基于solidworks 汽车驱动桥有限元分析
Solidworks(cosmosworks )汽车驱动桥
有限元分析
摘 要
随着汽车对安全、节能、环保的不断重视，汽车后桥作为整车的一个关键部件，其 产品的质量对整车的安全使用及整车性能的影响是非常大的，因而对汽车后桥进行有效 的优化设计计算是非常必要的。驱动桥作为汽车四大总成之一，它的性能的好坏直接影 响整车性能，而对于载重汽车显得尤为重要。当采用大功率发动机输出大的转矩以满足 目前载重汽车的快速、重载的高效率、高效益的需要时，必须要搭配一个高效、可靠的 驱动桥。驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。所以采用 传动效率高的单级减速驱动桥已成为未来重载汽车的发展方向。
本文参照传统驱动桥的设计方法进行了载重汽车驱动桥的设计。本文首先确定主要 部件的结构型式和主要设计参数；然后参考类似驱动桥的结构，确定出总体设计方案； 最后对主，从动锥齿轮，差速器圆锥行星齿轮，半轴齿轮，全浮式半轴和整体式桥壳的 强度进行校核以及对支承轴承进行了寿命校核。
本设计具有以下的优点： 由于的是采用中央单级减速驱动桥， 使得整个后桥的结构简单， 制造工艺简单，从而大大的降低了制造成本。并且，弧齿锥齿轮的单级主减速器提高了 后桥的传动效率，提高了传动的可行性。
关键词：驱动桥,主减速器,差速器,半轴,桥壳
Abstract
To security, energy-conservation, constant attention of environmental protection with the car, the car rear axle is regarded as a key part of the completed car, its product's impact on
safe handling and completed car performance of the completed car of quality is very great, therefore is very essential for car rear axle to calculate effective optimization design. The
transaxle always becomes as four major cars, the quality of its performance influences the performance of completed car directly, and seem particularly important to the truck. When adopting the high-power engine to output the big torque in order to meet the need of the fast, heavily loaded high benefit with high efficiency of the truck at present,must match a
high-efficient, reliable transaxle. The transaxle is generally made up of main decelerator, differential mechanism, transmission device of the wheel and transaxle shell,etc.. Adopt transmission with high efficiency single grade moderate transaxle become future heavily loaded developing direction of car already.
With car to security, energy-conservation, constant attention of environmental protection, car rear axle is regard as a key part of the completed car, its product's impact on safe handling and completed car performance of the completed car of quality is very great, therefore is very essential for car rear axle to calculate effective optimization design. This text has carried on the design of the truck transaxle according to the traditional transaxle design method. This text confirms the structural pattern of the main part and main design parameter at first? Then consult the transaxle -like structure, determine the overall design plan? To the main fact finally, the gear wheel of the driven awl, the taper planet gear of the differential mechanism, semi-axis gear wheel, the floating type semi-axis and shelly intensity of integral bridge check and check the life-span in supporting the bearing completely. It is following to originally design: Because adopt forms central the grades last transaxle,make rear axles whole the of simple structure, manufacturing process is simple, thus big reducing manufacturing cost. And, the single grade of main decelerators of the awl gear wheel of arc tooth has improved the transmission efficiency of the rear axle, have improved the feasibility of the transmission.
Key Words: Transaxle , Main decelerator,Differential mechanism, Semi-axis , Bridge shell
目 录
摘 要 (1)
Abstract (1)
目 录 (2)
第1章 绪论 (3)
1.1 驱动桥概述 (3)
1.2 研究现状和发展趋势 (5)
1.3 课题研究方法 (5)
1.4 本课题要解决的主要问题和设计总体思路 (6)
第2章 SOLIDWORKS 及cosmosworks介绍 (6)
2.1 Solidworks软件概述 (6)
2.2 cosmosworks介绍 (7)
第3章 汽车驱动桥3D设计 (9)
3.1概述 (9)
3.1.1 选择研究对象 (10)
3.1.2 模型处理 (10)
3.2建立驱动桥的3D模型 (11)
3.2.1 进入SOLIDWORKS的操作界面 (11)
3.3 驱动桥设计的绘制过程 (12)
第3章驱动桥的有限元分析 (14)
3.1驱动桥壳强度分析计算 (15)
3.2 实现方法 (15)
3.3 具体分析步骤 (16)
总结与展望 (26)
参考文献 (26)
致 谢 (27)
第 1 章 绪论
1.1 驱动桥概述
驱动桥和其他汽车总成一样，除了广泛采用新技术外，在结构设计中日益朝着“零 件标准化、部件通用化、产品系列化”的方向发展及生产组织专业化目标前进。应采用 能以几种典型的零部件，以不同方案组合的设计方法和生产方式达到驱动桥产品的系列
化或变形的目的，或力求做到将某一类型的驱动桥以更多或增减不多的零件，用到不同 的性能、不同吨位、不同用途并由单桥驱动到多桥驱动的许多变形汽车上。
驱动桥是汽车传动系的主要组成部分。汽车的驱动桥处于传动系的末端，其基本功 用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动轮，并使左、 右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面 和车架或车厢的铅垂力、纵向力和横向力。它要保证当变速器处于最高挡时，在良好的 路面上有足够的牵引力以克服行驶阻力和获得汽车最大的速度，这主要取决于驱动桥的 传动比。虽然在汽车的整体设计时，从整车性能出发决定驱动桥的传动比，但是用什么 形式的驱动桥、什么结构的主减速器和差速器等在驱动桥设计中要具体考虑。决大多数 的发动机在汽车上是纵置的，为了使扭矩传给车轮，驱动桥必须改变扭矩的方向，同时 根据车辆的具体要求解决左右扭矩的分配。整体式驱动桥一方面需要承担汽车的载荷； 另一方面车轮上的作用力以及传递扭矩所产生的作用力矩都要由驱动桥承担，所以驱动 桥的零件必须具有足够的强度和刚度，以保证机件的可靠工作。驱动桥还必须满足通过 性和平顺性的要求。 [6] 。
在一般的汽车结构中，驱动桥包括主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置和桥壳 等组成。它们应具有足够的强度和寿命、良好的工艺、合适的材料和热处理等。对零件 应进行良好的润滑并减少系统的振动和噪音等 [1] 。
驱动桥的结构型式虽然可以各不相同，但在使用中对它们的基本要求却是一致的， 其基本要求可以归纳为 [1] ：
1）所选择的主减速比应能满足汽车在给定使用条件下具有最佳的动力性和燃油经 济性。
2）差速器在保证左、右驱动车轮能以汽车运动学所要求的差速滚动外并能将转矩 平稳而连续不断（无脉动）地传递给左、右驱动车轮。
3）当左右驱动车轮与地面的附着系数不同时，应能充分利用汽车的牵引力。
4）能承受和传递路面和车架式车厢的铅垂力、纵向力和横向力以及驱动时的反作 用力矩和制动时的制动力矩。
5）驱动桥各零部件在保证其强度、刚度、可靠性及寿命的前提下应力求减小簧下 质量，以减小不平路面对驱动桥的冲击载荷，从而改善汽车的平顺性。
6）轮廓尺寸不大以便于汽车的总体布并与所要求的驱动桥离地间隙相适应。
7）齿轮与其他传动机件工作平稳，无噪声。
8）驱动桥总成及零部件的设计应能满足零件的标准化，部件的通用化和产品的系 列化及汽车变型的要求。
9）在各种载荷及转速工况下有高的传动效率。
10）结构简单，维修方便，机件工艺性好，容易制造。
1.2 研究现状和发展趋势
随着汽车向采用大功率发动机和轻量化方向发展以及路面条件的改善,近年来主减 速比有减小的趋势,以满足高速行驶的要求。 [1]
为减小驱动轮的外廓尺寸,目前主减速器中基本不用直齿圆锥齿轮。 实践和理论分析 证明，螺旋锥齿轮不发生根切的最小齿数比直齿齿轮的最小齿数少。显然采用螺旋锥齿 轮在同样传动比下，主减速器的结构就比较紧凑。此外，它还具有运转平稳、噪声较小 等优点。因而在汽车上曾获得广泛的应用。近年来，准双曲面齿轮在广泛应用到轿车的 基础上，愈来愈多的在中型、重型货车上得到采用。 [3]
在现代汽车发展中， 对主减速器的要求除了扭矩传输能力、 机械效率和重量指标外， 它的噪声性能已成为关键性的指标。噪声源主要来自主、被动齿轮。噪声的强弱基本上 取决于齿轮的加工方法。区别于常规的加工方法，采用磨齿工艺，采用适当的磨削方法 可以消除在热处理中产生的变形。因此，与常规加工方法相比，磨齿工艺可获得很高的 精度和很好的重复性。 [4]
汽车在行驶过程中的使用条件是千变万化的。为了扩大汽车对这些不同使用条件的 适应范围，在某些中型车辆上有时将主减速器做成双速的，它既可以得到大的主减速比 又可得到所谓多档高速，以提高汽车在不同使用条件下的动力性和燃料经济性。
1.3 课题研究方法
1.了解驱动桥的构成。
2.通过上网，查阅书籍等途径来熟悉它的工作原理。
3.沟通讨论。
1.4 本课题要解决的主要问题和设计总体思路
1. 本课题解决的主要问题：国内外对驱动桥的研究很多，但是涉及到有限元分析
的还是较少。本文选择一款轿车或者重型卡车的驱动桥（按结构可以分为中央单级减 速驱动桥、中央双级减速驱动桥、中央单级、轮边减速驱动桥），分析其主要组成部 分的具体结构，得出不同扭矩的情况下驱动桥各个部件的受力及变形状况。
2. 本课题的设计总体思路：
选择一种机型的驱动桥。应用三维软件solidworks对其各个部分进行建模及装配， 运用solidworks软件自带的有限元分析模块cosmosworks对驱动桥整体进行有限元分 析不同扭矩的情况下驱动桥各个部件的受力及变形状况。优化设计结构，以减小不平 路面对驱动桥的冲击载荷，从而改善汽车行驶的平顺性。
第 2 章 SOLIDWORKS 及 cosmosworks 介绍 2.1 Solidworks软件概述
SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售 机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有 Internet 整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、 工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的 CA TIA V5 就出自该 公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。
特点:Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks 功能强大、易学易用和技术 创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决 方案。 SolidWorks 能够提供不同的设计方案、 减少设计过程中的错误以及提高产品质量。 SolidWorks 不仅提供如此强大的功能， 同时对每个工程师和设计者来说， 操作简单方便、 易学易用。 对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设 计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。 SolidWorks资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方 便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能
够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中， SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。 美国著名咨询公司Daratech所评论： “在基于 Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速 增长的领导者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows风格的拖/放、 点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的， 零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
2.2 cosmosworks介绍
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第 3 章 汽车驱动桥 3D设计
3.1概述
驱动桥是汽车传动系的主要组成部分。汽车的驱动桥处于传动系的末端，其基本 功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动轮，并使左、 右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面 和车架或车厢的铅垂力、纵向力和横向力。它要保证当变速器处于最高挡时，在良好的 路面上有足够的牵引力以克服行驶阻力和获得汽车最大的速度，这主要取决于驱动桥的 传动比。虽然在汽车的整体设计时，从整车性能出发决定驱动桥的传动比，但是用什么 形式的驱动桥、什么结构的主减速器和差速器等在驱动桥设计中要具体考虑。决大多数 的发动机在汽车上是纵置的，为了使扭矩传给车轮，驱动桥必须改变扭矩的方向，同时 根据车辆的具体要求解决左右扭矩的分配。整体式驱动桥一方面需要承担汽车的载荷； 另一方面车轮上的作用力以及传递扭矩所产生的作用力矩都要由驱动桥承担，所以驱动 桥的零件必须具有足够的强度和刚度，以保证机件的可靠工作。驱动桥还必须满足通过 性和平顺性的要求。 [6] 。
驱动桥的结构型式虽然可以各不相同，但在使用中对它们的基本要求却是一致的， 其基本要求可以归纳为 [1] ：
1）所选择的主减速比应能满足汽车在给定使用条件下具有最佳的动力性和燃油经 济性。
2）差速器在保证左、右驱动车轮能以汽车运动学所要求的差速滚动外并能将转矩 平稳而连续不断（无脉动）地传递给左、右驱动车轮。
3）当左右驱动车轮与地面的附着系数不同时，应能充分利用汽车的牵引力。
4）能承受和传递路面和车架式车厢的铅垂力、纵向力和横向力以及驱动时的反作 用力矩和制动时的制动力矩。
5）驱动桥各零部件在保证其强度、刚度、可靠性及寿命的前提下应力求减小簧下 质量，以减小不平路面对驱动桥的冲击载荷，从而改善汽车的平顺性。
6）轮廓尺寸不大以便于汽车的总体布并与所要求的驱动桥离地间隙相适应。
7）齿轮与其他传动机件工作平稳，无噪声。
8）驱动桥总成及零部件的设计应能满足零件的标准化，部件的通用化和产品的系 列化及汽车变型的要求。
9）在各种载荷及转速工况下有高的传动效率。
10）结构简单，维修方便，机件工艺性好，容易制造。
3.1.1 选择研究对象
鉴于本课题研究的特殊性，本课题不是从无到有的设计，也不是理论性的设计说 明，而是根据前人的经验和实际产品模型的基础上进行的分析和验证，运用一种新的设 计方法和途径来探索问题的研究方法的。
本设计选择一种汽车的驱动桥作为研究对象，结合该汽车厂商提供的数据进行分析 和处理，然后用三维软件建立3D 模型进行有限元分析和处理。
表1 汽车的主要技术参数 总质量
2305 发动机的位置 前置横列 轴距
2700 车长/宽/高 4820/1870/1835 变速器型式 手动五挡变速器 轮胎尺寸
235/75R15 发动机额定功率/转速 78/4600 最大扭矩/转速
190/3200 最大爬坡度 % 30 3 最小离地间隙
200 接近角 29 0 离去角 27.5 0
传动轴 开式，两节，中间支撑 最高车速 120
轴荷分配 满载 前900 后1405
空载 前845 后780
变速器速比 一挡 二挡 三挡 四档
五挡 倒挡 3.9
2.77 1.97 1.4 1
3.9 3.1.2 模型处理
在选择驱动桥总成的结构型式时， 应当从所设计汽车的类型及使用、 生产条件出发， 并和所设计汽车的其他部件，尤其是悬架的结构型式与特性相适应，以共同保证整个汽 车预期使用性能的实现。驱动桥的总成的结构型式，按其总体布置来说有三种：普通的
非断开式驱动桥、带有摆动半轴的非断开式驱动桥合和断开式驱动桥 [5] 。
由于驱动桥整个运行过程比较复杂，零配件也相对有很多个，不可能每个零件都进 行分析和处理。按理论来讲是可行的。但是从具体实际来讲，没有那个必要，受计算机 内存和处理信息的要求，无法实现整体全部零件的分析处理，只能选取其中的一些关键 的零配件进行一个分析。
3.2建立驱动桥的 3D模型
3.2.1 进入 SOLIDWORKS 的操作界面
点新建进入零件界面,如下图.
选中参考面进入草图环境.
3.3 驱动桥设计的绘制过程
画主体壳体主要部分草图，然后拉伸生成实体。
生成实体。
完善连接部位的实体造型。
完善一侧轮胎结构
完善整体造型设计.
第 3 章驱动桥的有限元分析
有限元法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法，以其在机 械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用，特别是在材料应力、 应变的线性范围更是如此。在汽车设计领域，无论是车身、车架的计算仿真，还是发动 机的曲轴以及传动系统的计算均使用到该方法。
汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一， 其作用主要有： 支撑并保护主减速器、 差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定；同从动桥一起支撑车架 及其 上的各总成质量；汽车行驶时，承受由车轮传来的路面反作用力和力矩并经悬架传给车 架等。驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小，并便于主减速器的拆装 和调整。由 于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难，故其结构型式应在满足使用要求的前提下应 尽可能便于制造。驱动桥壳分为整体式桥壳，分段式桥壳和组合式 桥壳三类。整体式 桥壳具有较大的强度和刚度，且便于主减速器的装配、调整和维修，因此普遍应用于各 类汽车上。但是由于其形状复杂，因此应力计算比较困难。 根据汽车设计理论，驱动 桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一个简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断 面的最大应力值，然后考虑一个安全系数来确定工作应 力，这种设计方法有很多局限 性。因此近年来，许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳进行了计算和分析。本文中
所研究的对象是在某型号货车上使用的整体式桥壳。
3.1驱动桥壳强度分析计算
可将桥壳视为一空心横梁，两端经轮毂轴承支撑于车轮上，在钢板弹簧座处桥壳承 受汽车的簧上载荷，而沿左右轮胎中心线，地面给轮胎以反力（双胎时则沿双胎中心）， 桥壳承受此力与车轮重力之差，受力如图1所示。
桥壳强度计算可简化成三种典型的工况，只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度 得到保证，就认为该桥壳在汽车行驶条件下是可靠的。
3.2 实现方法
一般来说，在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。 这一般包括几何建模、定义材料属性和实常数（要根据单元的几何特性来设置，有些单 元没有实常数）、定义单元类型，网格划分、添加约束与载荷等。由于汽车零部件结构 形状较为复杂，包含许多复杂曲面，而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当 有限，难以快速方便地对其建模。因此，针对较复杂的结构，可以先在三维 CAD 软件 （如在 SOLIDWORKS 中）建立几何模型，然后在有限元分析软件 COSMOSWORKS 中通过输入接口读入实体模型，最后在COSMOSWORKS中完成其分析过程。
被分析汽车的参数为：汽车的名义装载量 m1＝4.0t，满载轴荷时后桥负荷 m2＝ 6.0t，车轮中心线至钢板弹簧座中心距离 b＝370mm，两钢板弹簧座中心间的距离 s＝ 1004mm，桥壳本身的重力 G0＝931.6N，桥壳设计的安全系数为 7，弹簧上表面面积 5000mm2，由此可得到面载荷为5.88MPa。根据国家标准，当承受满载轴荷时，桥壳最
大变形量不能超过1.5mm/m；承受2.5倍满载轴荷时，桥壳不能出现断裂和塑性变形。 所以垂直方向的载荷取满载轴荷的2.5倍，即 5.88×2.5＝14.78MPa。
3.3 具体分析步骤
启动COSMOSWORKS,进入工作界面.
然后点“下一步” ,进入下面的,要求对要分析哪些部位进行选择。
根据情况我们选择中间的主体结构,是主要的受力部位。
要求进行材料的选择，我这里选择的是合金钢材料。点下一步进入施加约束的环节 了。
我选择的是固定两端与轮子连接的部位。进入下一步。
要求对施加的约束进行命名处理。下一步进行约束的编辑处理。
我们这里不需要进行编辑操作就不作选择了，进入下一步环节了。下一步是进行受 力的一个约束设定环节。
下一步进行的是载荷类型的一个选择问题。我们选择的是力。
下一步弹出的是施加的部位选择的问题。
下一步进行的是受力的数值输入。
点下一步进入分析环节。可以按照它的提示进行一个系统的操作。