英语原文共 9 页
通过有限元素分析 进行后车轴外壳原型的疲劳失效预测
M.M. Topaccedil; a, *, H. Guuml;nal b, N.S. Kuralay a
杜库兹艾尔大学机械工程系，工学院，土耳其伊兹米尔博诺瓦35100号
摘要
垂直疲劳过程中在预期负荷周期之前发生的过早故障对后轴壳原型进行了试验研究。在这些测试中，裂纹主要起源于在同一地区的测试样本上。要确定失败的原因，请详细说明建立了桥壳的cad模型。外壳材料的力学性能是通过拉伸试验确定的。利用这些数据，用有限元方法进行了应力和疲劳分析。疲劳裂纹起始位置和最小数目确定故障起始前的负载周期.所提供的测试结果与分析相比。提出了改进设计的解决方案，以增加桥壳的疲劳寿命。
关键字：后车轴外壳 应力浓度 疲劳 有限元分析
1.前言
经济的发展使得汽车在人们生活中所占比重越来越大，而轻型载货汽车在汽车生产中占有较大份额，结构简单、造价低廉的驱动桥的需求增长。它可以降低生产总成本，推动低速载货汽车经济的发展。桥壳是车辆重要的结构件，用于保护主减速器、差速器和半轴等，使左、右驱动轮的轴向相对位置固定，并支承车架及其上各总成的质量。车辆行驶过程中桥壳受到来自路面的复杂载荷作用，由此导致的疲劳破坏是桥壳的主要失效形式之一。为了提升整车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、平顺性和节约材料成本，如何在保证桥壳疲劳可靠性的基础上对其结构进行优化，是车桥总成设计中面临的一个关键问题。货车驱动桥的作用是使汽车发动机转矩用传动装置传来，通过货车主减速器、差速器、驱动轴及其他零件传递到货车前驱动轮，主减速器将传动速度减小后，获得比较高的输出扭矩 ，主减速器双面齿轮副和圆锥齿轮副可以变换转矩的传递方向，在货车行驶过程中，驱动桥利用差速器使得货车两侧车轮在转弯和弯道行驶时产生差速效果，使得转弯时外、内两侧车轮同时用不相同的时速转向，车桥桥壳壳身与货车车轮实现载荷与传递动力的作用。
货车驱动桥的作用是使汽车发动机转矩用传动装置传来，通过货车主减速器、差速器、驱动轴及其他零件传递到货车前驱动轮，主减速器将传动速度减小后，获得比较高的输出扭矩，主减速器双面齿轮副和圆锥齿轮副可以变换转矩的传递方向，在货车行驶过程中，驱动桥利用差速器使得货车两侧车轮在转弯和弯道行驶时产生差速效果，使得转弯时外、内两侧车轮同时用不相同的时速转向，车桥桥壳壳身与货车车轮实现载荷与传递动力的作用。根据汽车设计理论，传统的驱动桥壳设计方法包括分析模型简化法、图解法、实验法等。这些方法主要是将桥壳简化成一简支梁并校核典型计算工况下的特定最大应力值，再考虑一个安全系数来确定许用的工作应力 。这些方法均存在一定缺陷。许多厂家在实际设计过程中，往往只是根据经验和类比，设计出汽车驱动桥壳，然后进行试产，并通过驱动桥壳台架试验对设计方案进行修正。这是一个反复修改和调整的过程，费时费力。目前国内驱动桥壳制造工艺技术水平仍相对较低，零件材料性能、制造工艺水平不足，存在整体重量与体积较大、可靠性差、使用寿命短等缺陷，而且用于指导。
目前关于驱动桥壳的组成及生产桥壳的各种工艺设计，已有大量详细的研究; 但在驱动桥系统开发方面，研究者往往只是关注其中某类零部件的设计要求，未予整体考虑。在面向网络环境下的电动车桥集成设计技术研究中，针对电动车桥总成件的自动装配、装配体的有限元分析及动力学仿真的集成设计技术的研究成果还未见到。
由于其较高的装载能力，固体车轴通常用于重型商用车辆[1]。在图1中可以看到实心轴的结构。在车辆使用寿命期间，路面粗糙度引起的动态力产生动力应力和这些力导致轴壳的疲劳失效，轴壳是总成的主要承载部件。因此，在预测的使用寿命中，轴壳抗疲劳失效是至关重要的。在进行批量生产之前，应确定轴壳原型在动态垂直力作用下的装载能力和疲劳寿命。通过垂直疲劳试验，如图2所示。在这些测试中，液压执行器在试件直到疲劳裂纹产生。根据验收标准，桥壳原型必须抵制在非对称型轴壳的垂直疲劳试验期间。如图3所示，在此负载周期限制之前，一些原型出现了疲劳裂纹起始。据指出，在这些测试中，裂纹起源于班卓琴的转换，在区域e1和e2.图4中可以看到过早失败的例子。
利用该模型建立了有限元模型。获得了桥壳材料的性能，从拉伸试验中得到的结果，这些结果被用在了fe分析中。从车辆动力学中获得的最大动轴载荷，通过分析，得到了应力集中区域。为了进行疲劳分析，构造了房屋材料的估计s-n曲线。考虑了疲劳强度的改变因素。分析结果与垂直疲劳试验结果进行了比较。为了防止过早失效，提高疲劳寿命，提出了一些设计改进方案。
Fig. 1 商用车辆的后轴组件
Rear axle housing 后车轴外壳
Air spring 空气弹簧
Trailing arm 拖臂
Chassis connection 底盘连接
Fig. 2. 桥壳原型的垂直疲劳试验
Support 支助
Housing sample 桥壳样本
Hydraulic actuators 液压执行器
Fig. 3. 车轴外壳的几何形状
Fig. 4试验样品的下半部有疲劳裂纹
2.有限元模型
2.1 cad和fe模型
如图5所示，为进行分析，制作了完整的外壳尺寸模型。桥壳基本上由两个等效的薄壁外壳，其均匀的厚度为9.5毫米，沿后部的中性轴焊接，阿克塞尔在前侧，一个安装环焊接在外壳组件上以增加刚性，差动承架在上面。出于密封的原因，一个圆顶焊接在后侧。在这里，元素a和b代表拖臂----卡力伯连接。支持c和d代表车轮-道路接触。支持桥壳联络点之间的距离等于后轴的车轮轨道。坚固的桥壳模型是由via CATIA V5R15构成，完整桥壳的cad模型输入ANSYS Workbench V11.0，预先处理环境以构成分析中需要的fe模型。图6显示了用于应力和疲劳分析的fe模型。在建立有限元模型的过程中，采用高阶三维立体单元sun.187对壳进行了啮合，该模型具有二次位移的特性，非常适用于不规则网格的建模。元素由10个节点[2]构成，每个节点都有3个DOF点。对外壳结构部分之间的接触进行建模，conta174和使用了170个单元。选择完全粘结接触作为所有焊接表面的接触条件。fe模型由779,305个元素和1,287,354个节点组成。
Fig. 5完整的外壳cad模型
Fig. 6壳的有限元模型
Brake mounting flange 制动安装法兰
Dome 圆顶
Upper shell 上壳层
Spindle 主轴
Mounting ring 安装环
2.2 桥壳材料
外壳是用9.5毫米厚的薄板制成的，这种薄板是用细合金制成的，热可成形，规范化结构钢s460n（材料编号1.8901，根据iso标准相当于e460[3]）。从供应商获得的材料的化学成分见表1[4]。未加工的s460n的力学性能可以在ref中找到。[5]。以取得所适用的在分析过程中考虑机械性能，确定加工材料的确切性能，从轴壳样品中提取了五个试样，并进行了拉伸试验。所有的测试都是在室温下进行的。从桥壳中提取标本的区域超出了受热影响的范围区域。表2给出的结果是从五个样本中得到的最小值，并在有限元素模拟.将材料的性能定义为线性各向同性材料模型。
2.3 装载条件
根据垂直疲劳试验中出现过早失效时所使用的载荷范围，选择了用于有限元模型的载荷。对图7所示的80公吨装载能力测试平台进行了测试。装置由安装在卡力器连接处的两个带有负载单元和伺服阀的电液驱动装置组成在这里，ts表示两个卡尺之间的轨道，c和d之间的距离支持tw，即车轮轨道，实际的后轴。外壳原型是为后轴设计的，由图8所示的两个气泉支撑。由于尾臂的偏心加载几何形状，弹簧力也产生扭转，这导致了额外的弯曲弯矩dm的外壳。通过液压偏心C对试验样品施加额外的弯曲效应，图7所示的执行机构。每个弹簧的最大静力设计载荷为f=2850公斤。弹簧座椅的负载作用。在ZR和ZL点上。由于路面粗糙度的作用，使车体的集中质量垂直加速，每台卡钳最大的动力载荷，这导致卡钳a和b的静力反应为p=4550千克。通过计算机辅助的道路，估计装载范围是p.的两倍，达到182–9100公斤，垂直疲劳时所用试验载荷的特性在图9中可以看到试验。进行了fe分析，考虑了9100公斤的最大动态载荷，以及额外的弯曲时刻。所述外壳的垂直加载模型，针对参考编写。[6]见图10。
Fig. 7. 垂直疲劳试验示意图
Actuator force 执行力
Hydraulic actuator 液压执行器
Test sample 测试样本
Fig. 8. 拖臂偏心加载几何
Fig. 9疲劳试验中执行机构负载特性
Fig. 10. 应用荷载和房屋弯矩图
3. 有限元分析和结果
用fe分析预测了拉伸应力集中和疲劳区的确切位置相对较低。p和dm根据图10应用于卡力器连接处的模型。处理器惠普xw 8400工作站。图11显示了从fe分析中得到的等效冯米塞斯应力分布。结果表明，载流子安装侧的班卓过渡区存在拉伸应力集中区f1和f2下壳的。关键区域的位置和过早疲劳失效情况与图12相同。计算出的最大应力为R，最大=388.7 mpa；78.1%的材料屈服点。这意味着外壳原型在静力作用下满足最大载荷的安全条件。
Fig. 11下壳的整体应力分布
Fig. 12. 测试和分析结果的比较
4.疲劳寿命预测
由于后车轴外壳在使用过程中实际上装载了动力，因此也进行了疲劳分析。应力寿命极限的估计
对于极限强度小于1400mpa的钢铁Sut[7,8]。这表示在106个或更多周期时的疲劳强度。在105–106周期范围内的零件的疲劳寿命预测中，估计了外壳材料的s-n曲线，通过一个实用的方法给出了参考。[9]使用从简单的拉伸试验中获得的数据。
E代表理想实验室样品的应力寿命极限。预测一个物体的真正疲劳强度机械部件，s0e必须乘以代表各种设计，制造，环境因素对疲劳强度的影响。e给出为
其中K是一个依赖于表面光洁度的表面因子给出为
由于外壳表面的粗糙度与热冲压后的热轧薄板相似，建议数值为计算值为ka=0.564，单位为629.9 mpa。此外，拍摄皮宁，一个著名的在零件的材料表面引入有利的残余应力的过程，也适用于热冲压后的外壳表面，以提高零件的疲劳寿命。在文学作品中，这一增长有70%[9]。因此，用于疲劳分析为0.959。对于非圆形截面，尺寸系数KB可以假设为0.75，即截面H的深度，大于50毫米。在弯曲和温度系数中，KC为1
通过静态Fe分析，发现班卓区和手臂过渡区存在应力集中区。因此，除了上述修改因素外，还必须考虑疲劳强度修改因素。利用静态应力集中系数kt，与疲劳应力集中系数kf有关。因此，可计算为
出于安全考虑，可以假定kf等于kt[7]。因为尺寸和形状的复杂性，桥壳kt不能从标准文献中的数据派生。另一方面，kt被定义为
其中R峰值是峰值应力，而在缺口和标称的根，则是当应力出现时的名义应力浓度没有发生[9,12]Rpeak被用作从静态fe分析得到的值，如Rmax=388.7 mpa。为了计算标称，后轴被假设为一个简单的梁，它具有均匀的箱形剖面截面x1-x1的临界，沿纵轴的区域受纯弯曲[6]。在图10用以下给出的模型计算
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资料编号：[5805]
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