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基于Workbench对驱动桥壳进行设计及
有限元分析
摘要:利用Solidworks软件建立驱动桥的三维实体模型，然后利用Solidworks与有限元分析的接口连接，将驱动桥的三维实体模型置入有限元分析软件;在有限元分析软件模块Workbench上对汽车驱动桥进行静态分析。结果表明，所建立的汽车驱动桥壳模型具有良好的力学性能，为汽车驱动桥的生产提供了试验数据。
关键词:驱动桥壳;ANSYS;啮合;Workbench
1.介绍
随着“十二五”规划对高新技术产业的大力投资，我国汽车产业作为综合性高新技术产业得到了快速发展。驱动桥在汽车零部件的许多零部件中占有相当重要的地位，它承受着道路与汽车悬架之间各种复杂的力和力矩，在汽车零部件中处于最恶劣的工作条件下。如果设计不当，将会导致严重的后果。注重并加快汽车驱动桥的改进、稳定创新，提高产品质量以满足客户需求，这对加快汽车制造业的发展具有重要意义。本文在了解国内外汽车驱动桥外壳的前提下。利用Solidworks软件对典型的驱动桥进行三维建模，然后利用ANSYS的Workbench模块对驱动桥壳进行模拟实验，在不进行物理实验的基础上，提供驱动桥壳的实际生产数据，不仅节省了材料，同时也节省了驱动桥壳的生产成本。
2.建立驱动桥壳的力学模型
2.1 .驱动桥壳的选择
桥壳按结构型式可分为三种类型。如分段式、整体式、组合式。
整体式桥壳的特点是整个桥壳构成一个整体，就像整个桥的空心壳梁一样，它的强度和刚度都比较好。而桥壳和主减速器壳又分为两个主体，主减速器和差速器是独立的，主齿轮安装在壳上形成独立的总成，将其放置在前桥壳上将桥中间放入壳体调整后，与桥壳用螺栓连接在一起。使主齿轮箱和差动机构的拆卸、调整、维修和保养变得容易。[1]
综合以上优点，我们选择整体式桥壳作为研究对象。
2.2建立驱动桥壳体的三维实体模型
利用Solidworks软件创建驱动桥的三维结构模型，首先要创建一个零件模型，然后将驱动桥零件进行集合装配，装配过程主要用于匹配和对齐两种约束关系。三维虚拟驱动桥总成以壳体为最终驱动总成的基体，通过缩放、旋转、移动等工具来检查总成是否存在问题。如果发现问题及时修改结构设计参数，具体驱动桥总成如图1所示。
图1.驱动桥壳装配图
3.建立驱动桥壳有限元模型
首先建立有限元模型进行有限元分析，其中包括建立Solidworks 驱动桥壳体模型，导入ANSYS WORKBENCH软件模块，对驱动桥壳体进行必要的校核和更换模态，然后开始网格化和添加材料特性，最后建立了驱动桥壳的有限元模型。
利用建立的驱动桥桥壳有限元模型，使用ANSYS WORKBENCH软件模块对驱动桥桥壳模型进行静强度分析，通过强大的有限元仿真计算;分析驱动桥壳的结构性能。具体的有限元模型驱动桥设计步骤如下。
3.1将Solidworks工艺在ANSYS WORKBENCH中的改进
Solidworks和ANSYS指定的常用文件格式有IGES、PARASOLID、ACIS等文件格式。
由于PARASOLID格式具有良好的实质性，不会缺少相关的模型特性，所以本文以PARASOLID格式为例。
具体导入步骤如下:
(1)启动Solidworks三维建模软件，打开三维实体模型的驱动桥壳。
(2)在文件中打开Solidworks软件→另存为→弹出另存为对话框→选择PARASOLID格式(文件扩展名为x_t)→输入保存路径和文件名→点击确定→完成从SLDPRT到PARASOLID的格式转换。
(3)启动ANSYS WORKBENCH软件模块，从文件中选择导入，打开文件转换对话框。
建立驱动桥壳的几何模型，根据驱动桥壳的结构和工作特性，为了减少计算量，同时保持其在相同条件下的力学性能，简化必要的驱动桥壳结构:
(1) 在轴壳结构周围形成直角不仅有利于简化建模，而且有利于建立有限元模型提取截面的过程，以便于使用壳单元进行啮合使用;
(2)忽略填料、油口、开槽中心轴箱、孔中心弹簧座等几何特征;
(3)简化了受力，但有一小部分是由于横截面的突变造成的，如忽略桥管台阶、桥管套管的直径和桥轴承两端的台阶;
(4) 假设部分结构具有不等厚变为等厚，以便于截面位置的确定。由于驱动桥壳的造型是近似对称的，所以整体思路是先建立左半部分的造型模型，然后通过建立完整的几何模型对称性，最终完成公共局部特征。
在建立驱动桥壳的几何模型时，直接利用曲面几何建立驱动桥壳的几何模型，即简化了驱动桥壳的几何模型，也无需在有限元软件中进行前后处理来提取曲面的加工步骤，节省时间，提高工作效率。
3.2定义元素类型
Solid187是由10个节点四面体实体元素构成的三维结构，可用于生成不规则网格模型(各种CAD / CAM系统生成的模型)。单位由10个节点定义，每个节点在XYZ方向上有3个平移自由度。Solid187空间中任意方向具有各向异性的单元支撑自动单元选择技术，具有塑性、蠕变、钢材应用、形变性能强和应变能力强。
图2、Solid187的元素类型
3.3选择材料并定义其属性
此材料选用16Mn，具体材料性能如表1所示。
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名称 |
材料 |
弹性模量 （Mpa） |
泊松比 |
密度 |
屈服强度 （Mpa） |
|
驱动桥壳 |
16Mn |
|
0.3 |
|
320 |
表1.驱动桥壳体材料属性表[3]
驱动桥壳材料的具体定义如下：（1）在ANSYS Workbench的工程数据窗口中添加新材料并定义文件的名称为My_new_material，填写相应的对话框的弹性模量、泊松比、密度等参数（表1），然然后返回到“机械”窗口，选择“Proejectgt;几何体gt;实体”，在左边的底部属性对话框，选择材质，然后点击小箭头选择刚刚定义好的材质。[2]
3.4啮合
在驱动桥啮合时，要考虑实际生产中的经济性和现实性，需要根据以下原则进行划分:
(1)所选元件类型在无电源状态下不能产生畸变现象;
(2)机械结构应满足精度分析的要求，尽量简化结构;
(3)可采用对称性、重复性，节省计算机内存和计算时间，必要时可采用对称性和机械零件重复性功能;
(4)选择合适的数学模型，在保证计算和分析的准确性的基础上，尽量减少计算时间和成本。
下图为驱动桥啮合示意图。共有47310个节点，共有24003个单元。
图3.驱动桥壳体的啮合
3.5施加位移、约束和荷载
本文仅在承受静载荷的情况下，当车辆静止在路面的水平面上时，车辆驱动桥所受的力如图4所示。
由传动轴带动轮轴轴承，从轴承上带动车轮。此时，板簧的轴套上承载着汽车的全部重量。沿桥壳中心线两侧轮胎，轮胎对地面有反作用力，大小为G2/ 2。因此，轴壳承受地面的反作用力和车轮尺寸之间的重力差gw，公式为（G2-gw）。因此，在车内静载荷作用下，轴板两端弹簧座之间的弯矩为：
G2——满载汽车静止在水平路面上的重力，N;
gw——车轮重力（包括车轮、刹车等），N；
B ——轮距，m；
S ——驱动桥弹簧座在两个钢板中心之间的距离，m；
Fs ——受力图中轴的静弯曲应力的力值，s。[4]
图4.桥梁静力弯曲应力的壳层图
根据台架试验的约束性要求，我们在ANSYS Workbench上进行了轴边界条件的有限元分析；轴壳两端为Y、Z方向的自由度约束，X轴方向的末端即取Y、Z轴相交的末端，作为X、Y、Z方向的各个自由度的约束。实验台如图5所示。图5.驱动桥壳台架试验
电液伺服控制系统
力传感 器
试样nt
传动螺 钉
入口框 架
固定装置
最大载荷按照QC / T533-1999规定的疲劳试验标准，当试验车辆为二手车时，按驱动桥载荷2.5倍全轴负荷计算，最小负荷按0.5倍的全轴负荷计算。最大后桥负载24,100N，路径1200mm，弹簧板座椅距离900mm，厂家提供全轴重24,100N，分别采用表面力法将弹压板应用到坐下来的部分轴承座上。选择荷载gt;远程力，按力选择参考平面，指定点坐标位置，X=-616mm，荷载类型分量，负方向沿Y轴方向，大小24,100N。同样，荷载可以对称施加，选择参考受力平面，并指定点坐标的位置，X=-616mm，荷载类型，方向沿-Y轴方向，大小为24,100N。如图6所示。
(1)选择负载gt;远程力;
(2)选择参考力面，指定点坐标位置，X = 616mm，荷载类型分量，方向沿y轴方向，大小24100N;
(3) 同样，可以对称施加荷载，选择参考受力平面，并指定点坐标的位置，X=-616mm，荷载构件类型，沿Y轴方向，大小为24100。具体情况如图6所示。[2]
图6.对驱动桥壳载荷进行约束和加载
3.6结构静力分析
(1)求解设定的参数，设定所需要解决的物理问题
①选择 形变gt;总体;
②选择 应力gt;等效值（Von Mises）；
(2)解决
①选择解决方案并选择实体选择模式;
②单击鼠标右键gt;插入gt;应力gt;等效（Von-Mises）（应力和变形贴图）
③单击鼠标右键gt;总形变(形变)结果;
④单击“求解”进行求解。驱动桥的应力如图7所示。
(a)位移图
(b)应力图
图7.7毫米厚度驱动桥壳体的应力和位移图
对驱动桥壳厚度分别从7mm、8mm和9mm在不同工况和载荷下进行了分析，总结如下表，从表中可以看出驱动桥壳的性能达到了QC/T 533-1999的要求，按照国家标准，在满载时，轴的最大变形不超过1.5mm/m；承受2.5倍满载时轴的载荷，轴壳和塑性变形不能断裂。根据建立的有限元分析模型，计算出各构件在轴重为2.5倍时的满载位移和应力情况。计算为：最大位移1.0086mm；车轴与驱动桥壳管接头处最大应力，最大应力604.1MPa[4]。
|
桥壳厚度（mm） |
7 |
8 |
9 |
|
|
条件1 |
全轴载荷（N） |
24110 |
25100 |
26200 |
|
条件2 |
轴负载为满载的2.5倍（N） |
60275 |
62750 |
65500 |
|
满载时的最大位移（mm） |
1.0086 |
1.0500 |
1.0960 |
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