驱动桥桥壳连续瞬态冲击响应分析外文翻译资料

驱动桥桥壳连续瞬态冲击响应分析

摘要：驱动桥桥壳连续瞬态冲击响应分析的运用是基于车辆通过障碍物时的静态分析。整个过程分为四个阶段。车辆常速行驶时的静强度，车辆减速、攀爬障碍物与从障碍物上跌落到地面的连续冲击响应被计算在内。也对驱动桥壳在整个过程中的刚度和强度进行了分析。结果表明，驱动桥壳强度过大，刚度不足。为驱动桥壳的优化设计和轻量化提供了有益参考。

1. 简介

驱动桥壳做为汽车的主要载体，其强度与刚度密切关系到汽车的安全。传统的驱动桥壳设计主要基于关于冲击载荷因素的静态分析或基于模态分析与疲劳寿命分析基础上的动态分析。前者关注安全。后者则完全考虑了结构的固有频率与外部荷载频率的关系，从而避免了共振。

实际上，驱动桥壳失效的主要原因常常是路的不平度与其他例如紧急制动等多种多样的复杂条件对驱动桥产生的冲击力。由这些动载荷引起的压力通常比静态压力大许多倍。计算表明，桥壳在紧急制动时的压力超过了材料的极限。

因此，对于桥壳在动态载荷冲击下的压力和应变分析有助于提高车辆的可靠性。本文以某重型汽车驱动桥壳为例，采用有限元法建立了驱动桥壳的有限元模型。进行了常速下的稳态分析和紧急制动减速，攀爬障碍物和跌落地面的连续瞬态响应分析。这些复杂条件下的刚度与强度也被分析与研究。结论有助于提高驱动桥壳的设计与车辆可靠性。它也证实了驱动桥壳轻量化的可能性。

2.驱动桥壳受力分析重卡车辆路缘参数及驱动桥壳材料参数如表1所示

当车辆通过路障时，它可以被分为四个阶段：匀速前进，减速，攀爬路障和掉落。根据后两个阶段顺序的不同，车辆可以完成跨越障碍物或沟渠的过程。在四个阶段中，匀速行驶是一个稳定的过程，而剩下的三个阶段会在短期负荷的影响下经历剧烈的变化。然而，由于汽车在在跨越障碍物或沟渠的时候速度较慢，通过求解静力学平衡方程可以得到障碍物高度与车辆参数及驱动桥壳载荷信息之间的关系。

2.1匀速驾驶阶段

在无风环境下汽车运行时驱动桥壳所承受的力可以用下列公式计算

F₂ =G﹒a/(a b)

公式中，G为车辆悬架总重，a为车辆质量中心到前轴中心的距离，b是车辆质量中心到后桥中心的距离。

2.2制动减速阶段

当汽车制动时，驱动轮除了受到垂直反作用力外，还受到切向制动力和制动力矩的作用，试图阻碍汽车前进。如果制动力足够大，汽车得到最大的制动减速为：

a = -ke g

负号代表减速， ke为路面滑动附着系数，对于沥青混凝路面需要0.75。

最大制动减速引起的后桥负荷增量为

DF2 = m a H / L

其中m是汽车的总质量。H为车辆质心与水平路面之间的距离，L是车辆轴距。因此在制动阶段，驱动桥水平方向的最大制动力为FA = (F2 DF2 ) ke 垂直荷载为F2 DF2 ,制动力方向与车辆行驶方向相反。

2.3攀爬障碍阶段

当车辆遇到像台阶，沟渠等障碍物时，由于车速较低，利用静力学平衡方程可以得到障碍物高度与车辆参数之间的关系。对于后轴驱动的车辆，后轮是决定车辆能够克服台阶高度的关键因素。台阶的最大高度可以用下列公式计算：

h = 0.5 (1-1/ 1 k 2 ) D

其中D为后轮胎直径。车辆后轮通过台阶时所受的力如图1所示，平衡方程组为：

fF1 F2 cosa - ke F2 sina = 0

F1 F2 sin a ke F2 cosa - G = 0

ke F2 D / 2 F1L - Gb - fF1D / 2 = 0

利用公式计算出的最大障碍物高度，可以得到驱动桥壳上的力

2.4从障碍物上驶离阶段

当车辆从障碍物上驶离到地面时，驱动桥几乎在做自由落体运动，所需时间可以依据障碍物高度进行计算。

如图所示，受力分析为驱动桥跨级

3.驱动桥有限元模型

在对驱动桥进行有限元分析时，需要做一些必要的简化。在这篇文章中，忽略了轴承座实体模型上的小孔，位于叶片弹簧座上表面和外表面的倒角和圆角也被忽略，因为我们的重点是检查驱动桥壳的硬度和强度。然而，倒角和圆角存在于弹簧座和驱动桥壳之间的组装区域中。基于简化后的驱动桥壳几何模型和有限元模型如图2所示。FE模型在弹簧座和半轴套与轴套之间的连接处进行了局部优化，因为这些地方有倒角和圆角。

简化驱动桥壳实体模型

驱动桥壳有限元模型

图2. 驱动桥壳的简化实体模型和有限元模型

1. 有限元结果与分析

根据上述荷载处理方法，每一阶段的驱动桥壳荷载都被计算。载荷作用于轴壳外表面的节点，这些表面位于两侧的内轴承和外轴承之间。该约束作用于两侧弹簧座的上表面。具体而言，弹簧座在车辆行驶方向和垂直方向的平移，轴承座轴向的旋转以及桥中心节点的轴向平移均受到约束。

在车辆通过障碍物的过程中，所经历的时间主要由减速制动阶段决定。在制动过程中，驱动桥壳的压力与应变因制动而变化明显，一般持续在0.2至0.9秒间。在本篇文章中，分析了紧急制动（制动应用时间0.2秒），正常制动（制动应用时间0.5秒），和慢制动（制动应用时间0.8秒）三种工况，研究了驱动桥壳体在克服障碍物过程中的应力变形特性，当车辆以恒定速度行驶时，在有限元分析中关闭时间积分效应来模拟车辆的稳态。在攀爬障碍物的阶段中，采用基于静力平衡方程计算的载荷，三种工况下的连续制动时间均为1分钟，在车辆从障碍物跌落至地面的阶段，三种情况的持续时间也是相同的。

4.1强度和刚度分析

由公式（4）可计算出车辆能够通过的障碍物高度。本文分析了在不考虑车辆行驶惯性的状态下，驱动桥壳在通过最高障碍物时的压力和变形特性。图3和图4为采用普通制动器跨越障碍物时的压力和变形分布。

从图3可以看出，在整个过程中，驱动桥壳的最大压力远小于极限压力480MPa。整个过程的最大压力出现在制动结束时，这是由制动引起的弯曲和扭转共同作用的结果。此时最大压力为174.36MPa，安全系数为480/174.36-2.753。与常规设计相比，安全系数略高。因此，基于对驱动桥壳设计的静力分析，其强度是足够的。

此外，从图3可以看出，驱动桥壳最大的压力位置在整个过程中有所变化。在匀速行驶阶段，制动减速阶段和避障后退阶段，桥壳的最大压力点发生在驱动桥壳的前下边缘，爬障上最大压力点转移到上边缘。这主要是因为在攀爬障碍物时，与其他荷载步相比，垂直约束没有变化。但驱动桥壳所受载荷的大小和方向发生了明显的变化。

制动结束时恒速时驱动桥壳应力分布图 制动结束时恒速时驱动桥壳应力分布图

(c)驱动桥壳应力分布图 (d)驱动桥壳爬升障碍物后退时应力分布图图3. 正常制动各阶段应力分布云

1. 驱动桥变形分布图(b)制动结束时恒速下驱动桥壳壳变形分布图

(c) 驱动桥变形分布图(d) 爬升时驱动桥壳的变形分布图

图4. 正常制动各阶段变形分布云团

从图4中可以看出，驱动桥壳在整个过程中的最大变形达到2.76mm，当驱动桥壳从障碍物跌落到地面时，最大变形位于驱动桥壳的外轴套处。该驱动桥壳的轴距为1.8m，因此每米最大轴距变形为2.76/1.8=1.53mm/m，略高于 QC / T534-1999中规定的标准值。《驱动桥台架试验评定标准》是中华人民共和国汽车工业标准，定名为 QC / T534-1999。因此，该驱动桥壳在连续冲击下刚度略显不足。当然，这种缺乏的刚度与我们数值模型的简化是密不可分的。例如，取消半轴，主减速器及其壳体等装置必然会降低驱动桥壳体抵抗变形的能力，而其他原因如应用位置的约束和载荷也会造成一定的分散。此外，从图4可以看出，驱动桥壳的最大变形方向在整个过程中发生了变化。在制动减速阶段结束时，驱动桥壳最大变形点从轴承套外侧一侧向另一侧变化，但变形值在转换到另一侧时发生了减少。这有利于提高轴承座的刚度。这是因为左边与右边的几何驱动桥壳并不是完全对称的。，所以变形的轴承套两边的驱动桥壳，在相同的约束条件和载荷条件下一定是不同的，而这有可能导致最大变形点的变化。

4.2不同制动过程的比较

图5为紧急制动，正常制动和慢速制动时驱动桥壳最大压力点的变化时间曲线

图五：驱动桥壳在不同制动过程中的最大压力时程曲线

从图5中可以看出，在制动结束，攀爬和跌落这三种条件下压力点的变化并没有显著区别，所不同的是，在制动过程中，制动作用时间越短，轴套的压力梯度越大，但压力梯度的变化几乎没有影响驱动桥桥壳的安全。制动时间仅仅影响了制动距离和驾驶的舒适感，对于驱动桥壳强度的影响只是图3所示的最大压力点的位移。而由于整体安全因素较大，所以从强度层面而言，桥壳足够安全。

图6为紧急制动，正常制动和慢速制动时驱动桥壳最大变形的时间历程曲线。

图六：不同制动过程中驱动桥壳最大变形的时间历程曲线。

从图6中可以看出，制动时间越短，制动过程中轴套的回弹越大。因此，驱动桥壳在攀爬时的变形越小。当然，这可以导致明显的车辆前倾。然而，这对驱动桥壳的最大变形影响很小。

结论

在没有考虑载荷因素影响的前提下，基于结构静力学原理，对车辆通过障碍物过程进行受力分析，并在此基础上对驱动桥壳进行连续冲击下的瞬态动力分析。结果表明：

1. 当车辆满载时，驱动桥壳具有足够的强度但刚度不足。这需要进一步加强。
2. 目前的结构设计对强度验算较多，但有时刚度是限制结构稳定性与持久性的主要因素。
3. 从强度上看，重型汽车驱动桥壳安全性较大，刚度的不足可以通过支撑结构的形式和位置加以改善。例如，在桥壳内适当的位置焊接肋材，增加主要承受拉力或压缩载荷的部件，从而弥补抗弯曲和抗扭转的能力。因此，薄钢板可以用来制造驱动桥壳。这为驱动桥壳的轻量化设计提供了空间，特别是随着高强度钢热成形技术的成熟。
4. 本文的连续瞬态冲击计算工作是建立在结构静力分析基础上的，而不考虑运动学因素的影响。结合运动学因素的的进一步分析将对驱动桥壳轻量化和可靠性分析提供更多有益的指导。

参考文献

[1] J. Wang. Static and dynamic analysis and structural optimization of the vehicle drive axle housing [D]. Lanzhou University of Technology. Lanzhou. (2013)

[2] KS.Wang, W.C. Xu, Y C. Wang. FE Analysis and lightweight design of vohicle drive axle housing, Machinery Design amp; Manufacture. P.222-231. 7(2016).

[3]X. J. Meng, S. K. Jing, J H. Liu, etc. Possibility-based design optimization f

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