殼進行了優(yōu)化設(shè)計之后，我們對橋殼在沖擊工況下進行有限元分析，分析其受到的應(yīng)力以及應(yīng)變。橋殼的應(yīng)力云圖如圖4-1.4-2.4-3所示。4-1優(yōu)化后驅(qū)動橋殼應(yīng)力云圖4-2優(yōu)化后軸管應(yīng)力云圖4-3優(yōu)化后危險部位應(yīng)力云圖從圖4-1和圖4-2可以得知，在進行了優(yōu)化設(shè)計之后，橋殼承受的最大應(yīng)力為315.77Mpa，在半軸套管和橋殼主體的連接處，小于該部分材料的屈服強度735Mpa，在橋殼中央的最大應(yīng)力為236.84Mpa，也小于該部分材料的屈服強度330Mpa，所以在優(yōu)化之后橋殼各個部分的強度仍然滿足要求。該橋殼的優(yōu)化是在滿足強度要求的情況下進行的優(yōu)化。4.4.2輕量化后的剛度分析進行優(yōu)化設(shè)計之后，該橋殼的變形云圖如圖4-4所示。圖4-4優(yōu)化后驅(qū)動橋殼變形云圖從圖4-2可以得知，該驅(qū)動橋殼在優(yōu)化之后的最大變形量是1.824mm，，每米輪距的變形量是1.216mm/m，小于1.5mm/m，而且由于現(xiàn)有條件的限制，無法設(shè)置橋殼中央的約束，所以該橋殼在該工況之下的變形量比1.216mm/m還要小，所以該橋殼的剛度完全滿足要求。4.5橋殼優(yōu)化前后的對比分析在優(yōu)化之前，該橋殼主體部分的壁厚為11mm，在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后，橋殼的壁厚來到了9.96mm，厚度減少了1.04mm，在減少了1.04mm的壁厚后，橋殼的質(zhì)量由94.76kg減少到了91.23kg，質(zhì)量減輕了3.53kg，經(jīng)過計算，如果一家車橋企業(yè)每年能夠生產(chǎn)3萬件，那么根據(jù)鑄鐵材料的市場行情6000元/噸，采用優(yōu)化后的方案比優(yōu)化前的方案每年能夠節(jié)省63.5萬元。并且優(yōu)化之后的方案比優(yōu)化之前的方案在節(jié)省材料的同時，還能減少廢氣的排放，根據(jù)計算，每年能減少排放的廢氣相當(dāng)于少生產(chǎn)了1160臺驅(qū)動橋殼，既做到了資源節(jié)約，又做到了環(huán)境保護，對于企業(yè)來講，這就是增強企業(yè)競爭力的契機。如果在該方案當(dāng)中，驅(qū)動橋殼具有可靠性（即驅(qū)動橋殼各個部分的強度和剛度滿足要求）的話，那么該方案對于企業(yè)的發(fā)展而言可謂非常有利。根據(jù)優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果，在優(yōu)化之前，在沖擊工況下，汽車橋殼受到的最大等效應(yīng)力大小為208.98Mpa，各個部分都沒有超出橋殼材料的許用應(yīng)力，橋殼的每米輪距的最大變形量是1.073mm/m，同樣符合國家標(biāo)準(zhǔn)。在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后，驅(qū)動橋殼各個部分所承受的最大應(yīng)力是315.67Mpa，危險部位位于半軸套管和橋殼主體的連接件處，該最大應(yīng)力值小于該部分材料的許用應(yīng)力735Mpa，而驅(qū)動橋殼中央部分的最大應(yīng)力是235.48Mpa，同樣小于橋殼在該部位的材料的屈服強度330Mpa。所以在優(yōu)化前后驅(qū)動橋殼各個部分的應(yīng)力都沒有超過各個部分材料的許用范圍，但是在優(yōu)化之后橋殼各個部分承受的應(yīng)力大小距離材料的許用應(yīng)力的大小更近，這樣能夠更好的在許用范圍之類降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)競爭力。4.6本章小結(jié)在本章當(dāng)中，我采用了ANSYS對該驅(qū)動橋殼進行了優(yōu)化設(shè)計，主要進行的優(yōu)化操作是對橋體部分的壁厚進行優(yōu)化，在進行優(yōu)化之后，橋殼的壁厚降低，橋殼的體積減少，重量減輕，能夠帶來經(jīng)濟效益，在生產(chǎn)過程還能夠節(jié)能減排，對環(huán)境更加友好。在優(yōu)化過程中，我們需要建立數(shù)學(xué)模型，找到量與量之間的對應(yīng)關(guān)系，才能夠進行優(yōu)化。在本文中，對應(yīng)關(guān)系是橋殼的重量與體積之間的函數(shù)關(guān)系。在建立好模型之后進行優(yōu)化設(shè)計難度便大大降低了。在優(yōu)化設(shè)計完成之后，還得進行靜強度和剛度分析并將優(yōu)化后的橋殼與優(yōu)化前的橋殼進行對比，在進行了沖擊工況下的有限元分析之后，我們能夠得知該橋殼仍然滿足強度和剛度的要求。通過與優(yōu)化前的橋殼進行對比，我們發(fā)現(xiàn)，該橋殼在體積減少的情況下，質(zhì)量也隨之大大降低，且在可靠性上依然滿足要求，我們達到了優(yōu)化設(shè)計的目的。這是一次比較成功的優(yōu)化設(shè)計。第五章總結(jié)本文主要針對車橋企業(yè)在制造車橋的時候面臨的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題，進行一系列的研究。在查閱了大量資料的情況下，針對某型號的輕型載貨汽車的驅(qū)動橋殼進行了力學(xué)分析，并且通過三維軟件建模以及有限元分析軟件，成功地對該驅(qū)動橋殼進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文得出了一些結(jié)論，總結(jié)如下：（1）在研究了驅(qū)動橋殼的輕量化的理論之后，借鑒相關(guān)的一些技術(shù)資料，完成了本文的研究內(nèi)容以及技術(shù)路線；（2）對驅(qū)動橋殼的進行力學(xué)分析及計算，通過對汽車在不同行駛狀況下的受力進行計算，為下文的有限元分析中的載荷設(shè)置奠定了基礎(chǔ)；（3）在三維軟件中完成建模后，將模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，進行簡化以及劃分網(wǎng)格等操作，建立了有限元模型;（4）在有限元分析軟件中進行驅(qū)動橋殼的靜力學(xué)分析，對汽車在各種形式狀況下驅(qū)動橋殼所受到的應(yīng)力和變形進行了分析，通過