五块儿砖受力分析图_干货速递|电动汽车驱动桥桥壳有限元分析

摘 要: 为满足某低速电动汽车驱动桥桥壳刚度、强度设计要求,根据该桥壳实际受力特征,对其 在不同工况条件下的刚度、强度进行有限元分析。在 ＣＡＴＩＡ 中建立驱动桥桥壳各零部件的实体模 型并进行装配;将装配体模型导入 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中,建立各部件间的连接关系、划分有限元网 格、添加约束条件并施加载荷;对 ４ 种工况下驱动桥桥壳应力和应变分布情况进行了有限元仿真。仿真结果表明,该驱动桥桥壳满足刚度、强度及变形量要求,为驱动桥后续改进优化提供了对照标准。

关键词: 电动汽车; 驱动桥壳; 有限元分析

0 1驱动桥三维模型的建立

根据某低速电动汽车驱动桥桥壳设计图纸在 ＣＡＴＩＡ 零件设计模块中建立法兰部件、半轴套管部件、弹簧座部件、桥壳本体部件及主减速器壳部件的 三维实体模型,并在 ＣＡＴＩＡ 装配设计模块中进行各 部件间的装配,装配好的驱动桥桥壳三维实体模型 如图 １ 所示。为了提高有限元分析效率,在建立各 零部件三维模型时,将对分析结果影响较小的油管 支架、纵摆臂支架、减震器支架删除,同时为了保证 有限元分析精度,保留驱动桥壳各部件的倒圆角。某低速电动汽车相关参数见表 １。 

0 2 驱动桥极限工况分析

汽车实际受力情况较为复杂,一般按最大冲击 载荷工况、最大驱动力工况、最大制动工况以及最大 侧向力工况进行分析。如果该低速电动汽车后驱动 桥桥壳在上述 ４ 种极限工况下满足强度、刚度要求, 则认为该桥壳满足汽车各种使用工况要求[４] 。为 了方便理论计算及有限元分析,需要确定三维坐标 系,现以汽车前进方向为 Ｚ 轴正向,汽车前进方向的驱动桥轴向左侧为 Ｘ 轴正向,竖直向上方向为 Ｙ 轴 正向,理论分析和有限元分析过程中均采用该坐标 系

２.１. 最大冲击载荷工况 

当汽车满载行驶在不平路面时,桥壳除需要承 受来自电机主减速器的重力作用外,还需要承受来 自不平路面的冲击载荷,该冲击载荷通过车轮－半 轴－支承轴承－桥壳的传递方式由地面传递到桥壳, 一般最大冲击载荷的值以 １.７５ 倍满载轴荷代替,该 工况下驱动桥桥壳不受其它力和弯矩的作用[５ －６ ] 。冲击载荷工况受力分析如图 ２ 所示。

结合表 １ 和图 ２ 可知,最大冲击载荷工况下电 机主减速器重力为

单侧法兰内安装支承轴承处受到的垂向力为

式中: Ｋｄ 为动载荷系数,取 １.７５; ｇ 为重力加速度, 取 ９.８ ｍ / ｓ２ 。

２.２ 最大驱动力工况 

汽车以最大驱动力行驶时,驱动桥桥壳需要承 受电机主减速器的重力、驱动桥满载重力和最大驱 动力作用。其中最大驱动力可由电机最大转矩或地 面附着力求得。最大驱动力工况受力分析如图 ３ 所示。

结合表 １ 和图 ３ 可知,最大驱动力工况下电机 主减速器重力为

单侧法兰内安装支承轴承处受到的垂向力为

通过地面附着力计算,单侧法兰内安装支承轴 承处的最大驱动力为

通过电机最大扭矩计算,单侧法兰内安装支承 轴承处的最大驱动力为

式中: ｍ″ 为最大驱动力工况下驱动桥载荷转移系 数,取 １.２; φ 为地面附着系数,取 ０.８。由于地面附 着力大于电机产生的最大驱动力,因此以电机产生 的驱动力为最大驱动力。单侧法兰内安装支承轴承处受到的力矩为

２.３ 最大制动力工况 

当汽车紧急制动时,不考虑侧向力,此时驱动桥 桥壳主要承受电机主减速器的重力、驱动桥满载重 力和制动力的作用。最大制动力工况受力分析如图 ４ 所示。

结合表 １ 和图 ４ 可知,最大制动力工况下电机 主减速器重力为

单侧法兰内安装支承轴承处受到的垂向力为

单侧法兰内安装支承轴承处受到的最大制动 力为

制动鼓与法兰相连,最大制动力时的力矩作用 在法兰上,且每个法兰上有 ４ 个螺栓孔。单侧法兰每个螺栓孔制动力矩为

式中: ｍ３ ″ 为最大制动力工况下的驱动桥载荷转移 系数,取 ０.８。２.４ 最大侧向力工况 当汽车极限转弯、处于侧滑状态时,发生侧滑一 侧的垂向力和侧向力达到最大值,另一侧受力为零。假设汽车向右极限转弯(有向左侧翻趋势)时,最大 侧向力工况受力分析如图 ５ 所示。

结合表 １ 和图 ５ 可知,最大侧向力工况下电机 主减速器重力为

侧滑一侧(汽车前进方向左侧) 的法兰内安装 支承轴承处受到的垂向力为

侧滑一侧(汽车前进方向左侧) 的法兰内安装 支承轴承处受到的侧向力为

式中: φ, 为侧滑附着系数,取 １.０。 

0 3有限元分析

３.１ 定义材料属性 

该电动汽车驱动桥桥壳包括法兰、半轴套管、弹簧座及桥壳本体,其中法兰及弹簧座所用材料为 ４０Ｃｒ,半轴套管及桥壳本体的材料为 ４５ 号钢,主减 速器壳的材料为铸铝,各材料性能参数见表 ２。 

３.２ 定义连接关系和网格划分 

主减速器壳体和桥壳本体之间采用共节点的连 接方法,半轴套管与法兰、半轴套管与弹簧座、半轴 套管与桥壳本体之间均采用绑定连接的方法。为了 保证网格质量,同时为了减少计算量,对驱动桥壳不 同部件采用不同类型的网格进行划分[ ７－ １０ ] 。 

半轴套管采用实体壳单元网格划分方法进行划分,网格 形状为四边形,单元尺寸 ８ ｍｍ;两侧法兰及弹簧座 结构和受力情况比较复杂,采用四面体进行网格划 分,单元尺寸 ３ ｍｍ; 主减速器壳体和桥壳本体也采用四面体进行网格划分,单元尺寸 ６ ｍｍ。得出节点 数２４６ １８５个,单元数１４３ １４４个。驱动桥桥壳有限 元网格划分如图 ６ 所示。

３.３ 边界条件及结果分析 

本文采用弹簧座处添加约束条件、法兰内侧轴 承支承处添加载荷的方式进行边界条件添加,各种 工况下的弹簧座处约束条件见表 ３,其中“ Ｆｒｅｅ” 表 示该自由度是释放的,“０”表示该自由度是约束的, 根据上文分析的各工况下的载荷进行载荷添加。 

经过网格划分和有限元计算得出各工况下等效应力、 剪切应力和变形云图如图 ７—图 １８ 所示,其中图 ７、 图 ８、图 １０、图 １１、图 １３、图 １４、图 １６ 及图 １７ 的上半 部分为整体应力云图,下半部分为去除弹簧座后的应力云图。

由图 ７—图 １８ 云图可以得出不同工况下的最 大应力及变形情况,见表 ４。结合云图和表 ４ 可 知,４ 种工况下桥壳最大应力为最大制动力工况时 的剪切应力 ３８７.０２ ＭＰａ,小于 ４０Ｃｒ 屈服极限 ７８５ ＭＰａ,安全系数为 ２.０３(７８５ ＭＰａ / ３８７.０２ ＭＰａ),具有一定的强度储备。 

去除弹簧座后的最大应力为 最大冲击载荷工况时的剪切应力 １６８.４８ ＭＰａ,小于 ４５ 号钢的屈服极限 ３５５ ＭＰａ, 安全系数为 ２. １１ (３５５ ＭＰａ / １６８. ４８ ＭＰａ),同样具有一定的强度储 备,因此整个驱动桥桥壳满足刚度、强度要求。４种工况下桥壳最大变形量为 １.３７８ ６ ｍｍ,该车轮距 １.３２ ｍ,故每米轮距的最大变形量为 １.０４ ｍｍ,小于 《汽车驱动桥台架试验评价指标》 规定的 １.５ ｍｍ, 满足变形量要求。

0 4 结束语

通过对该半浮式半轴结构驱动桥桥壳在 ４ 种典 型工况下的有限元分析可知,各工况下桥壳的最大 剪切应力均大于最大等效应力,因此在校核桥壳刚 度及强度时应当以最大剪切应力为参考。当法兰及 弹簧座采用 ４０Ｃｒ 为材料,半轴套管及桥壳本体采用 ４５ 号钢为材料时,该驱动桥桥壳满足刚度、强度及 变形量要求。分析可知,该桥壳潜在的应力集中处 为桥壳本体与半轴套管连接处以及弹簧座处,这一 结论为后续驱动桥桥壳的优化设计提供了参考,也 为提高产品设计效率打下了良好的基础。

文章来源：知网

作者：董 威, 邹广德, 夏志成, 石沛林, 苗立东

声明：本文版权归原作者所有，转载文章仅为传播更多信息之目的，如作者信息标记有误，请第一时间联系我们修改或删除，多谢。