摘 要

本文的主要研究对象是驱动桥壳，主要是对其进行优化设计。驱动桥壳是汽车上一个重要部件，它是车桥上承载载荷以及转矩的部件，它还需要传递各种从车轮上传过来的力，根据实际情况中需要应对的各种复杂路况，汽车会需要承受来自不同方向，大小不同的载荷，这些载荷可能会导致汽车车桥受到损伤，驱动桥壳作为保护汽车驱动桥的部件，强度以及刚度都要满足一定的要求，在设计的时候，需要设计人员进行精确而又可靠的设计。

在本文中，作者的主要目的是进行优化设计，优化设计的核心是轻量化，采用的方法是有限元分析法，在有限元分析的过程中，我们先采用Pro/e软件进行三维建模，然后将模型在ANSYS中进行简化，简化完成后，再进行驱动桥壳在各个行驶状况下的桥壳应力分析以及各个部位的变形状况，分析得到的结果，再结合桥壳各个部分材料的屈服强度，可以初步确定桥壳的可靠性。在此基础上，再在优化模块进行优化设计，进行了轻量化设计之后，再检验桥壳的可靠性。在桥壳进行了轻量化设计之后，它的质量大大降低，并且可靠性依旧满足要求，这就可以为制造企业带来可观的价值。

驱动桥壳的轻量化设计是车桥制造领域的一个核心内容，轻量化可以降低企业的制造成本、加工难度，还能够减少加工过程中的废气以及废水的排放，既对经济有促进作用，还对环境保护做出了贡献。本文采用的技术手段是先采用力学计算，再用有限元分析软件进行应力分析，然后再进行优化设计。在经过上述一系列操作之后，建设性地解决了一部分的桥壳的优化问题，也为汽车后桥的各种零部件的优化提供的一个良好的示范。

关键词：驱动桥壳；力学分析；有限元分析；优化设计

Abstract

The main research object of this thesis is the driving axle housing, which is designed optimally.Drive axle shell is an important car parts, it is on the axle bearing load and torque components, it also need to pass the force from the wheel to upload, according to the actual situation in the need to deal with various complex road conditions, a car may need to bear from different directions, different sizes of load, the load may result in automobile axle damage, as protection of automotive drive axle drive axle shell components, strength and stiffness to meet certain requirements, at the time of design, need to design personnel for precise and reliable design.

In this article, the author's main purpose is to optimize the design, optimization design is the core of lightweight, the finite element analysis method is adopted, in the process of finite element analysis, we first use Pro/e software for 3 d modeling, and then to simplify the model in ANSYS, simplified is completed, and then to drive axle shells under various driving conditions of the bridge shell stress analysis and deformation condition of every part, analysis the results, combined with bridge shell parts the yield strength of material, can determine the reliability of the bridge shell.On this basis, the reliability of the bridge housing is tested after the optimized design of the optimized module and the lightweight design.After the lightweight design of the bridge housing, its quality is greatly reduced and its reliability still meets the requirements, which can bring considerable value to the manufacturing enterprise.

The lightweight design of the drive axle housing is a core content in the field of vehicle axle manufacturing. The lightweight design can reduce the manufacturing cost and processing difficulty of enterprises, and also reduce the emission of waste gas and waste water in the process of processing, which not only promotes the economy, but also makes a contribution to environmental protection.The technical means adopted in this thesis are mechanical calculation first, stress analysis by finite element analysis software, and then optimization design.After a series of operations, a part of the optimization problem of the axle housing is constructively solved, which also provides a good demonstration for the optimization of various parts of the automobile rear axle.

Key words: driving axle housing;Mechanical analysis;Finite element analysis;The optimization design

目录

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

1.3主要研究内容及技术路线 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2技术路线 4

第二章 驱动桥的相关介绍及驱动桥壳的力学计算 5

2.1汽车驱动桥的概述 5

2.1.1汽车车桥简介 5

2.1.2驱动桥的作用及组成部分简介 5

2.1.3驱动桥桥壳的结构型式 6

2.2驱动桥壳的力学计算 6

2.2.1桥壳的静弯曲应力计算 6

2.2.2不平路面的冲击工况驱动桥壳应力计算 8

2.2.3最大牵引力工况下驱动桥壳所受应力计算 9

2.2.4最大制动力工况下的驱动桥壳应力计算 11

2.2.5最大侧向力工况下的驱动桥壳应力计算 14

2.2.6应力计算结果分析 16

2.3本章小结 17

第三章 有限元模型的建立及分析 17

3.1驱动桥壳有限元模型的建立 17

3.2驱动桥壳有限元网格的划分 18

3.3驱动桥壳材料属性的选取 18

3.4驱动桥壳的静力学分析 19

3.4.1载荷以及约束设置 19

3.4.2各工况下的静力学分析 19

3.5本章小结 24

第四章 驱动桥壳的优化设计 24

4.1概述 24

4.2优化设计前的准备 25

4.3驱动桥壳优化的进行 25

4.4驱动桥壳的优化验证 27

4.4.1优化设计之后桥壳的静强度分析 27

4.4.2轻量化后的刚度分析 28

4.5桥壳优化前后的对比分析 29

4.6本章小结 29

第五章 总结 29

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

货车由后轮驱动，在一辆货车中，驱动桥壳也即后桥壳，它起到了重要的支承和传力的作用。驱动桥壳能够把车身上的力传递给车轮，把车轮上面的力传递给车架、悬架。所以驱动桥壳必须满足下列要求：①密闭性好，能够防止水泥进入并能够保护装在上面的传动部件；②它得具有足够的使用寿命以及强度，质量应该在保证可靠性的前提下尽可能地降低；③必须保证足够的刚度，这样才能够保证各个齿轮之间的正常啮合，并且不会让半轴套管承受附加弯曲应力；④驱动桥壳还得保证和地面之间的距离足够大；⑤就驱动桥壳的结构来说，工艺性必须很好，这样能够保证加工的便利，还能降低成本。^[1]根据驱动桥壳设计的一些要求，我们能够对桥壳进行力学分析计算，然后再通过分析结果来验证车桥的刚度是否满足要求。但是在实际情况中，由于汽车的行驶条件是千变万化的，这种变化的条件使得用传统方法很难计算应力。但如果利用有限元分析法就能跟根据汽车在遭受不同情况时受到的力和转矩来进行进一步的分析计算。可以得到比较准确的计算结果。^[2]本文采用有限元分析方法对某整体式冲焊桥壳进行轻量化。

对汽车的驱动桥壳进行有限元分析从而实现轻量化不仅能够提高汽车的承载能力，而且能够降低车桥的生产费用，轻量化的本质就是减轻车桥的重量，从而达到减少燃油损耗和增强汽车性能的作用，对汽车零部件的开发具有重要意义。目前来说，汽车的轻量化一般来说有以下三种主要方法，可以分别从材料、工艺以及结构三个方向来实现优化。就材料来说，在汽车材料中，以高强度钢为主，复合材料和镁铝合金为辅的多材料混合结构逐渐成为当前车桥研发设计的主流方案。^[3]将来，镁铝合金和纤维加强复合材料取代高强度钢成为主要材料而高强度钢为辅助材料的多材料混合结构会成为主流方案。就工艺来说，可以通过创新或者引进更先进的技术来改善加工工艺。而就结构而言，就是采用有限元分析法、边界元分析法等方法来分析掌握各种情况下的应力载荷。本课题主要研究目的是对驱动桥的强度、刚度等元素进行研究，主要采用响应面分析法对驱动桥壳的结构进行轻量化设计，再进行验证，从而能够得出一套方案。经过轻量化设计后，汽车的整体的结构可以得到改善，驱动桥壳的重量得以减轻，从而可以降低整个汽车的质量。^[4]经过轻量化设计的汽车，油耗大大降低，由于具有较低的自重，所以受到的各种阻力都不大。提出轻量化的方案，对于企业来说，可以为它们的生产、制造、检验提供一些参考，更重要的是，能够降低生产成本，提高产品的质量以及设计水平，在此基础之上，企业的核心竞争力可以随之提高，汽车驱动桥壳的轻量化具有重大的现实意义和巨大的经济价值。^[5]

图1-1 某型号轻型货车驱动桥图片

图1-2 某型号重型货车的驱动桥图片

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

低碳环保日益受到全世界的关注，油气资源日益消耗，逐渐走向枯竭，所以低油耗、少排放是目前世界汽车研究的重点和热点。轻量化设计是降低汽车油耗的有效途径，作为汽车重要部件的驱动桥壳的轻量化设计更是重中之重。

国内研究汽车驱动桥桥壳的时间的比较晚的，刚开始的研究都是采用传统的研究方法，主要是一些计算和进行实验，后来，出现了CAD有以及CAE技术，国内的学者们也开始利用CAD和CAE软件对汽车桥壳进行研究，取得了一些成果，不过同国外相比，仍然存在着较大的差距。

1982年，国内冯星炎先生的团队对某型号汽车的驱动桥壳进行了疲劳寿命的实验，通过改变实验载荷的试验方式，拟合出了驱动桥壳的应力曲线。^[6]