基于solidworks 汽車驅動橋有限元分析【說明書+SOLIDWORKS】
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Solidworks(cosmosworks)汽車汽車驅動橋驅動橋有限元分析有限元分析學生：湯朔輝第1章 緒論1.1 驅動橋概述驅動橋和其他汽車總成一樣，除了廣泛采用新技術外，在結構設計中日益朝著“零件標準化、部件通用化、產品系列化”的方向發(fā)展及生產組織專業(yè)化目標前進。驅動橋是汽車傳動系的主要組成部分。汽車的驅動橋處于傳動系的末端，其基本功用是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉矩，將轉矩分配給左、右驅動輪，并使左、右驅動車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能；同時，驅動橋還要承受作用于路面和車架或車廂的鉛垂力、縱向力和橫向力。1.2 研究現狀和發(fā)展趨勢隨著汽車向采用大功率發(fā)動機和輕量化方向發(fā)展以及路面條件的改善,近年來主減速比有減小的趨勢,以滿足高速行駛的要求。為減小驅動輪的外廓尺寸,目前主減速器中基本不用直齒圓錐齒輪。實踐和理論分析證明，螺旋錐齒輪不發(fā)生根切的最小齒數比直齒齒輪的最小齒數少。1.3 課題研究方法1.了解驅動橋的構成。2.通過上網，查閱書籍等途徑來熟悉它的工作原理。3.溝通討論。1.4 本課題要解決的主要問題和設計總體思路1.本文選擇一款轎車或者重型卡車的驅動橋（按結構可以分為中央單級減速驅動橋、中央雙級減速驅動橋、中央單級、輪邊減速驅動橋），分析其主要組成部分的具體結構，得出不同扭矩的情況下驅動橋各個部件的受力及變形狀況。2.本課題的設計總體思路：選擇一種機型的驅動橋。應用三維軟件solidworks對其各個部分進行建模及裝配，運用solidworks軟件自帶的有限元分析模塊cosmosworks對驅動橋整體進行有限元分析不同扭矩的情況下驅動橋各個部件的受力及變形狀況。第2章 SOLIDWORKS及cosmosworks介紹2.1 Solidworks軟件概述SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設計軟件的視窗產品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務。特點:Solidworks軟件功能強大，組件繁多。Solidworks 功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。2.2 cosmosworks介紹COSMOSWorks針對工程師與設計人員，提供了簡學易用且功能強大的設計驗證與最佳化工具。全球超過14,000家各個業(yè)界的公司，目前正使用COSMOS來改善設計品質，避免現場故障，減少材料成本與縮短上市時間。COSMOSWorks賦予您更快速、低成本與最佳化的產品研發(fā)能力，比起要使用到最精細的原型測試，還 更具有全面性的產品效能驗證功能。第3章 汽車驅動橋3D設計3.1概述 驅動橋是汽車傳動系的主要組成部分。汽車的驅動橋處于傳動系的末端，其基本功用是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉矩，將轉矩分配給左、右驅動輪，并使左、右驅動車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能；同時，驅動橋還要承受作用于路面和車架或車廂的鉛垂力、縱向力和橫向力。3.2建立驅動橋的3D模型3.2.1 進入SOLIDWORKS的操作界面點新建進入零件界面選中參考面進入草圖環(huán)境3.3 驅動橋設計的繪制過程畫主體殼體主要部分草圖，然后拉伸生成實體。生成實體。完善連接部位的實體造型。完善一側輪胎結構完善整體造型設計第3章驅動橋的有限元分析有限元法是一種在工程分析中常用的解決復雜問題的近似數值分析方法，以其在機械結構強度和剛度分析方面具有較高的計算精度而得到普遍應用，特別是在材料應力、應變的線性范圍更是如此。3.1驅動橋殼強度分析計算3.2 實現方法針對較復雜的結構，可以先在三維CAD軟件（如在SOLIDWORKS中）建立幾何模型，然后在有限元分析軟件COSMOSWORKS中通過輸入接口讀入實體模型，最后在COSMOSWORKS中完成其分析過程。3.3 具體分析步驟 啟動COSMOSWORKS,進入工作界面.然后點“下一步”,進入下面的,要求對要分析哪些部位進行選擇。根據情況我們選擇中間的主體結構,是主要的受力部位。要求進行材料的選擇，我這里選擇的是合金鋼材料。點下一步進入施加約束的環(huán)節(jié)了。要求對施加的約束進行命名處理。下一步進行約束的編輯處理。我們這里不需要進行編輯操作就不作選擇了，進入下一步環(huán)節(jié)了。下一步是進行受力的一個約束設定環(huán)節(jié)。下一步進行的是載荷類型的一個選擇問題.下一步彈出的是施加的部位選擇的問題。下一步進行的是受力的數值輸入。點下一步進入分析環(huán)節(jié)。可以按照它的提示進行一個系統(tǒng)的操作。點運行按鈕，進行模型的網格化處理。網格化處理結束，進行優(yōu)化環(huán)節(jié)。運行結果界面:應力結果：位移結果：變形結果：有限元法是一種在工程分析中常用的解決復雜問題的近似數值分析方法，以其在機械結構強度和剛度分析方面具有較高的計算精度而得到普遍應用，特別是在材料應力、應變的線性范圍更是如此。在汽車設計領域，無論是車身、車架的計算仿真，還是發(fā)動機的曲軸以及傳動系統(tǒng)的計算均使用到該方法。
??? 有限元分析最基本的研究方法就是“結構離散→單元分析→整體求解”的過程。經過近50年的發(fā)展，有限元法的理論日趨完善，已經開發(fā)出了一批通用和專用的有限元軟件。ANSYS是當前國際上流行的有限元分析軟件，廣泛地應用于各行各業(yè)，是一種通用程序，可以用它進行所有行業(yè)的幾乎任何類型的有限元分析，如汽車、宇航、鐵路、機械和電子等行業(yè)。ANSYS軟件將實體建模、系統(tǒng)組裝、有限元前后處理、有限元求解和系統(tǒng)動態(tài)分析等集成一體，最大限度地滿足工程設計分析的需要。通過結合ANSYS軟件，能高效準確地建立分析構件的三維實體模型，自動生成有限元網格，建立相應的約束及載荷工況，并自動進行有限元求解，對模態(tài)分析計算結果進行圖形顯示和結果輸出，對結構的動態(tài)特性作出評價。它包括結構分析、模態(tài)分析、磁場分析、熱分析和多物理場分析等眾多功能模塊。
??? 汽車驅動橋殼是汽車上的主要承載構件之一，其作用主要有：支撐并保護主減速器、差速器和半軸等，使左右驅動車輪的軸向相對位置固定；同從動橋一起支撐車架及其上的各總成質量；汽車行駛時，承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩并經懸架傳給車架等。驅動橋殼應有足夠的強度和剛度且質量小，并便于主減速器的拆裝和調整。由于橋殼的尺寸和質量比較大，制造較困難，故其結構型式應在滿足使用要求的前提下應盡可能便于制造。驅動橋殼分為整體式橋殼，分段式橋殼和組合式橋殼三類。整體式橋殼具有較大的強度和剛度，且便于主減速器的裝配、調整和維修，因此普遍應用于各類汽車上。但是由于其形狀復雜，因此應力計算比較困難。根據汽車設計理論，驅動橋殼的常規(guī)設計方法是將橋殼看成一個簡支梁并校核幾種典型計算工況下某些特定斷面的最大應力值，然后考慮一個安全系數來確定工作應力，這種設計方法有很多局限性。因此近年來，許多研究人員利用有限元方法對驅動橋殼進行了計算和分析。本文中所研究的對象是在某型號貨車上使用的整體式橋殼。
一、驅動橋殼強度分析計算
??? 可將橋殼視為一空心橫梁，兩端經輪轂軸承支撐于車輪上，在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷，而沿左右輪胎中心線，地面給輪胎以反力（雙胎時則沿雙胎中心），橋殼承受此力與車輪重力之差，受力如圖1所示。
圖1 驅動橋殼的受力簡圖
??? 橋殼強度計算可簡化成三種典型的工況，只要在這三種載荷計算工況下橋殼的強度得到保證，就認為該橋殼在汽車行駛條件下是可靠的。
??? 1)牽引力或制動力最大時，橋殼鋼板彈簧座處危險斷面的彎曲應力σ和扭轉切應力τ分別為：
??? 式中：
??? ——地面對車輪垂直反力在橋殼板簧座處斷面引起的垂直平面的彎矩，；（b為輪胎中心平面到板簧座之間的橫向距離）
??? ——牽引力或制動力（一側車輪上的）在水平面內引起的彎矩，；
??? ——牽引或制動時，上述危險斷面所受轉矩，；
??? ——分別為危險斷面垂直平面和水平面彎曲的抗彎截面系數及抗扭截面系數，之間的關系如表1所示。
??? 2)當側向力最大時，外輪和內輪上的垂直反力和，以及橋殼內、外板簧座處斷面的彎曲應力、之間的關系，分別為：
；
??? 3)當汽車通過不平路面時，危險斷面的彎曲應力為：?
??? 式中k為動載荷系數。對于轎車，k取1.75；對于貨車，k取2.0；對于越野車，k取2.5。
??? 橋殼的許用彎曲應力為300MPa～500MPa，許用扭轉切應力為150MPa～400MPa?？慑戣T鐵橋殼取較小值，鋼板沖壓焊接橋殼取較大值。
??? 上述橋殼強度的傳統(tǒng)計算方法，只能算出某一斷面的應力平均值，而不能完全反映橋殼上應力及其分布的真實情況。因此，它僅用于對橋殼強度的驗算，或用作與其他車型的橋殼強度進行比較，而不能用于計算橋殼上某點（例如應力集中點）的真實應力值。使用有限元法對驅動橋殼進行強度分析，只要計算模型簡化得當，受力約束處理合理，就可以得到比較詳細的應力與變形的分布情況，這些都是上述傳統(tǒng)計算方法所難以辦到的。
二、實現方法
??? 一般來說，在整個有限元求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。這一般包括幾何建模、定義材料屬性和實常數（要根據單元的幾何特性來設置，有些單元沒有實常數）、定義單元類型，網格劃分、添加約束與載荷等。由于汽車零部件結構形狀較為復雜，包含許多復雜曲面，而一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當有限，難以快速方便地對其建模。因此，針對較復雜的結構，可以先在三維CAD軟件（如在UG中）建立幾何模型，然后在有限元分析軟件ANSYS中通過輸入接口讀入實體模型，最后在ANSYS中完成其分析過程。
三、有限元計算模型的建立
??? 被分析汽車的參數為：汽車的名義裝載量m1＝4.0t，滿載軸荷時后橋負荷m2＝6.0t，車輪中心線至鋼板彈簧座中心距離b＝370mm，兩鋼板彈簧座中心間的距離s＝1004mm，橋殼本身的重力G0＝931.6N，橋殼設計的安全系數為7，彈簧上表面面積5000mm2，由此可得到面載荷為5.88MPa。根據國家標準，當承受滿載軸荷時，橋殼最大變形量不能超過1.5mm/m；承受2.5倍滿載軸荷時，橋殼不能出現斷裂和塑性變形。所以垂直方向的載荷取滿載軸荷的2.5倍，即5.88×2.5＝14.78MPa。
??? 首先在UG中建立起驅動橋殼的三維模型。在建立橋殼的有限元模型時，先對驅動橋殼實體做必要的簡化。對主要承載件，均保留其原結構形狀，以反映其力學特性，對非承載件進行了一定程度的簡化。簡化結果如圖2所示。
圖2 橋殼的三維模型
??? 然后將模型導入到ANSYS中，對其進行網格劃分，劃分網格時選用具有較高的剛度及計算精度的四面體10節(jié)點92號單元，這樣將該零件劃分為60183個節(jié)點，29805個單元，如圖3所示。
圖3 橋殼的有限元模型
??? 該驅動橋殼的本體材料為8mm厚的09SiVL鋼板，從材料手冊中查出其彈性模量E=5MPa，泊松比μ=0.3，材料密度為7850。計算橋殼的垂直靜彎曲剛度和靜強度的方法是：將后橋兩端固定，在彈簧座處施加載荷，將橋殼兩端車輪中心線處全部約束，然后在彈簧座處施加規(guī)定載荷。
四、計算結果
??? 在有限元模型中，驅動橋殼在2.5倍滿載軸荷工況下，應力及位移云圖分別如圖4、圖5所示，最大位移為0.469E-03m，最大應力為2185MPa，出現在半軸套管約束處。在不考慮由于約束影響造成的局部過大應力的情況下，應力較大值分布在鋼板彈簧座的兩側，約為240MPa，遠小于材料的許用應力＝510MPa～610MPa。所以，該橋殼是符合結構強度要求的。
圖4 2.5倍滿載荷條件下的Mises應力云圖
圖5 2.5倍滿載荷條件下的Mises位移云圖
五、結束語
??? 通過建立汽車零部件、結構或系統(tǒng)的有限元計算模型，或利用UG等CAD軟件建立3D參數化模型進行轉化，在CAE軟件中進行仿真分析和計算，可以降低設計開發(fā)成本，減少試驗次數，縮短設計開發(fā)周期，提高產品質量，使得汽車在輕量化、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進和提高，具有非常重大的實際意義。
機械與電氣工程學院畢業(yè)設計（論文）任務書
所在學院
機電學院
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
班級
08機自3班
學生姓名
湯朔輝
學號
08141010420
指導教師
王健
題 目
汽車驅動橋有限元分析
一、畢業(yè)設計（論文）工作內容與基本要求：（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數據）、參考資料（文獻）以及設計技術要求、注意事項等）（紙張不夠可加頁）
國內外對驅動橋的研究很多，但是涉及到有限元分析的還是較少。本文選擇一款轎車或者重型卡車的驅動橋（按結構可以分為中央單級減速驅動橋、中央雙級減速驅動橋、中央單級、輪邊減速驅動橋），分析其主要組成部分的具體結構，并應用三維軟件solidworks對其各個部分進行建模及裝配，運用solidworks軟件自帶的有限元分析模塊cosmosworks對驅動橋整體進行有限元分析，主要是得出不同扭矩的情況下驅動橋各個部件的受力及變形狀況。著重培養(yǎng)學生的能力是：
1）培養(yǎng)學生的三維設計軟件solidworks造型能力；
2）學生熟練掌握AutoCAD繪圖軟件的使用；
3）培養(yǎng)學生CAE軟件cosmosworks分析能力；
4）運用汽車構造知識分析解決問題。
二、應收集的資料及主要參考文獻
《汽車構造》.（吉林大學汽車工程系編著）[M] 2006.6
《機械設計》（第七版） （濮良貴等編著） [M] 2003.5
《汽車自動變速器動力傳遞》 （曹利民主編）[M] 2009.4
《機械制圖》（合肥工業(yè)大學工程圖學教研室編）[M] 2009.4
《中文版Solidworks2011從入門到精通》 （趙罘等主編）[M] 2001.5
《SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真設計》 （張晉西，郭學琴主編）[M] 2007.1
《COSMOS基礎教程：COSMOSWorks Designer》 （杭州新迪數字工程系統(tǒng)有限公司主編）[M] 2007.4
二、畢業(yè)論文進度計劃
畢業(yè)設計（論文）時間： 2011 年 9 月 1 日至 2012 年 4 月 1 日
計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 4 月 20 日
三、專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人（簽字）：
工作任務與工作量要求：原則上查閱文獻資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇；文獻綜述不少于3000字；文獻翻譯不少于2000字；畢業(yè)設計說明書或論文1篇不少于8000字。 提交相關圖紙、實驗報告、調研報告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范及有關要求，請查閱《寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》。
備注：學生一人一題，指導教師對每一名學生下達一份《畢業(yè)設計（論文）任務書》。
分 類 號
密 級
寧XX學院
畢業(yè)設計(論文)
Solidworks(cosmosworks )汽車驅動橋
有限元分析
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
誠 信 承 諾
我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《Solidworks(cosmosworks )汽車驅動橋有限元分析》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。
承諾人（簽名）：
年 月 日
摘 要
隨著汽車對安全、節(jié)能、環(huán)保的不斷重視，汽車后橋作為整車的一個關鍵部件，其產品的質量對整車的安全使用及整車性能的影響是非常大的，因而對汽車后橋進行有效的優(yōu)化設計計算是非常必要的。驅動橋作為汽車四大總成之一，它的性能的好壞直接影響整車性能，而對于載重汽車顯得尤為重要。當采用大功率發(fā)動機輸出大的轉矩以滿足目前載重汽車的快速、重載的高效率、高效益的需要時，必須要搭配一個高效、可靠的驅動橋。驅動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅動橋殼等組成。所以采用傳動效率高的單級減速驅動橋已成為未來重載汽車的發(fā)展方向。
本文參照傳統(tǒng)驅動橋的設計方法進行了載重汽車驅動橋的設計。本文首先確定主要部件的結構型式和主要設計參數；然后參考類似驅動橋的結構，確定出總體設計方案；最后對主，從動錐齒輪，差速器圓錐行星齒輪，半軸齒輪，全浮式半軸和整體式橋殼的強度進行校核以及對支承軸承進行了壽命校核。
本設計具有以下的優(yōu)點：由于的是采用中央單級減速驅動橋，使得整個后橋的結構簡單，制造工藝簡單，從而大大的降低了制造成本。并且，弧齒錐齒輪的單級主減速器提高了后橋的傳動效率，提高了傳動的可行性。
關鍵詞：驅動橋,主減速器,差速器,半軸,橋殼
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 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
第1章 緒論 6
1.1 驅動橋概述 6
1.2 研究現狀和發(fā)展趨勢 7
1.3 課題研究方法 8
1.4 本課題要解決的主要問題和設計總體思路 8
第2章 SOLIDWORKS及cosmosworks介紹 8
2.1 Solidworks軟件概述 8
2.2 cosmosworks介紹 9
第3章 汽車驅動橋3D設計 11
3.1概述 11
3.1.1 選擇研究對象 12
3.1.2 模型處理 13
3.2建立驅動橋的3D模型 13
3.2.1 進入SOLIDWORKS的操作界面 13
3.3 驅動橋設計的繪制過程 14
第3章驅動橋的有限元分析 16
3.1驅動橋殼強度分析計算 17
3.2 實現方法 17
3.3 具體分析步驟 18
總結與展望 28
參考文獻 29
致 謝 30
第1章 緒論
1.1 驅動橋概述
驅動橋和其他汽車總成一樣，除了廣泛采用新技術外，在結構設計中日益朝著“零件標準化、部件通用化、產品系列化”的方向發(fā)展及生產組織專業(yè)化目標前進。應采用能以幾種典型的零部件，以不同方案組合的設計方法和生產方式達到驅動橋產品的系列化或變形的目的，或力求做到將某一類型的驅動橋以更多或增減不多的零件，用到不同的性能、不同噸位、不同用途并由單橋驅動到多橋驅動的許多變形汽車上。
驅動橋是汽車傳動系的主要組成部分。汽車的驅動橋處于傳動系的末端，其基本功用是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉矩，將轉矩分配給左、右驅動輪，并使左、右驅動車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能；同時，驅動橋還要承受作用于路面和車架或車廂的鉛垂力、縱向力和橫向力。它要保證當變速器處于最高擋時，在良好的路面上有足夠的牽引力以克服行駛阻力和獲得汽車最大的速度，這主要取決于驅動橋的傳動比。雖然在汽車的整體設計時，從整車性能出發(fā)決定驅動橋的傳動比，但是用什么形式的驅動橋、什么結構的主減速器和差速器等在驅動橋設計中要具體考慮。決大多數的發(fā)動機在汽車上是縱置的，為了使扭矩傳給車輪，驅動橋必須改變扭矩的方向，同時根據車輛的具體要求解決左右扭矩的分配。整體式驅動橋一方面需要承擔汽車的載荷；另一方面車輪上的作用力以及傳遞扭矩所產生的作用力矩都要由驅動橋承擔，所以驅動橋的零件必須具有足夠的強度和剛度，以保證機件的可靠工作。驅動橋還必須滿足通過性和平順性的要求。[6]。
在一般的汽車結構中，驅動橋包括主減速器、差速器、驅動車輪的傳動裝置和橋殼等組成。它們應具有足夠的強度和壽命、良好的工藝、合適的材料和熱處理等。對零件應進行良好的潤滑并減少系統(tǒng)的振動和噪音等[1]。
驅動橋的結構型式雖然可以各不相同，但在使用中對它們的基本要求卻是一致的，其基本要求可以歸納為[1]：
1）所選擇的主減速比應能滿足汽車在給定使用條件下具有最佳的動力性和燃油經濟性。
2）差速器在保證左、右驅動車輪能以汽車運動學所要求的差速滾動外并能將轉矩平穩(wěn)而連續(xù)不斷（無脈動）地傳遞給左、右驅動車輪。
3）當左右驅動車輪與地面的附著系數不同時，應能充分利用汽車的牽引力。
4）能承受和傳遞路面和車架式車廂的鉛垂力、縱向力和橫向力以及驅動時的反作用力矩和制動時的制動力矩。
5）驅動橋各零部件在保證其強度、剛度、可靠性及壽命的前提下應力求減小簧下質量，以減小不平路面對驅動橋的沖擊載荷，從而改善汽車的平順性。
6）輪廓尺寸不大以便于汽車的總體布并與所要求的驅動橋離地間隙相適應。
7）齒輪與其他傳動機件工作平穩(wěn)，無噪聲。
8）驅動橋總成及零部件的設計應能滿足零件的標準化，部件的通用化和產品的系列化及汽車變型的要求。
9）在各種載荷及轉速工況下有高的傳動效率。
10）結構簡單，維修方便，機件工藝性好，容易制造。
1.2 研究現狀和發(fā)展趨勢
隨著汽車向采用大功率發(fā)動機和輕量化方向發(fā)展以及路面條件的改善,近年來主減速比有減小的趨勢,以滿足高速行駛的要求。[1]
為減小驅動輪的外廓尺寸,目前主減速器中基本不用直齒圓錐齒輪。實踐和理論分析證明，螺旋錐齒輪不發(fā)生根切的最小齒數比直齒齒輪的最小齒數少。顯然采用螺旋錐齒輪在同樣傳動比下，主減速器的結構就比較緊湊。此外，它還具有運轉平穩(wěn)、噪聲較小等優(yōu)點。因而在汽車上曾獲得廣泛的應用。近年來，準雙曲面齒輪在廣泛應用到轎車的基礎上，愈來愈多的在中型、重型貨車上得到采用。[3]
在現代汽車發(fā)展中，對主減速器的要求除了扭矩傳輸能力、機械效率和重量指標外，它的噪聲性能已成為關鍵性的指標。噪聲源主要來自主、被動齒輪。噪聲的強弱基本上取決于齒輪的加工方法。區(qū)別于常規(guī)的加工方法，采用磨齒工藝，采用適當的磨削方法可以消除在熱處理中產生的變形。因此，與常規(guī)加工方法相比，磨齒工藝可獲得很高的精度和很好的重復性。[4]
汽車在行駛過程中的使用條件是千變萬化的。為了擴大汽車對這些不同使用條件的適應范圍，在某些中型車輛上有時將主減速器做成雙速的，它既可以得到大的主減速比又可得到所謂多檔高速，以提高汽車在不同使用條件下的動力性和燃料經濟性。
1.3 課題研究方法
1.了解驅動橋的構成。
2.通過上網，查閱書籍等途徑來熟悉它的工作原理。
3.溝通討論。
1.4 本課題要解決的主要問題和設計總體思路
1. 本課題解決的主要問題：國內外對驅動橋的研究很多，但是涉及到有限元分析的還是較少。本文選擇一款轎車或者重型卡車的驅動橋（按結構可以分為中央單級減速驅動橋、中央雙級減速驅動橋、中央單級、輪邊減速驅動橋），分析其主要組成部分的具體結構，得出不同扭矩的情況下驅動橋各個部件的受力及變形狀況。
2. 本課題的設計總體思路：
選擇一種機型的驅動橋。應用三維軟件solidworks對其各個部分進行建模及裝配，運用solidworks軟件自帶的有限元分析模塊cosmosworks對驅動橋整體進行有限元分析不同扭矩的情況下驅動橋各個部件的受力及變形狀況。優(yōu)化設計結構，以減小不平路面對驅動橋的沖擊載荷，從而改善汽車行駛的平順性。
第2章 SOLIDWORKS及cosmosworks介紹
2.1 Solidworks軟件概述
SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設計軟件的視窗產品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務。該集團提供涵蓋整個產品生命周期的系統(tǒng)，包括設計、工程、制造和產品數據管理等各個領域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產品市場占有率居世界前列。
特點:Solidworks軟件功能強大，組件繁多。Solidworks 功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。 對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內完成大型裝配設計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內完成更多的工作，能夠更快地將高質量的產品投放市場。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設計過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評論：“在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領導者?！?在強大的設計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協同下，使用SolidWorks ，整個產品設計是可百分之百可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間的是全相關的。
2.2 cosmosworks介紹
針對SolidWorks有史以來最好的原創(chuàng)設計驗證解決方案！使用相同的SolidWorks介面，提供快速、功能 強大與精確的設計分析…不用懷疑，COSMOSWorks是主流市場的第一名。COSMOSWorks針對工程師與設計人員，提供了簡學易用且功能強大的設計驗證與最佳化工具。全球超過14,000家各個業(yè)界的公司，目前正使用COSMOS來改善設計品質，避免現場故障，減少材料成本與縮短上市時間。 COSMOSWorks賦予您更快速、低成本與最佳化的產品研發(fā)能力，比起要使用到最精細的原型測試，還 更具有全面性的產品效能驗證功能。現有的產品包裝如下，COSMOSWorks可以隨時依據您擴充的分析需求而增加與改變：COSMOSWorks Designer 利用易學易用的虛擬仿真工具進行分析,其效果遠遠優(yōu)于手算COSMOSWorks Professional 提供了一系列功能強大的工具，可幫助那些熟悉分析概念的工程師對零件和裝配體進行虛擬測試和分析。 COSMOSWorks Advanced Professional 是目前市場上最全面、最復雜的分析工具之一，它為經驗豐富的分析員提供了多種分析功能，而價格卻遠遠低于大多數的高端 FEA 軟件價格適中的設計驗證工具，適合每個工程師使用COSMOSWorks? Designer 是專門為那些非設計驗證領域專業(yè)人士的設計師和工程師量身定做的，該軟件通過表明 SolidWorks 模型在構建之前的運作狀況，從而幫助提高產品質量。 使用 COSMOSWorks? Designer 可以在不退出 SolidWorks 窗口的情況下，驗證您的直覺并對不同設計思路的實際性能進行分析，其效果要遠遠優(yōu)于手算.易學易用，很快即可見成效COSMOSWorks? Designer-完全嵌入在 SolidWorks 界面中，并且使用 SolidWorks FeatureManager® 和許多相同的鼠標和鍵盤命令，因此任何能夠在 SolidWorks 中設計零件的人都可以對其進行分析，而無需學習如何使用新的界面。COSMOSWorks Designer 包含最常用的設計驗證工具，提供了對零件和裝配體的應力、應變和位移分析的功能，而且價格非常適中。使用 COSMOSWorks Designer，您可以: 利用易學易用的虛擬仿真工具進行分析，其效果要遠遠優(yōu)于手算,研究裝配體和不同零部件之間的交互作用,在任何位置都可以使用像動態(tài)截面和探測這樣的可視化工具對驗證結果進行分析,在不同的現實條件下對各種設計思路進行分析，從中選擇最佳的設計,快速檢驗您的直覺，減少物理測試.使用 SolidWorks 時，設計人員可以在最初建模階段輸入材料屬性。適合專業(yè)工程師使用的強大分析工具,COSMOSWorks Professional 提供了一系列功能強大的工具，可幫助那些熟悉分析概念的工程師對零件和裝配體進行虛擬測試和分析。對于需要更多特定分析功能的工程師來說，他們可以使用 COSMOSWorks Professional 對幾乎任何零部件或裝配體在任何載荷條件下的物理特性進行預測。智能化的分析使您的工作更輕松、更有效。除了 COSMOSWorks Designer 內所包含的分析功能外，它還提供了跌落測試、優(yōu)化分析、熱傳導分析、熱應力分析、振動分析、疲勞分析和扭曲分析等功能。無論應用于從機械設計和消費產品到醫(yī)療設備的哪個行業(yè)，COSMOSWorks都能夠大大提高產品質量，使工程師可以快速找出設計問題，所需時間要比制造 原型機短得多。使用 COSMOSWorks Professional，您可以: 執(zhí)行跌落測試分析,優(yōu)化零件和裝配體以最大程度地減小質量和體積,確定您的設計是否會因扭曲或振動而出現故障,減少因物理原型機開發(fā)而產生的成本和時間延誤,確定您的設計是否會因循環(huán)荷載產生的疲勞而出現故障,找出潛在的設計問題，并盡早在設計過程中予以糾正,解決大量的熱力模擬問題,執(zhí)行熱耦合和結構分析COSMOSWorks Professional 利用 COSMOSWorks 設計情形功能，用戶可以對具有可變參數（例如，載荷或幾何尺寸）的設計進行分析高端的分析工具，非高端的價格COSMOSWorks Advanced Professional 是目前市場上最全面、最復雜的分析工具之一，它為經驗豐富的分析員提供了多種分析功能，而價格卻遠遠低于大多數的高端 FEA 軟件。精密準確的 FEA，適合經驗豐富的用戶使用.對于棘手的工程問題（例如，高級動力問題和非線性模擬問題），您需要一個能夠快速分析出可靠結 果的強大工具。 COSMOSWorks Advanced Professional 有 20 多年的 FEA 專業(yè)知識和技術創(chuàng)新作為堅實的后盾，為您提供了完成工作所需的高端分析功能。使用 COSMOSWorks Advanced Professional，您可以: 對塑料、橡膠、聚合物、泡沫和鎳鈦合金執(zhí)行非線性分析,對非線性材料間的接觸進行分析,研究您的設計在動態(tài)載荷下的性能,了解復合材料的特性,在 COSMOSWorks 中，用戶可以執(zhí)行多種設計分析。此示例對一個籃圈同時進行了線性和非線性分析。
第3章 汽車驅動橋3D設計
3.1概述
驅動橋是汽車傳動系的主要組成部分。汽車的驅動橋處于傳動系的末端，其基本功用是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉矩，將轉矩分配給左、右驅動輪，并使左、右驅動車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能；同時，驅動橋還要承受作用于路面和車架或車廂的鉛垂力、縱向力和橫向力。它要保證當變速器處于最高擋時，在良好的路面上有足夠的牽引力以克服行駛阻力和獲得汽車最大的速度，這主要取決于驅動橋的傳動比。雖然在汽車的整體設計時，從整車性能出發(fā)決定驅動橋的傳動比，但是用什么形式的驅動橋、什么結構的主減速器和差速器等在驅動橋設計中要具體考慮。決大多數的發(fā)動機在汽車上是縱置的，為了使扭矩傳給車輪，驅動橋必須改變扭矩的方向，同時根據車輛的具體要求解決左右扭矩的分配。整體式驅動橋一方面需要承擔汽車的載荷；另一方面車輪上的作用力以及傳遞扭矩所產生的作用力矩都要由驅動橋承擔，所以驅動橋的零件必須具有足夠的強度和剛度，以保證機件的可靠工作。驅動橋還必須滿足通過性和平順性的要求。[6]。
驅動橋的結構型式雖然可以各不相同，但在使用中對它們的基本要求卻是一致的，其基本要求可以歸納為[1]：
1）所選擇的主減速比應能滿足汽車在給定使用條件下具有最佳的動力性和燃油經濟性。
2）差速器在保證左、右驅動車輪能以汽車運動學所要求的差速滾動外并能將轉矩平穩(wěn)而連續(xù)不斷（無脈動）地傳遞給左、右驅動車輪。
3）當左右驅動車輪與地面的附著系數不同時，應能充分利用汽車的牽引力。
4）能承受和傳遞路面和車架式車廂的鉛垂力、縱向力和橫向力以及驅動時的反作用力矩和制動時的制動力矩。
5）驅動橋各零部件在保證其強度、剛度、可靠性及壽命的前提下應力求減小簧下質量，以減小不平路面對驅動橋的沖擊載荷，從而改善汽車的平順性。
6）輪廓尺寸不大以便于汽車的總體布并與所要求的驅動橋離地間隙相適應。
7）齒輪與其他傳動機件工作平穩(wěn)，無噪聲。
8）驅動橋總成及零部件的設計應能滿足零件的標準化，部件的通用化和產品的系列化及汽車變型的要求。
9）在各種載荷及轉速工況下有高的傳動效率。
10）結構簡單，維修方便，機件工藝性好，容易制造。
3.1.1 選擇研究對象
鑒于本課題研究的特殊性，本課題不是從無到有的設計，也不是理論性的設計說明，而是根據前人的經驗和實際產品模型的基礎上進行的分析和驗證，運用一種新的設計方法和途徑來探索問題的研究方法的。
本設計選擇一種汽車的驅動橋作為研究對象，結合該汽車廠商提供的數據進行分析和處理，然后用三維軟件建立3D模型進行有限元分析和處理。
表1 汽車的主要技術參數
總質量
2305
發(fā)動機的位置
前置橫列
軸距
2700
車長/寬/高
4820/1870/1835
變速器型式
手動五擋變速器
輪胎尺寸
235/75R15
發(fā)動機額定功率/轉速
78/4600
最大扭矩/轉速
190/3200
最大爬坡度
最小離地間隙
200
接近角
29
離去角
27.5
傳動軸
開式，兩節(jié)，中間支撐
最高車速
120
軸荷分配
滿載
前900
后1405
空載
前845
后780
變速器速比
一擋
二擋
三擋
四檔
五擋
倒擋
3.9
2.77
1.97
1.4
1
3.9
3.1.2 模型處理
在選擇驅動橋總成的結構型式時，應當從所設計汽車的類型及使用、生產條件出發(fā)，并和所設計汽車的其他部件，尤其是懸架的結構型式與特性相適應，以共同保證整個汽車預期使用性能的實現。驅動橋的總成的結構型式，按其總體布置來說有三種：普通的非斷開式驅動橋、帶有擺動半軸的非斷開式驅動橋合和斷開式驅動橋[5]。
由于驅動橋整個運行過程比較復雜，零配件也相對有很多個，不可能每個零件都進行分析和處理。按理論來講是可行的。但是從具體實際來講，沒有那個必要，受計算機內存和處理信息的要求，無法實現整體全部零件的分析處理，只能選取其中的一些關鍵的零配件進行一個分析。
3.2建立驅動橋的3D模型
3.2.1 進入SOLIDWORKS的操作界面
點新建進入零件界面,如下圖.
選中參考面進入草圖環(huán)境.
3.3 驅動橋設計的繪制過程
畫主體殼體主要部分草圖，然后拉伸生成實體。
生成實體。
完善連接部位的實體造型。
完善一側輪胎結構
完善整體造型設計.
第3章驅動橋的有限元分析
有限元法是一種在工程分析中常用的解決復雜問題的近似數值分析方法，以其在機械結構強度和剛度分析方面具有較高的計算精度而得到普遍應用，特別是在材料應力、應變的線性范圍更是如此。在汽車設計領域，無論是車身、車架的計算仿真，還是發(fā)動機的曲軸以及傳動系統(tǒng)的計算均使用到該方法。
汽車驅動橋殼是汽車上的主要承載構件之一，其作用主要有：支撐并保護主減速器、差速器和半軸等，使左右驅動車輪的軸向相對位置固定；同從動橋一起支撐車架 及其上的各總成質量；汽車行駛時，承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩并經懸架傳給車架等。驅動橋殼應有足夠的強度和剛度且質量小，并便于主減速器的拆裝 和調整。由于橋殼的尺寸和質量比較大，制造較困難，故其結構型式應在滿足使用要求的前提下應盡可能便于制造。驅動橋殼分為整體式橋殼，分段式橋殼和組合式 橋殼三類。整體式橋殼具有較大的強度和剛度，且便于主減速器的裝配、調整和維修，因此普遍應用于各類汽車上。但是由于其形狀復雜，因此應力計算比較困難。 根據汽車設計理論，驅動橋殼的常規(guī)設計方法是將橋殼看成一個簡支梁并校核幾種典型計算工況下某些特定斷面的最大應力值，然后考慮一個安全系數來確定工作應 力，這種設計方法有很多局限性。因此近年來，許多研究人員利用有限元方法對驅動橋殼進行了計算和分析。本文中所研究的對象是在某型號貨車上使用的整體式橋殼。
3.1驅動橋殼強度分析計算
可將橋殼視為一空心橫梁，兩端經輪轂軸承支撐于車輪上，在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷，而沿左右輪胎中心線，地面給輪胎以反力（雙胎時則沿雙胎中心），橋殼承受此力與車輪重力之差，受力如圖1所示。
橋殼強度計算可簡化成三種典型的工況，只要在這三種載荷計算工況下橋殼的強度得到保證，就認為該橋殼在汽車行駛條件下是可靠的。
3.2 實現方法
??? 一般來說，在整個有限元求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。這一般包括幾何建模、定義材料屬性和實常數（要根據單元的幾何特性來設置，有些單元沒有實常數）、定義單元類型，網格劃分、添加約束與載荷等。由于汽車零部件結構形狀較為復雜，包含許多復雜曲面，而一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當有限，難以快速方便地對其建模。因此，針對較復雜的結構，可以先在三維CAD軟件（如在SOLIDWORKS中）建立幾何模型，然后在有限元分析軟件COSMOSWORKS中通過輸入接口讀入實體模型，最后在COSMOSWORKS中完成其分析過程。
? 被分析汽車的參數為：汽車的名義裝載量m1＝4.0t，滿載軸荷時后橋負荷m2＝6.0t，車輪中心線至鋼板彈簧座中心距離b＝370mm，兩鋼板彈簧座中心間的距離s＝1004mm，橋殼本身的重力G0＝931.6N，橋殼設計的安全系數為7，彈簧上表面面積5000mm2，由此可得到面載荷為5.88MPa。根據國家標準，當承受滿載軸荷時，橋殼最大變形量不能超過1.5mm/m；承受2.5倍滿載軸荷時，橋殼不能出現斷裂和塑性變形。所以垂直方向的載荷取滿載軸荷的2.5倍，即5.88×2.5＝14.78MPa。
3.3 具體分析步驟
啟動COSMOSWORKS,進入工作界面.
然后點“下一步” ,進入下面的,要求對要分析哪些部位進行選擇。
根據情況我們選擇中間的主體結構,是主要的受力部位。
要求進行材料的選擇，我這里選擇的是合金鋼材料。點下一步進入施加約束的環(huán)節(jié)了。
我選擇的是固定兩端與輪子連接的部位。進入下一步。
要求對施加的約束進行命名處理。下一步進行約束的編輯處理。
我們這里不需要進行編輯操作就不作選擇了，進入下一步環(huán)節(jié)了。下一步是進行受力的一個約束設定環(huán)節(jié)。
31
總結與展望
下一步進行的是載荷類型的一個選擇問題。我們選擇的是力。
下一步彈出的是施加的部位選擇的問題。
下一步進行的是受力的數值輸入。
點下一步進入分析環(huán)節(jié)?？梢园凑账奶崾具M行一個系統(tǒng)的操作。
點運行按鈕，進行模型的網格化處理。
網格化處理結束，進行優(yōu)化環(huán)節(jié)。
運行結果界面：
有幾種結果可以查看，我把幾種運行結果的截圖都一一進行截圖表達。
應力結果：
位移結果：
變形結果：
總結與展望
一、總結
在這次畢業(yè)設計中，我系統(tǒng)的復習了機械制圖、機械原理、汽車構造、汽車設計及生產制造等方面的基本理論和專業(yè)知識，從理論上到實踐上了解各種驅動系統(tǒng)，同時也體現了我對所學的專業(yè)知識的程度。在這次設計中，首先的收獲是查閱資料的能力。到圖書館借書、到網上搜索資料、到閱覽室查閱期刊雜志，在大量的文字中找到我們需要的，并加以分析很整理，再把它融入到自己的設計中去。其次就是動手能力了。在我畫驅動橋的裝配圖的過程中遇到很多的困難，對結構不是很了解，于是我們就到實驗室對著實物一點一點的琢磨。通過對實際驅動橋的研究，再參照我們設計的驅動橋，進一步加深對它的認識。最能體現動手能力的方面還是CAD制圖和手工繪圖。
這次的設計是對四年所學過的知識的一個復習，包括汽車構造、機械設計、機械制圖等等。很多知識以前只是停留在理論上的認識，現在我們把理論運用到實踐中去了，又有了更為深刻的認識。任何的事情都不可能達到完美，我們的設計更是這樣的。通過反復的演算、修改、優(yōu)化才能使我們的結果趨于合理，才會使圖形效果更理想。
通過這次設計，對這四年的學習做了一個總結，對自己也做了一個總結。這次的畢業(yè)設計給我最大的感受就是結果不是最重要的，我們享受的是一個努力的過程和認真的態(tài)度。
二、今后研究方向
對汽車關鍵結構進行有限元仿真分析，有條件的話進行實驗驗證。并去改正設計，這是一項探索的工程。
參考文獻
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致 謝
本論文是在導師XXX的悉心指導下完成的，為期三個多月的畢業(yè)設計即將結束，回顧整個過程，我深有感受。在設計工作開始之前，李老師帶領我們參觀了很多汽車企業(yè)，老師和一些技術人員認真地給我們講解了其工作原理，分析了各部件的功能特性和構造，避免了我在畢業(yè)設計過程中的盲目性。在設計過程中，我翻閱了大量的相關資料，同時將大一至大四上學期所學的相關專業(yè)課本認真的溫習了一邊，增加了很多理論知識。以前我對汽車的工作原理、工廠的工作環(huán)境和汽車的構造，沒什么認識，但通過這次設計，我了解了，也感受到了?？傊@次設計，使我將四年中所學到的基礎知識得到了一次綜合應用，使學過的知識結構得到科學組合，同時也從理論到實踐發(fā)生了一次質的飛躍，可以說這次設計是理論知識與實踐運用之間互相過渡的橋梁。
知識的鞏固固然重要，但能力的培養(yǎng)同樣不可忽略。我覺得這次設計的完成,不僅鍛煉了我搞設計的工作能力，培養(yǎng)了我獨立思考的能力，解決困難的方法，并且也培養(yǎng)了我獨立﹑創(chuàng)新﹑力求先進的思想。同時我認識到：無論做什么事，只要你深入的去做，難事不難，但如果你不去用心的做，易事不易。機不可失，我在這次的設計中傾注了大量的心血，盡一切力量爭取將設計做到在最好。我認為我在這段時間內所有的收獲，對我今后的學習和工作會是一筆難得的財富。
由于本人以前對汽車結構和制造過程了解不多，實踐知識更是不足，但老師總是耐心地給我講解有關方面的知識，及時了解我設計中遇到的難題，使我得以在短時間內完成設計工作，同時教導我們不管是在以后的工作還是學習中，都要保持治學嚴謹的態(tài)度。在本次畢業(yè)設計中，老師以及其他指導老師付出了辛勤的勞動，在此向他們表示衷心的感謝。此次設計的圓滿完成與同組其他人員的通力合作也是分不開的，他們給了我許多幫助和指點，在此一并表示感謝！
由于自己能力所限，時間倉促,設計中還存在許多不足之處，懇請各位老師同學給予批評指正。
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