摘 要

汽车驱动桥壳由主减速器壳和半轴套管组成。桥壳的主要功能是支撑并且保护差速器、主减速器和半轴等。左右驱动轮的相对位置可以被桥壳所固定，桥壳也能支承汽车重量，传递车架与车轮之间的各向作用力。较小的重量，足够的强度和适当的刚度有利于驱动桥壳的寿命，且便于主减速器的拆装和调整。合理的^[1]设计有利于保障车辆的寿命和驾驶者的安全。传统的设计基本靠实验与经验，由此花费了大量的人力与财力，并且产品的生产周期较长，不利于工厂的经济效益。

本文对某微型客车驱动桥壳进行研究，采用UG建立驱动桥壳的实体模型，再应用有限元软件ANSYS对其进行分析，分为静力分析与模态分析。静力分析分成三种典型工况，得到桥壳应力与位移分布规律图，比较它的刚度与强度是否在合格范围内；模态分析得到得到 1-6 阶固有频率以及相应振型，比较桥壳的固有频率是否大于桥壳的实际工作频率。

关键词：驱动桥壳、有限元、ANSYS WORKBENCH、静力分析、模态分析

Analysis for the finite element model of mini-bus’ drive axle housing

Abstract

Vehicle drive axle housing consists of final drive house and half-shaft busing. The vehicle drive housing is used to support and protect main reducing gear, differential mechanism, half-shaft and so on. It also fixes the relative position of the left and right wheels, supports the mass of the car and transmits forces with different directions. Thereby, the vehicle drive axle housing need to have enough strength and proper rigidity. The mass of the vehicle drive axle housing should not too huge and the main retarder should be convenient to assemble and disassemble. Reasonable design is beneficial to drivers’ safety and cars’ lifetime. Traditional design is based on experiments and experience, which costs much time and money. Besides, the production cycle is too long and it is not benefit for a company.

This issue deals with a vehicle drive axle housing, using UG to build the entity model of the drive axle housing and then leading in ANSYS WORKBENCH to carry out static analysis and modal analysis. The static analysis consists of three conditions and we can get the distribution of stress and displacement. Then we can compare their strength and stiffness to know whether they are within the qualified range. 1st to 6th natural frequencies were measured through modal analysis to get to know whether their natural frequency is greater than their working frequency.

Key words: drive axle housing, finite element analysis, ANSYS WORKBENCH, static analysis, model analysis

目 录

第一章 绪论 - 1 -

1.1 选题的意义和目的 - 1 -

1.1.1 意义 - 1 -

1.1.2 目的 - 1 -

1.2国内外研究 - 2 -

1.2.1 国外有限元的发展 - 2 -

1.2.2国内驱动桥壳有限元分析的研究 - 2 -

1.3 论文的主要研究内容 - 3 -

1.4本章小结 - 3 -

第二章 驱动桥壳几何模型的建立 - 5 -

2.1 驱动桥简介 - 5 -

2.1.2 驱动桥桥壳的结构形式 - 5 -

2.2驱动桥桥壳几何模型 - 7 -

2.2.1 UG软件介绍 - 7 -

2.2.2驱动桥壳几何模型的建立 - 8 -

2.3 本章小结 - 9 -

第三章 驱动桥壳有限元模型的建立 - 10 -

3.1有限元法概述 - 10 -

3.2有限元法在汽车工程中的应用 - 10 -

3.3 ANSYS软件介绍 - 11 -

3.4材料属性及单位制 - 11 -

3.5进行网格划分 - 13 -

3.5.1网格划分方法： - 13 -

3.6 本章小结 - 15 -

第四章 驱动桥壳的静力学分析 - 16 -

4.1引言 - 16 -

4.2驱动桥壳结构强度分析 - 16 -

4.2.1满载下的垂直弯曲工况 - 16 -

4.2.2最大制动力工况 - 19 -

4.2.3 汽车侧滑工况 - 22 -

4.3本章小结 - 25 -

第五章 模态分析 - 26 -

5.1简介 - 26 -

5.1.1模态分析的理论基础 - 26 -

5.2满载工况下的模态分析 - 27 -

5.3紧急制动工况下的模态分析 - 29 -

5.4侧滑工况下驱动桥壳的模态分析 - 30 -

5.5本章小结 - 32 -

第六章 全文总结 - 33 -

6.1全文总结 - 33 -

6.2展望 - 34 -

致 谢 - 35 -

第一章 绪论

1.1 选题的意义和目的

1.1.1 意义

在人们生活中，汽车的作用已经越来越重要，它对于国民经济的发展也起到了不可否认的作用。随着我国汽车工业的发展，对于汽车零件的要求和规范也越来越高。作为汽车的关键零件之一，汽车的驱动桥壳用以支承汽车的部分重量，同时它又是差速器、主减速器等传动装置的外壳，起到保护作用，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定。^[1]一开始，人们将驱动桥壳设想成简支梁，这种方法虽然简单，但是有很多缺陷，会影响最后的结果，不利于进行结构设计。后来采用驱动桥桥壳扭转强度计算方法,但在实际运用中非常困难。因为它只考虑了扭转时候的工况，但是汽车在行驶时会有其他不同的工况，而且这种方法计算量过大，效率低，所以不合适。再后来,人们取来其他车辆的驱动桥壳进行模仿实验，修改一些地方然后再实验。但是,这种方法缺乏创新而且经常不匹配新型的汽车，可能产生一些误差，对于材料的损耗也大，所以不划算。随着数学理论，科学的进步，有限元技术也在不断发展，由于它的精确、高效，人们将它利用到很多场所。在产品未生产出来前，科研人员可以利用它进行强度、刚度分析，有效避免了很多缺陷；在生产时，可以帮助工作人员将设计不合理的部分进行改进。同时，有限元分析的结果可以作为经验对后续的生产产生帮助。

1.1.2 目的

本次研究主要目的是将一微型客车驱动桥桥壳的三维CAD模型用三维软件UG转化成三维模型，对其进行简化设计。再将三维驱动桥桥壳模型导入有限元分析软件ANSYS WORKBENCH，进行材料选取、网格划分，有限元模型的建立。经过计算，我们可以得出不同工况下驱动桥壳的受力。在有限元软件中，将力加载到桥壳上，进行刚度和强度分析可以得到应力云图和变形图，通过比较它的受力与许用受力、变形和许用变形可以得到它的静态分析结论。接着进行模态分析，去除约束得到六阶振型，通过比较固有频率和工作频率可以检验产品是否合格。

1.2国内外研究

1.2.1 国外有限元的发展

有限元的基本思想产生于四十年代初期，在1941年出现离散化的最早思想。到了50年代，由于工程上的需要，特别是高速电子计算机的出现与应用，有限元法才在结构矩阵方法的基础上迅速发展起来，并得带愈来愈多的应用^[3]。60年代飞机结构工程师Clough发明并使用有限元的思想求解了平面弹性问题。20世纪70年代，在英国科学家O.C.Zienkiewicz等人的努力下，将有限元法的应用推广到了热传导、电磁场、流体力学等领域。经过多年的发展，目前有限元法几乎可以用来解决所有的连续介质和场的问题^[4]。70年代，日本公司开始使用有限元技术。到了80年代末，日本的公司很多都在推广使用有限元技术进行强度和刚度校核。

1.2.2国内驱动桥壳有限元分析的研究

近年来，计算机技术的不断发展也为工程上的进步产生了很大的影响，汽车零件的设计和改进也越来越依靠计算机进行辅助了。而有限元分析技术对与汽车零件的设计和分析产生了深远的影响。它不断提高零件的设计效率和准确性，工厂也用它进行各种不同的分析，其中最主要的包括以下几个方面：

静力分析

动态分析

疲劳分析

优化设计

文献^[5]以某重型驱动桥壳为研究对象，应用workbench建立了驱动桥壳的参数化模型，在四种工况下对驱动桥壳进行了静力分析，将所得到的位移与应力规律与国家标准相对比，发现每米轮距最大变形量也没有超过国家标准1.5米，因此得出结论该驱动桥壳是合格的产品。

南京林业大学的郑燕萍^[6]应用Ansys软件，建立了驱动桥壳的有限元模型，并进行了模态分析和瞬时动态分析，得到的驱动桥壳的固有频率和振型的计算结果与实验结果相吻合。