第6期(总第163期)
2010年12月机械工程与自动化
M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o.6Dec.
文章编号:1672-6413(2010)06-0050-03
*
高 翔1，徐安健2，程 阔1，陈仕刚2，万鑫铭1传达信息
(1.中国汽车工程研究院汽车产品研发中心，重庆 400039; 2.上汽依维柯红岩商用车有限公司，重庆 401122)
摘要：驱动桥桥壳是汽车主要的承载件和传力件，其主要损伤形式是在交变载荷下发生疲劳失效。通过建立商用车驱动桥的有限元模型，在试验工况和路面工况下进行强度和疲劳寿命分析，查出易发生破坏的位置，并验证该驱动桥桥壳强度和疲劳寿命可以满足设计要求。关键词：桥壳；有限元法；应力；疲劳寿命中图分类号:U 463.218+.5 文献标识码:A FANPN
*重庆市科委基金资助项目(C ST C ,2008AB 6097)
收稿日期:2010-04-29；修回日期:2010-07-28
作者简介：高翔(1983-)，男，陕西宝鸡人，助理工程师，本科。
0 引言
驱动桥桥壳是汽车主要的承载件和传力件，是主减速器、差速器和半轴等的装配基体，其主要功能是支承汽车重量，并承受由车轮传来的路面反力及反力矩，并经悬架传给车架或车身，其性能直接影响运输车辆的安全性和可靠性，要求其具有足够的强度和刚度且质量小，从而提高汽车行驶的平顺性。
本文参考QC /T 534-1999汽车驱动桥台架试验评价指标、QC /T 533-1999汽车驱动桥台架试验方法、
GB/T 4970-1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法，在试验和路面两种工况下，对驱动桥桥壳进行静强度分析，并在此基础上，完成桥壳的疲劳寿命分析，验证该驱动桥桥壳强度和疲劳寿命是否满足设计要求。
1 有限元模型的建立
图1为驱动桥桥壳有限元模型，共有865483个单元、196042个节点。定义桥壳、板簧座和半轴套管为Solid 单元，它们之间的配合采用节点耦合的方式。
图1 驱动桥桥壳有限元模型
驱动桥桥壳的材料为25M n，半轴套管的材料为
40Gr，其材料特性见表1。2 试验工况分析
2.1 静强度计算
2.1.1 载荷及边界情况
汽车满载通过不平路面时，车轮承受垂直动载荷。根据相关试验标准，一般施加载荷值为汽车满载轴荷
G 的3倍。
在驱动桥桥壳台架试验中，载荷是通过钢板弹簧座传给桥壳。因此，桥壳任意一侧的垂直载荷F =
1.5G 。
表1 驱动桥桥壳零部件的材料特性
材料参数桥壳(25M n)半轴套管(40Gr )
弹性模量(M Pa )210000
210000
泊松比0.30.3密度(kg/m 3)78507850屈服强度(M Pa)295785抗拉强度(M Pa )
490
980
在桥壳的设计参数中，汽车满载重量为16000kg ，设定重力加速度g 为9.8m /s 2，则G =16000×9.8
=156800N 。因此在板簧座处施加的载荷F =1.5×156800=235200N ，方向为坐标系Z 轴的负向。
约束驱动桥一端的轮毂内、外轴承与半轴套管接触面上各节点的X 轴、Y 轴、Z 轴的平动自由度(分别以1、2、3表示)和绕X 轴、Z 轴的转动自由度(分别以4、6表示)，并约束驱动桥另一端的轮毂内、外轴承与
半轴套管接触面上各节点Y 轴、Z 轴的平动自由度和绕X 轴、Z 轴的转动自由度，消除桥壳的刚性位移，见图2。
2.1.2 分析结果
汽车满载16t 时，在试验工况下，驱动桥半轴套管与轮毂内轴承的接触面处最大应力为566.7MPa，可视为约束影响造成局部应力过大，但小于半轴套管材料的屈服强度785M Pa，符合半轴套管的强度要求。对桥壳本体而言，在桥壳与套管连接处最大应力为183.3MPa ，桥壳圆角过渡处应力也比较大，但都小于桥壳本体材料25Mn 的屈服强度295M Pa，符合桥壳的强度要求。试验工况下驱动桥整体和桥壳本体的
自动升降器
Von M ises 应力分布云图如图3
所示。
图2 载荷及边界
条件
图3 试验工况下驱动桥整体和桥壳本体的V o n M ises 应力分布云图
2.2 疲劳寿命分析
为了验证驱动桥桥壳是否满足疲劳强度要求，使用静强度的计算结果，采用全寿命分析法，对驱动桥桥壳进行疲劳寿命分析。2.2.1 疲劳分析参数设置
从试验工况静强度分析结果可知，驱动桥整体的最大应力出现在半轴套管上，通过自定义方式生成半轴套管材料40Gr 的S -N 曲线，见图4
。
图4 半轴套管材料40G r 的S -N 曲线
循环加载方式按照试验标准进行，以频率为5Hz 的正弦波加载，在轴载16t 的情况下，施加最大载荷为满载的2.5倍，最小载荷为满载的0.5倍，加载时间为1s，加载频率保持不变。2.2.2 疲劳分析结果
在轴载16t 对应的循环载荷作用下，疲劳危险部位分布在半轴套管与轮毂内轴承的接触面处。分析所得寿命远大于QC /T 534-1999汽车驱动桥台架试验评价指标要求的最低寿命80万次，所以驱动桥桥壳符合其寿命要求。3 路面工况分析3.1 静强度计算
3.
1.1 载荷及边界情况
通过使车桥两端上下振动来模拟路面不平度激
励，选用C 级路面作为激励输入。考虑到轮胎等部件，设定行驶速度为50km /h ，桥壳任意一侧的垂直载荷载荷谱最大值是1.37×105N，最小值是-8.7×103
N ,C 级路面下的载荷谱如图5所示。分析时施加载荷为载荷谱最大值，加载和约束方式与试验工况相同。
图5 C 级路面下的载荷谱
3.1.2 分析结果
在路面工况的载荷谱最大值作用下，驱动桥整体最大应力为332MPa，桥壳本体最大应力为107MPa，其应力最大位置分别与试验工况相同，都满足半轴套管和桥壳本体材料的强度要求。路面工况下驱动桥整体和桥壳本体的Vo n M ises 应力分布云图如图6所示。
3.2 疲劳寿命分析
3.2.1 疲劳分析参数设置
循环加载波形按照C 级路面激励下的载荷谱进行，其余设置与试验工况相同。
3.2.2 疲劳分析结果
疲劳危险部位分布在半轴套管与轮毂内轴承的接触面处，分析所得寿命约为99.8万次。设行驶速度为50km/h，载荷谱采集时间为40s，因此汽车在有限寿命期内的行驶里程为554710km 。
・
51・ 2010年第6期 高翔，等：商用车驱动桥桥壳强度及疲劳寿命分析
由以上计算结果可知，汽车行驶约50万公里后驱动桥桥壳才可能发生疲劳破坏，满足驱动桥桥壳设计的寿命要求。驱动桥整体及疲劳危险位置的寿命云图如图7
所示。
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图6 路面工况下驱动桥整体和桥壳本体的V o n M ises
应力分布云图
图7 驱动桥整体及疲劳危险位置寿命云图
4 结论
通过对桥壳几何模型的离散及材料属性的施加，建立了桥壳的有限元模型，并进行仿真分析。仿真结果表明，该桥壳在超载的情况下仍能满足50万公里的使用要求。
参考文献:
[1] 陈效华，刘心文.基于有限元方法的微型汽车驱动桥结构
分析[J ].数字化设计,2003(3):65-67.[2] 李亮，宋健.商用车驱动桥桥壳疲劳寿命的有限元仿真与
实验分析[J].机械强度,2008(3):503-507.
[3] 王斌.汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元法分析
[D ].合肥：合肥工业大学,2007:40-55.
Analysis of Stress and Fatigue Life of Commercial
Vehicle Driving Axle Housing
GAO Xiang 1,XU An -jian 2,CHENG Kuo 1,CHEN Shi -gang 2,WAN Xin -ming 1
(1.Au to Pr od uct R&D C enter of Ch ina Automotive E ngineering Research In stitute,Chongqing 400039,China; 2.S aic-lveco Hongyan Commer cial Veh icle Co .,Ltd ,Chongqing 401122,China )
Abstract :Dr iv e ax le ho using is the main lo ad -bearing and for ce -tr ansmitting component of v ehicle ,fatig ue fa ilur e is often bro ug ht
水燃料about by alternating loads.By setting up the 3D m odel of a dr iv e ax le housing ,this paper carr ies out the fat ig ue life a nalysis to find out t he danger ous po sitio n in bot h test conditio n and a ct ual wo rking co nditio n.T his study v erifies t ha t t he str ess and fatigue life o f the driv e ax le ho using can sat isfy the design r equir ements .
Key words :ax le ho using;finit e element met ho d;str ess;fat ig ue life
(上接第49页)
Bayes Algorithm Based on Probability Statistics in Pattern Recognition
SHEN Ruo -hong
(S hanxi Design and Res earch Ins titu te of M echanical an d E lectrical Engineerin g,Taiyuan 030009,Ch ina)
Abstract :F ir st of all,t he r esearch backg r ound and the model applicatio n o f patter n recog nition ar e elabo rated;next ,this paper empha tically discusses ho w to ex tra ct t he char acter istic v alue o f the digital char acter s ,and makes co mpariso n to each kind design method w ith their adv antages and disadv antag es ;F inally ,it t akes the reco gnition method of templat e m atch to realize
the handw ritten character reco ng nition system w ith fr iendly gr aphical user inter face by V C ++.Key words :char act ers;patter n r ecog nitio n;char acterist ic ex traction
・跨越障碍物
52・ 机械工程与自动化 2010年第6期
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