基于solidworks 汽車驅(qū)動橋有限元分析【說明書+SOLIDWORKS】,說明書+SOLIDWORKS,基于solidworks,汽車驅(qū)動橋有限元分析【說明書+SOLIDWORKS】,基于,solidworks,汽車,驅(qū)動,有限元分析,說明書,仿單 2003067 汽車驅(qū)動橋的疲勞檢測分析 吳瑞明 周曉軍 趙明巖 潘明清 (浙江大學(xué) ,杭州 310027) 摘要 通過對汽車驅(qū)動橋的疲勞壽命基本原理的分析 ,提出了基于高程塊和慣性飛輪的疲勞壽命試驗(yàn)方 法 ,并對該方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探索 ,開發(fā)了 HCQ310 試驗(yàn)系統(tǒng)。 敘詞 :驅(qū)動橋 ,疲勞檢測 Fatigue Testing and Analysis of Automotive Driving Axle Wu Ruiming , Zhou Xiaojun , Zhao Mingyan 中等壽命區(qū) 2003 年 (第 25 卷 ) 第 3 期 汽 車 工 程 Automotive Engineering 2003 (Vol. 25) No. 3 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 承受中等應(yīng)力 ,驅(qū)動橋疲勞壽命在 105 107m 距離 范圍 ;長壽命區(qū) 施加的應(yīng)力水平較低 ,試件疲勞 壽命在 107m 以上。 影響疲勞試驗(yàn)結(jié)果分散性的因素 ,主要有以下 幾個方面。 (1)試驗(yàn)臺架的不精確性 ,零部件材料的不均勻 性 ; (2)零部件尺寸和形狀的不一致性 ,零部件加工 過程的不一致性 ; (3)驅(qū)動橋總成各個零部件熱處理過程的不一 致性 ,試驗(yàn)環(huán)境的偶然變遷。 對于不同的疲勞特征 ,設(shè)計(jì)時應(yīng)采用相應(yīng)的疲 勞特性曲線。對于低應(yīng)力高周疲勞 (應(yīng)力疲勞 ) ,用 S2N 曲線 ;對于高應(yīng)力低周疲勞 (應(yīng)變疲勞 ) ,用 2 N 曲線。利用強(qiáng)化路面的檢驗(yàn)壽命和實(shí)際路面的使 用壽命之比來評價強(qiáng)化程度 ,即所謂的強(qiáng)化系數(shù)。 強(qiáng)化方法的核心是路譜技術(shù) ,用按路譜技術(shù)設(shè)計(jì)的 高低不一的高程塊 ,在滾輪上按一定規(guī)律布置來實(shí) 現(xiàn)。實(shí)際工況通過掛接慣性飛輪和測功機(jī)模擬加載 來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動橋試驗(yàn)臺系統(tǒng)的高程塊按高度分有 6 系列 (在系統(tǒng)中稱為 6 道 ) ,其基本強(qiáng)化系數(shù)分別為 150、 130、 110、 80、 50、 20 ,單個滾輪的強(qiáng)化系數(shù)為各 高程塊的加權(quán)平均值。加高程塊時的驅(qū)動橋疲勞壽 命 S高 為 :額定壽命 S額 除以強(qiáng)化系數(shù) KN ,即 S高 = S額 / KN (1) 從工作壽命指標(biāo)獲得的強(qiáng)化系數(shù)為 KN = N 5/ N T 式中 N 5為正常路面壽命 , N T 為強(qiáng)化路面壽命。 由于疲勞失效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大 ,所以按 常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法在每個應(yīng)力水平下只用一個試樣 得到的 S2N 曲線精度較差 ,只能用于對準(zhǔn)確度要求 不高的疲勞設(shè)計(jì)。對于疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì) ,需 要給出 P2S2N 曲線 ( P 為存活率 ) 。此時 ,在壽命小 于 106 循環(huán)的 S2N 曲線段 ,需要采用成組試驗(yàn)法 , 即在每個應(yīng)力水平下使用一組試樣來進(jìn)行試驗(yàn)。 在大多數(shù)情況下 ,隨著應(yīng)力水平的降低 ,疲勞壽 命的離散性增加。所以 ,對于低應(yīng)力水平所用的試 樣個數(shù)應(yīng)比高應(yīng)力水平為多。下面分析試樣個數(shù)的 選取。假設(shè)已知一組 n 個觀測值 x 1 , x 2 , , x n ,則 子樣平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 x = 1n n i = 1 x i (2) s = n i = 1 x 2i - 1n ( n i = 1 x i) 2 n - 1 (3) 根據(jù) t r 分布理論 ,母體平均值 區(qū)間估計(jì)式為 x - t r sn x + t r sn (4) 當(dāng)給出置信水平 = 1 - 時 , t r 可由相應(yīng)表格 查得。將上面的不等式移項(xiàng) ,可以得到子樣平均值 x 的誤差估計(jì)式 : - st r x n - x x st r x n (5) 式中 ( - x ) / x 表示子樣平均值 x 與母體真值 的 相對誤差。 令 表示相對誤差限度 (絕對值 ) = st r x n (6) 為一小量 ,根據(jù)實(shí)際情況選取 1 % 10 % ,一般取 3 % 5 %。當(dāng) x 、 s 和 n 滿足式 (6) 判據(jù)時 ,式 (5) 表 明用子樣平均值作為母體均值的估計(jì)量時 ,以 的 置信度 ,相對誤差不超過 。進(jìn)一步可得出最少觀 測值個數(shù) ,即最少有效驅(qū)動橋個數(shù)。 成組試驗(yàn)法的實(shí)現(xiàn) ,首先系統(tǒng)需要檢測一定數(shù) 量驅(qū)動橋的疲勞壽命 ,對檢測到的驅(qū)動橋疲勞壽命 數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì) , 使用直線擬合法 , 對縱坐標(biāo)扭矩 S 和橫坐標(biāo)壽命 N 都取對數(shù) , 用最小二乘法擬合直 線 ,得 S2N 曲線。 3 疲勞檢測的實(shí)現(xiàn) 疲勞檢測在驅(qū)動橋 HCQ310 慣性式滾筒性試 驗(yàn)臺上進(jìn)行。通過在室內(nèi)臺架上模擬車輛道路行駛 工況的方法 ,實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動橋各項(xiàng)基本性能的實(shí)驗(yàn)室 檢測與試驗(yàn) ,達(dá)到模擬道路試驗(yàn)的目的。慣量及阻 力模擬系統(tǒng)主要包括滾筒和飛輪組。利用滾輪表面 來模擬道路表面 ,利用滾輪及飛輪組的轉(zhuǎn)動慣量來 模擬車輛旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量和直線運(yùn)動質(zhì)量的平移 慣量。滾輪的直徑采用 4m 大直徑。理論上 ,用滾 輪模擬道路的表面 ,滾輪的直徑越大越能真實(shí)模擬 路面的狀況。但滾輪直徑過大 ,會造成加工和安裝 的困難 ,使成本急劇增加。據(jù)現(xiàn)有資料 ,4m 的滾輪 已經(jīng)是世界上最大的汽車滾筒式試驗(yàn)臺。對于風(fēng)載 加荷 ,采用 2 臺電渦流測功機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 311 道路模擬 在兩滾輪上安裝不同級別高程塊來模擬不同路 面 。高程塊最大高度為 200mm。高程塊的高度增 加 ,將提高強(qiáng)化系數(shù)。從純技術(shù)角度出發(fā) ,采用較高 高度的高程塊和高的運(yùn)行速度 ,是對車橋的一種強(qiáng) 482 汽 車 工 程 2003 年 (第 25 卷 ) 第 3 期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 化性極高的試驗(yàn) ,使車橋受到超大負(fù)荷的作用而縮 短 疲勞試驗(yàn)時間 ,車橋的壽命縮短到約 40h 左右 ,但 同時增加了試驗(yàn)臺的動載荷。這牽涉到兩方面的技 術(shù)問題 :一是液壓加載系統(tǒng)要增大流量和反應(yīng)能力 (流量大了以后響應(yīng)特性變差 ) ;二是影響到機(jī)械部 分的強(qiáng)度 (滾輪和大齒輪強(qiáng)度受限于空載慣量模擬 和其本身結(jié)構(gòu)條件 ) 。試險過程中高程塊布置與轉(zhuǎn) 速的關(guān)系如表 1。 表 1 高程塊及試驗(yàn)規(guī)程 高程塊最大高程 (mm) 50 50 100 100 150 150 200 車速范圍 (km/ h) 35 45 25 35 15 20 10 14 312 系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)康?通過疲勞試驗(yàn)得到驅(qū)動橋的強(qiáng)化疲勞壽命 ;通 過計(jì)算確定驅(qū)動橋是否合格 ;通過疲勞失效試驗(yàn)方 法得出某一應(yīng)力水平下驅(qū)動橋具有的疲勞壽命。 系統(tǒng)載荷參數(shù) :最大靜態(tài)橋荷 (滾輪不轉(zhuǎn)時 ) 為 588kN ;最大動橋荷為 343kN ; 最大驅(qū)動慣量為 4000kg m2 ;最大制動慣量為 35000kg m2 。 在疲勞檢測時 ,要求有破壞前警報(bào) ,破壞后自動 停機(jī)。對一些參數(shù)要設(shè)定閾值 (如噪聲、溫度等 ) ,如 果采樣數(shù)值的大小超過閾值 ,觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng) ,系統(tǒng)自 動采取相應(yīng)運(yùn)作。在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn) ,在施加最壞 的路面等級、最大載荷、最高速度的情況下 ,最大動 載系數(shù)最好不大于 2。試驗(yàn)臺的動載系數(shù)不但決定 于高程塊的高度和分布情況 ,也決定于試驗(yàn)臺運(yùn)行 速度 ,單純地降低高度而提高速度 ,對車橋的強(qiáng)化效 果是相同的 ,所引起的動載荷同樣不能降低。 系統(tǒng)采用杭州汽車發(fā)動機(jī)廠的 WD615168 型 增壓中冷式柴油機(jī)作為動力源 , PCL722 (144 路數(shù) 字量輸入 / 輸出卡 ) 、 PCL727 (12 路模擬量輸出卡 ) 、 PCL813B (32 路隔離 A/ D 卡 ) 、 PCL836 (6 路計(jì)數(shù) / 定時器卡 )等 4 塊板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和動作控制。 疲勞試驗(yàn)的流程框圖見圖 2。 313 疲勞試驗(yàn)周期計(jì)算 某輕型工程車車橋雙側(cè)加載 147kN ,配用第 6 道標(biāo)準(zhǔn)高程塊組合 ,其強(qiáng)化系數(shù)為 150 ,車橋疲勞壽 命假設(shè)為 107 次 ,輪胎直徑約 2m ,要達(dá)到疲勞破壞 行駛里程為 107 2 / 1000 62832km , 車速 13km/ h ,疲勞試驗(yàn)周期 T = 62832/ (13 150) = 3212h。 314 測定 S2N 曲線 用成組試驗(yàn)法來測定驅(qū)動橋的 S 2N 曲線。某 圖 2 疲勞性能檢測流程圖 載貨汽車橋 (徐州美馳車橋有限公司 ) 在 2000N m、 3000N m、 4000N m 的作用下 ,測得一組三個疲勞 壽命 N 分別為 2173 105 次、 1165 105 次、 1137 105 次 ,其相應(yīng)的對數(shù)疲勞壽命 lg N i 為 514361、 512175、 511367。用最小二乘法擬合畫出驅(qū)動橋 S2N對數(shù)曲線 (圖 3) 。 lg S 為扭矩的對數(shù)值 ,lg N 為 壽命取對數(shù)。 圖 3 S2N 對數(shù)曲線 然后通過式 (2) 、式 (3) 得出子樣平均值 x = 512635 , 標(biāo)準(zhǔn)差 s = 01155 , 求得變異 系數(shù)為 s x = 01155 512635 = 010294 如果取置信度 = 90 % , 根據(jù)表 2 可知三個觀測值已經(jīng)能夠滿足要求 ;但是 如果置信度取 = 95 % ,至少需要 4 個觀測值 (表 3) 。因此必須增加試樣 ,才能滿足誤差不超過 5 % 要求。在增加一個驅(qū)動橋后 ,其試驗(yàn)結(jié)果為 :疲勞壽 命為 1189 10 - 5 , 計(jì)算得對數(shù)疲勞壽命為 512765 , 子樣平均值 x = 512667。求得變異系數(shù)為 s x = 01127 512667 = 010241 再由表 3 的數(shù)據(jù)可以知道驅(qū)動橋個數(shù)已滿足要 5822003 年 (第 25 卷 ) 第 3 期 汽 車 工 程 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 2 最少觀測值個數(shù) 變異系數(shù) s/ x 范圍 最少觀察值個數(shù) 小于 010297 3 010297 010425 4 010425 010524 5 010524 010608 6 010608 010681 7 010681 010746 8 010746 010806 9 置信度 = 90 % 誤差限度 = 5 % 表 3 最少觀測值個數(shù) 變異系數(shù) s/ x 范圍 最少觀察值個數(shù) 小于 010201 3 010201 010314 4 010314 010403 5 010403 010476 6 010476 010541 7 010541 010598 8 010598 010650 9 置信度 = 95 % ,誤差限度 = 5 % 求。即將疲勞壽命對數(shù)均值 512667 作為子樣平均 值 x 的估計(jì)值時 ,以 95 %的置信度 ,相對誤差不超 過 5 %。 4 結(jié)束語 HCQ310 慣性式滾筒試驗(yàn)臺優(yōu)點(diǎn) :車橋在裝入 汽車之前就進(jìn)行疲勞檢測 ,有利于消除事故隱患 ;同 時根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以及時調(diào)整設(shè)計(jì)和制造工藝方面 存在的問題 ,大大降低了檢測成本。系統(tǒng)可以模擬 多種特種道路的路面 ,易控制 ,重復(fù)性好 ,并可通過 疲勞編輯技術(shù) ,縮短疲勞試驗(yàn)周期 ,最終縮短產(chǎn)品開 發(fā)周期 ,節(jié)省資金 ,提高產(chǎn)品競爭力。據(jù)初步估算車 橋產(chǎn)品開發(fā)周期縮短 30 % 50 % ,疲勞試驗(yàn)周期從 試車場路試的約 10 20 天減少到 3 天以內(nèi) ,強(qiáng)化疲 勞試驗(yàn)更可縮短到 40h 以下 ,單個車橋檢測成本從 3 5 萬元降到約 5000 元。 HCQ310 系統(tǒng)采用高速模擬試驗(yàn) ,試驗(yàn)方法先 進(jìn)。而且能發(fā)展為進(jìn)行加速、滑行、測功等試驗(yàn)的多 功能臺架。用高程塊和慣性式滾筒試驗(yàn)臺進(jìn)行疲勞 失效分析的方法 ,是可行的 ,采用工控機(jī)和控制 / 分 析軟件實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動橋疲勞失效試驗(yàn)的自動檢測。 參考文獻(xiàn) 1 吳增德 . 汽車制動性能檢測技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā) :學(xué)位論文 .杭 州 :浙江大學(xué) ,2000 2 王植槐等 . 汽車制造檢測技術(shù) . 北京 :北京理工大學(xué)出版社 ,2000 (上接第 278 頁 ) 出了在汽車布置設(shè)計(jì)過程中更為實(shí)用的布置方法 , 并且在 CA TIA 軟件平臺上研制了一個基于知識的 汽車駕駛員座椅布置系統(tǒng)。系統(tǒng)具有良好的界面和 完善的功能 ,能幫助設(shè)計(jì)師高效地完成座椅的布置。 同時 ,其中的許多模塊還是車身內(nèi)部布置的有效分 析工具。 參考文獻(xiàn) 1 SAE J1517. Driver Selected Seat Position ,Society of Automotive En2 gineers ,Inc. ,Warrendale ,PA. 2 J udic J M ,Cooper J A , Truchot P ,Van Effenterre P ,and Duchamp R. More Objective Tools for the Integration of Postural Comfort in Automotive Seat Design. SAE Technical Paper ,930113 3 黃金陵、龔禮洲、葛安林 . 車身布置中 H 點(diǎn)的優(yōu)化 . 汽車工程 , 2000 (6) 4 嵇建波 . 轎車駕駛位置尺寸優(yōu)化系統(tǒng)研究與開發(fā) , 學(xué)位論文 1 長春 :吉林工業(yè)大學(xué) ,2001 5 李國富 . 基于 CATIA 的轎車駕駛員位置優(yōu)化系統(tǒng) ,學(xué)位論文 1 長春 :吉林工業(yè)大學(xué) ,2000 6 SAE J826. Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seat2 ing Accommodation. Society of Automotive Engineers ,Inc. ,Warren2 dale ,PA. (上接第 313 頁 ) 全措施仍是政治、商業(yè)上的重要課題 ,而且還是需要集中電 子技術(shù)、人機(jī)工程學(xué)、交通工程學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及事故調(diào)查等眾 多相關(guān)人士進(jìn)行研究解決的主要領(lǐng)域。 在環(huán)保措施方面 ,柴油技術(shù)集成及燃料電池的開發(fā)研制 已進(jìn)入佳境。另外 ,代用燃料及燃料改質(zhì)研究也將有實(shí)質(zhì)性 進(jìn)展 ,NOx、 PM 造成的大氣污染問題 ,在本世紀(jì)初基本可以 解決 ,今后的精力將轉(zhuǎn)移到以前未曾注意到的微量物質(zhì)上。 汽車的電子化、 IT 化是一個新領(lǐng)域。在迅速發(fā)展的數(shù) 字化社會中 ,汽車及相關(guān)數(shù)據(jù)的使用形式也有可能發(fā)生許多 變化。 汽車行政管理的最終目的是實(shí)現(xiàn)確保安全、保護(hù)環(huán)境、 平安行駛 ,達(dá)到零事故、零公害。 (鄭芬、劉訓(xùn)勤譯自自 動車技術(shù) 2002 年第 1 期 ) 682 汽 車 工 程 2003 年 (第 25 卷 ) 第 3 期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.