一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法与流程

1.本发明属于车辆传动系统疲劳寿命计算领域，具体涉及一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法。


背景技术：

2.驱动桥作为车辆传动系统的重要组成部分，在车辆行驶过程中起着降速增扭，改变扭矩传递方向等作用，驱动桥壳体的低周疲劳寿命，直接影响到驱动桥壳体的使用性能。高效准确的计算出驱动桥壳体的疲劳寿命与失效位置，及时有效的发现驱动桥壳体薄弱点，可以及时对壳体进行优化设计，有利于节约成本，缩短研发周期。
3.目前，驱动桥壳疲劳寿命分析方法主要有两种：
4.一种是通过试验的手段，在进行规定载荷谱下驱动桥总成疲劳寿命试验，得到驱动桥壳体疲劳寿命与失效位置，这种方法试验周期长，需要的物理样机较多，成本高，不能完全满足产品开发的需求。
5.二是通过仿真手段，通过对驱动桥壳体进行某一种工况的应力应变分析，计算驱动桥壳体疲劳安全性能，找到薄弱位置，这种方法未能考虑到多级载荷谱下，不同级载荷变化过程中壳体收到的冲击对壳体疲劳寿命的影响，不能准确计算出规定载荷谱下驱动桥壳体的疲劳寿命，不能准确判断出多次工作循环后驱动桥壳体的失效位置，得出的结果可靠性较差。例如《一种电池模组结构疲劳寿命的仿真分析方法及其应用》(cn114282409a)通过膨胀工况与随机振动工况对电池模组进行了疲劳寿命分析，仅针对膨胀工况与随机振动工况，未考虑疲劳寿命试验过程中部件的疲劳损伤，也未考虑多级载荷谱下不同级载荷变化过程中部件所收到的冲击。《直升机法兰螺栓载荷分析和低周疲劳寿命预测方法》(cn114091177a)通过计算直升机法兰螺栓的低周疲劳静应力计算螺栓的低周疲劳寿命，未将应变考虑在疲劳寿命计算内，也没有考虑到多级载荷谱下不同级载荷变化过程中部件所收到的冲击。
6.驱动桥壳体直接承受工作过程中齿轮的反作用力，并且在进行多级载荷谱疲劳寿命试验过程中，不同级载荷的变化会对驱动桥壳体造成一定冲击，壳体受力状况较为恶劣。因此在进行驱动桥壳体疲劳寿命分析过程中，应当考虑不同级载荷变化引起的壳体冲击的影响。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，通过建立与驱动桥壳体受力直接相关的有限元模型，使驱动桥应力应变分析过程结果与实际受力状态较为贴合，判断由应力进行疲劳寿命分析或者应变进行疲劳寿命分析，按此方法计算得出的驱动桥壳体疲劳寿命与实际更加相符，计算精度更高。
8.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
9.一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，包括以下步骤：
10.s1、建立驱动桥系统有限元模型，采用实体网格单元对驱动桥系统零部件进行建模；
11.s2、定义有限元模型材料属性，包括定义材料弹性模量、泊松比、应力应变关系；
12.s3、定义驱动桥零部件接触与连接形式：
13.根据驱动桥系统实际安装位置对模型进行装配，创建驱动桥壳体螺栓-驱动桥左壳，驱动桥左壳-驱动桥右壳，差速器一号轴承外圈-驱动桥左壳，差速器一号轴承内圈-差速器壳体，差速器二号轴承外圈-驱动桥右壳，差速器二号轴承内圈-差速器壳体，驱动桥右壳-驱动桥支架，驱动桥支架-支架螺栓，主动齿轮一号轴承内圈-主动齿轮轴，主动齿轮二号轴承内圈-主动齿轮轴，主动齿轮一号轴承外圈-驱动桥右壳，主动齿轮二号轴承外圈-驱动桥右壳的接触；将驱动桥壳体螺栓与驱动桥右壳连接为一体，支架螺栓与驱动桥右壳连接为一体；
14.s4、施加螺栓预紧力：
15.螺栓预紧力由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，施加到驱动桥壳体螺栓与支架螺栓上；
16.螺栓预紧力通过以下公式计算：
[0017][0018][0019]
式中，f1为驱动桥壳体螺栓预紧力，t1为驱动桥壳体螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，d1为驱动桥壳体螺栓直径；f2为支架螺栓预紧力，t2为支架螺栓拧紧力矩，d2为支架螺栓直径；f1、f2为计算量，t1、t2、d1、d2为已知量；螺栓预紧力的作用方向沿螺栓的轴向；
[0020]
s5、疲劳试验载荷谱简化，选取疲劳试验载荷谱中的典型工况作为计算分析的输入条件；
[0021]
s6、定义边界条件
[0022]
约束驱动桥与车架连接处的所有自由度，借助定义在主动齿轮轴线上的局部坐标系施加齿轮力，坐标系的z轴沿主动齿轮轴线方向，r轴沿主动齿轮的径向，t轴由z轴、r轴根据右手准则确定；
[0023]
驱动桥主动从动齿轮为双曲面齿轮，在根据以下公式，结合双曲面齿轮轴向力与径向力计算表，计算得出两个工况下主动齿轮受力，以集中力形式施加在主动齿轮上：
[0024][0025]
双曲面齿轮轴向力与径向力计算表
[0026][0027]
式中，t为输出扭矩，i为齿轮传动比，f
t
、fr、fa分别为主动齿轮的圆周力、径向力和轴向力，d为主动齿轮齿面宽中点分度圆直径，α为主动齿轮法向压力角，β为主动齿轮螺旋角，γ为主动齿轮节锥角；
[0028]
从动齿轮受力与主动齿轮大小相等，方向相反，以集中力形式施加在从动齿轮上；
[0029]
s7、对有限元模型进行求解计算，得到前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况驱动桥壳体各位置应力值与应变值；
[0030]
s8、根据驱动桥壳体mises应力对壳体疲劳强度进行初步评价；
[0031]
s9、驱动桥壳体疲劳安全系数计算：如果所述步骤s8中壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，根据下式计算壳体疲劳安全系数，对壳体疲劳寿命进行评价：
[0032][0033]
s10、构建材料疲劳寿命曲线：如果所述步骤s8中壳体mises应力大于壳体材料屈服强度极限，则根据manson-coffin低周疲劳公式对驱动桥壳体进行低周疲劳分析，根据下式构建材料塑性应变-寿命曲线：
[0034]
ε
pa
＝ε’f
(2n)c[0035]
式中，ε
pa
为部件塑性应变值，ε’f
为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数；
[0036]
s11、计算一个疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的低周疲劳损伤；
[0037]
s12、计算规定疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的总损伤，计算公式如下：
[0038]dtotal
＝n
×
d1[0039]
式中，d
total
为总损伤，n为疲劳寿命载荷谱循环次数；
[0040]
最终根据驱动桥壳体总损伤结果判定驱动桥壳体低周疲劳寿命与失效位置。
[0041]
进一步地，所述步骤s1中，驱动桥器左壳体、从动齿轮、差速器壳体，驱动桥右壳体、驱动桥支架采用二阶四面体单元建模；驱动桥壳体连接螺栓、差速器一号轴承、差速器二号轴承、支架螺栓、主动齿轮一号轴承、主动齿轮轴、主动齿轮二号轴承采用一阶六面体单元建模；从动齿轮与主动齿轮轴采用简化模型；从动齿轮与差速器壳体采用共节点形式连接。
[0042]
进一步地，所述步骤s2中，定义驱动桥左壳体、驱动桥右壳体的材料弹性模量、泊松比，根据以下公式获取驱动桥壳体材料的塑性数据，将驱动桥壳体的材料塑性数据添加到分析模型中：
[0043]
σ＝σ
nom
(1+ε
nom
)
[0044]
ε＝ln(1+ε
nom
)
[0045]
ε
pl
＝ε-ε
el
[0046][0047]
式中，σ为真实应力，ε为真实应变，σ
nom
为名义应力，ε
nom
为名义应变，ε
pl
为塑性应变，ε
el
为弹性应变，e为材料弹性模量。
[0048]
进一步地，所述步骤s3中，为简化模型，减少接触对数量，针对轴承进行相应简化：将轴承滚动体与轴承内圈连接为一体，建立轴承滚动体—轴承外圈的接触；差速器一号轴承、差速器二号轴承、主动齿轮一号轴承、主动齿轮二号轴承均采用此种方式建立连接。
[0049]
进一步地，所述步骤s5中，选取疲劳试验载荷谱中前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况作为典型工况，前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况输出扭矩t-max
作为输入条件。
[0050]
进一步地，所述步骤s8中，如果壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，则使用通过壳体应力计算壳体疲劳安全系数对驱动桥壳体疲劳寿命进行评价；如果壳体mises应力大于壳材料屈服强度极限，则基于多级载荷谱计算不同级载荷冲击，使用低周疲劳寿命分析方法对驱动桥壳体进行疲劳寿命评价。
[0051]
进一步地，所述步骤s9中，如果壳体疲劳安全系数大于1，则驱动桥壳体疲劳寿命满足要求，如果壳体疲劳安全系数小于1，则驱动桥壳体疲劳寿命不满足要求，需要针对薄弱位置进行优化。
[0052]
进一步地，所述步骤s10中，为准确计算驱动桥壳体低周疲劳寿命，对公式ε
pa
＝ε’f
(2n)c进行修正，并根据修正后的公式构建材料的实际应变-寿命曲线，修正后的公式如下：
[0053][0054]
式中，δγ为部件实际应变幅，ε
ea
为部件弹性应变，σ’f
为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，e为材料的弹性模量。
[0055]
进一步地，所述步骤s11中，为保证损伤计算过程中能够考虑不同级载荷变化使壳体受到的冲击，根据s9中构建的材料应变-寿命曲线，基于疲劳寿命试验载荷谱，根据下式计算前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况输出扭矩t-max
两级载荷冲击下驱动桥壳体的单次损伤：
[0056][0057]
式中，d1为单次损伤，n1为由前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况计算得出部件实际应变幅δγ对应的循环次数。
[0058]
进一步地，所述步骤s12中，如果驱动桥壳体存在总损伤值大于1的位置，则驱动桥壳体低周疲劳寿命不满足要求，失效位置为总损伤值大于1的位置，需要进行结构优化，提升壳体疲劳强度；如果驱动桥壳体总损伤值小于1，则驱动桥壳体低周疲劳寿命满足要求。
[0059]
本发明具有以下有益效果：
[0060]
(1)通过建立与驱动桥壳体受力直接相关的有限元模型，例如轴承，差速器壳体，输入轴等，搭建了合理的驱动桥有限元模型，使驱动桥应力应变分析过程结果与实际受力
状态较为贴合
[0061]
(2)通过驱动桥壳体应力与材料屈服极限进行对比，判断由应力进行疲劳寿命分析或者应变进行疲劳寿命分析，按此方法计算得出的驱动桥壳体疲劳寿命与实际更加相符，计算精度更高。
[0062]
(3)给出了不同计算方法驱动桥壳的评价标准，为后续驱动桥壳体计算提供了指导。
附图说明
[0063]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0064]
图1是驱动桥总成结构示意图；
[0065]
图2是轴承建模示意图；
[0066]
图3是疲劳寿命试验载荷谱示意图；
[0067]
图4是实施例疲劳寿命载荷谱示意图
[0068]
图5是前进挡最大扭矩工况下驱动桥壳体mises应力分布
[0069]
图6是倒挡最大扭矩工况下驱动桥壳体mises应力分布
[0070]
图7是材料实际应变-寿命曲线示意图；
[0071]
图8是铝合金材料实际应变-寿命曲线示意图；
[0072]
图9是驱动桥壳体总损伤示意图；
[0073]
图10为本发明实施例所述一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法流程图；
[0074]
图中：
[0075]
1-驱动桥壳体连接螺栓；2-驱动桥器左壳体；3-差速器一号轴承；4-从动齿轮；5-差速器壳体；6-差速器二号轴承；7-驱动桥右壳体；8-驱动桥支架；9-支架螺栓；10-主动齿轮一号轴承；11-主动齿轮轴；12-主动齿轮二号轴承；13-轴承外圈；14-轴承滚动体；15-轴承内圈。
具体实施方式
[0076]
一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括下述步骤：
[0077]
s1、建立驱动桥系统有限元模型：
[0078]
采用实体网格单元对驱动桥系统零部件进行建模。
[0079]
所述步骤s1中，为保证模型节点数量与仿真精度，驱动桥器左壳体、从动齿轮、差速器壳体，驱动桥右壳体、驱动桥支架采用二阶四面体单元建模。驱动桥壳体连接螺栓、差速器一号轴承、差速器二号轴承、支架螺栓、主动齿轮一号轴承、主动齿轮轴、主动齿轮二号轴承采用一阶六面体单元建模。从动齿轮与主动齿轮轴采用简化模型，从动齿轮与差速器壳体采用共节点形式连接。
[0080]
s2、定义有限元模型材料属性
[0081]
定义材料弹性模量、泊松比、应力应变关系。
[0082]
所述步骤s2中，定义驱动桥左壳体、驱动桥右壳体的材料弹性模量、泊松比，根据公式(1)-(4)获取驱动桥壳体材料的塑性数据，将驱动桥壳体的材料塑性数据添加到分析模型中。
[0083]
σ＝σ
nom
(1+ε
nom
)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0084]
ε＝ln(1+ε
nom
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0085]
ε
pl
＝ε-ε
el
ꢀꢀꢀ
(3)
[0086][0087]
式中，σ为真实应力，ε为真实应变，σ
nom
为名义应力，ε
nom
为名义应变，ε
pl
为塑性应变，ε
el
为弹性应变,e为材料弹性模量。
[0088]
s3、定义驱动桥零部件接触与连接形式
[0089]
根据驱动桥系统实际安装位置对模型进行装配，创建驱动桥壳体螺栓-驱动桥左壳，驱动桥左壳-驱动桥右壳，差速器一号轴承外圈-驱动桥左壳，差速器一号轴承内圈-差速器壳体，差速器二号轴承外圈-驱动桥右壳，差速器二号轴承内圈-差速器壳体，驱动桥右壳-驱动桥支架，驱动桥支架-支架螺栓，主动齿轮一号轴承内圈-主动齿轮轴，主动齿轮二号轴承内圈-主动齿轮轴，主动齿轮一号轴承外圈-驱动桥右壳，主动齿轮二号轴承外圈-驱动桥右壳的接触。将驱动桥壳体螺栓与驱动桥右壳连接为一体，支架螺栓与驱动桥右壳连接为一体。
[0090]
所述步骤s3中，为简化模型，减少接触对数量，针对轴承进行相应简化：将轴承滚动体与轴承内圈连接为一体，建立轴承滚动体—轴承外圈的接触，差速器一号轴承、差速器二号轴承、主动齿轮一号轴承、主动齿轮二号轴承均采用此种方式建立连接。
[0091]
s4、施加螺栓预紧力
[0092]
螺栓预紧力由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，施加到驱动桥壳体螺栓与支架螺栓上。
[0093]
根据公式(5)、(6)计算得到螺栓预紧力，其中螺栓预紧力的作用方向沿螺栓的轴向。
[0094][0095][0096]
式中，f1为驱动桥壳体螺栓预紧力，t1为驱动桥壳体螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，d1为驱动桥壳体螺栓直径。f2为支架螺栓预紧力，t2为支架螺栓拧紧力矩，d2为支架螺栓直径。f1、f2为计算量，t1、t2、d1、d2为已知量；
[0097]
s5、疲劳试验载荷谱简化
[0098]
选取疲劳试验载荷谱中的典型工况作为计算分析的输入条件。
[0099]
所述步骤s5中，由于疲劳试验载荷谱为多级载荷，并且在疲劳试验过程中，不同级载荷变化会使驱动桥壳体受到一定冲击，为确保选取的典型工况可以覆盖疲劳试验载荷谱，选取疲劳试验载荷谱中前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况作为典型工况，前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况输出扭矩t-max
作为输入条件。
[0100]
s6、定义边界条件
[0101]
约束驱动桥与车架连接处的所有自由度，借助定义在主动齿轮轴线上的局部坐标系施加齿轮力，坐标系的z轴沿主动齿轮轴线方向，r轴沿主动齿轮的径向，t轴由z轴、r轴根据右手准则确定。驱动桥主动从动齿轮为双曲面齿轮，在根据公式(7)与表1计算得出两个
工况下主动齿轮受力，以集中力形式施加在主动齿轮上。从动齿轮受力与主动齿轮大小相等，方向相反，以集中力形式施加在从动齿轮上；
[0102][0103]
表1双曲面齿轮轴向力与径向力计算
[0104][0105]
式中，t为输出扭矩，i为齿轮传动比，f
t
、fr、fa分别为主动齿轮的圆周力、径向力和轴向力，d为主动齿轮齿面宽中点分度圆直径，α为主动齿轮法向压力角，β为主动齿轮螺旋角，γ为主动齿轮节锥角。
[0106]
s7、使用abaqus/standard对有限元模型进行求解计算
[0107]
得到前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况驱动桥壳体各位置应力值与应变值。
[0108]
s8、结果分析
[0109]
根据驱动桥壳体mises应力对壳体疲劳强度进行初步评价。
[0110]
所述步骤s8中，如果壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，则使用通过壳体应力计算壳体疲劳安全系数对驱动桥壳体疲劳寿命进行评价；如果壳体mises应力大于壳材料屈服强度极限，则基于多级载荷谱计算不同级载荷冲击，使用低周疲劳寿命分析方法对驱动桥壳体进行疲劳寿命评价。
[0111]
s9、驱动桥壳体疲劳安全系数计算
[0112]
如果s8中壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，根据公式(8)计算壳体疲劳安全系数，对壳体疲劳寿命进行评价；
[0113][0114]
式中，sfa为部件疲劳安全系数，σe为材料疲劳极限，σa为部件应力。
[0115]
所述步骤s9中，如果壳体疲劳安全系数大于1，则驱动桥壳体疲劳寿命满足要求，如果壳体疲劳安全系数小于1，则驱动桥壳体疲劳寿命不满足要求，需要针对薄弱位置进行优化。
[0116]
s10、构建材料疲劳寿命曲线
[0117]
如果步骤s8中壳体mises应力大于壳体材料屈服强度极限，则需要对壳体进行低周疲劳寿命计算，根据manson-coffin低周疲劳公式对驱动桥壳体进行低周疲劳分析，根据公式(9)构建材料塑性应变-寿命曲线；
[0118]
ε
pa
＝ε’f
(2n)cꢀꢀꢀ
(9)
[0119]
式中，ε
pa
为部件塑性应变值，ε’f
为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数，2n为材料应变-寿命曲线上的循环次数。
[0120]
所述步骤s10中，为准确计算驱动桥壳体低周疲劳寿命，对公式(9)进行修正，根据公式(10)构建材料的实际应变-寿命曲线；
[0121][0122]
式中，δγ为部件实际应变幅，ε
ea
为部件弹性应变，σ’f
为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，e为材料的弹性模量。
[0123]
s11、计算一个疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的低周疲劳损伤
[0124]
所述步骤s11中，为保证损伤计算过程中能够考虑不同级载荷变化使壳体受到的冲击，根据s9中构建的材料应变-寿命曲线，基于疲劳寿命试验载荷谱，根据公式(11)计算前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况扭矩输出扭矩t-max
两级载荷冲击下驱动桥壳体的单次损伤：
[0125][0126]
式中，d1为单次损伤，n1为由前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况计算得出部件实际应变幅δγ对应的循环次数。
[0127]
s12、计算规定疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的总损伤根据公式(12)计算：
[0128]dtotal
＝n
×
d1ꢀꢀꢀ
(12)
[0129]
式中，d
total
为总损伤，n为疲劳寿命载荷谱循环次数；
[0130]
根据驱动桥壳体总损伤结果判定驱动桥壳体低周疲劳寿命与失效位置。
[0131]
所述步骤s12中，如果驱动桥壳体存在总损伤值大于1的位置，则驱动桥壳体低周疲劳寿命不满足要求，失效位置为总损伤值大于1的位置，需要进行结构优化，提升壳体疲劳强度；如果驱动桥壳体总损伤值小于1，则驱动桥壳体低周疲劳寿命满足要求。
[0132]
实施例
[0133]
如图10所示，本实施例为一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，包括以下步骤：
[0134]
s1、建立驱动桥系统有限元模型
[0135]
驱动桥系统主要结构如图1所示，采用实体网格单元对驱动桥系统零部件进行建模。
[0136]
所述步骤s1中，为保证模型节点数量与仿真精度，驱动桥器左壳体2、从动齿轮4、差速器壳体5，驱动桥右壳体7、驱动桥支架8采用二阶四面体单元建模。驱动桥壳体连接螺栓1、差速器一号轴承3、差速器二号轴承6、支架螺栓9、主动齿轮一号轴承10、主动齿轮轴11、主动齿轮二号轴承12采用一阶六面体单元建模。从动齿轮4与主动齿轮轴11采用简化模型，从动齿轮4与差速器壳体5采用共节点形式连接。
[0137]
s2、定义有限元模型材料属性
[0138]
包括定义材料弹性模量、泊松比、应力应变关系。
[0139]
a)主动齿轮与从动齿轮的材料为20crmnti，20crmnti材料弹性模量为210000mpa，泊松比为0.3。
[0140]
b)差速器壳体的材料为qt600，qt600材料弹性模量为172000mpa，泊松比为0.3。
[0141]
c)其余部件材料属性弹性模量均为210000mpa，泊松比为0.3。
[0142]
所述步骤s2中，驱动桥壳体材料为铝合金，铝合金材料的材料弹性模量为210000mpa，泊松比为0.3。定义驱动桥左壳体2、驱动桥右壳体7的材料弹性模量、泊松比，根据公式(1)-(4)获取驱动桥壳体材料的塑性数据，如表2所示，将驱动桥壳体的材料塑性数据添加到分析模型中。
[0143]
σ＝σ
nom
(1+ε
nom
)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0144]
ε＝ln(1+ε
nom
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0145]
ε
pl
＝ε-ε
el
ꢀꢀꢀ
(3)
[0146][0147]
式中，σ为真实应力，ε为真实应变，σ
nom
为名义应力，ε
nom
为名义应变，ε
pl
为塑性应变，ε
el
为弹性应变,e为材料弹性模量；
[0148]
表2驱动桥壳体材料塑性力学属性
[0149]
序号名义应力σ
nom
名义应变ε
nom
真实应力σ真实应变ε弹性应变ε
el
塑性应变ε
pl
11.00e+021.36e-031.00e+021.36e-031.35e-03021.20e+021.65e-031.20e+021.65e-031.62e-032.43e-0531.30e+021.81e-031.30e+021.81e-031.76e-034.84e-0541.40e+022.00e-031.40e+022.00e-031.90e-031.02e-0451.50e+022.22e-031.50e+022.22e-032.03e-031.86e-0461.60e+022.50e-031.60e+022.50e-032.17e-033.29e-0471.70e+022.89e-031.70e+022.89e-032.30e-035.82e-0481.80e+023.42e-031.81e+023.41e-032.44e-039.73e-0491.88e+024.01e-031.89e+024.00e-032.55e-031.45e-03101.94e+024.51e-031.94e+024.50e-032.63e-031.87e-03111.98e+025.00e-031.99e+024.99e-032.69e-032.30e-03122.07e+026.23e-032.08e+026.21e-032.81e-033.40e-03132.10e+026.77e-032.11e+026.75e-032.86e-033.89e-03142.14e+027.51e-032.15e+027.48e-032.91e-034.58e-03152.20e+028.96e-032.22e+028.92e-033.00e-035.92e-03162.20e+029.11e-032.22e+029.07e-033.00e-036.07e-03172.31e+021.25e-022.34e+021.24e-023.16e-039.26e-03182.40e+021.64e-022.44e+021.63e-023.30e-031.30e-02192.50e+022.25e-022.56e+022.23e-023.45e-031.88e-02202.59e+023.04e-022.67e+022.99e-023.61e-032.63e-02212.63e+023.46e-022.72e+023.40e-023.68e-033.03e-02
[0150]
s3、定义驱动桥零部件接触与连接形式
[0151]
根据驱动桥系统实际安装位置对模型进行装配，创建驱动桥壳体螺栓1-驱动桥左壳2，驱动桥左壳2-驱动桥右壳7，差速器一号轴承3外圈-驱动桥左壳2，差速器一号轴承3内圈-差速器壳体5，差速器二号轴承6外圈-驱动桥右壳7，差速器二号轴承6内圈-差速器壳体5，驱动桥右壳7-驱动桥支架8，驱动桥支架8-支架螺栓9，主动齿轮一号轴承10内圈-主动齿轮轴11，主动齿轮二号轴承12内圈-主动齿轮轴11，主动齿轮一号轴承10外圈-驱动桥右壳7，主动齿轮二号轴承12外圈-驱动桥右壳7的接触。将驱动桥壳体螺栓1与驱动桥右壳7连接为一体，支架螺栓9与驱动桥右壳7(图1)连接为一体。
[0152]
所述步骤s3中，为简化模型，减少接触对数量，针对轴承进行相应简化：将轴承滚动体14与轴承内圈15连接为一体，建立轴承滚动体14—轴承外圈13(图2)的接触，差速器一号轴承3、差速器二号轴承6、主动齿轮一号轴承10、主动齿轮二号轴承12均采用此种方式建立连接。
[0153]
s4、施加螺栓预紧力
[0154]
螺栓预紧力由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，施加到驱动桥壳体螺栓与支架螺栓上。
[0155]
根据公式(1)、(2)计算得到螺栓预紧力，其中螺栓预紧力的作用方向沿螺栓的轴向。
[0156][0157][0158]
式中，f1为驱动桥壳体螺栓预紧力，t1为驱动桥壳体螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，d1为驱动桥壳体螺栓直径。f2为支架螺栓预紧力，t2为支架螺栓拧紧力矩，d2为支架螺栓直径。f1、f2为计算量，t1、t2、d1、d2为已知量；
[0159]
t1＝70nm，d1＝10mm，t2＝100nm，d2＝12mm，k＝0.2。计算得出驱动桥壳体螺栓预紧力f1＝35000n，支架螺栓预紧力f2＝41667n。将计算得出的螺栓预紧力施加到每个螺栓上；
[0160]
s5、疲劳试验载荷谱简化
[0161]
选取疲劳试验载荷谱中的典型工况作为计算分析的输入条件
[0162]
所述步骤s5中，由于疲劳试验载荷谱为多级载荷，如图3所示，并且在疲劳试验过程中，不同级载荷变化会使驱动桥壳体受到一定冲击，为确保选取的典型工况可以覆盖疲劳试验载荷谱，选取疲劳试验载荷谱中前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况作为典型工况，前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况输出扭矩t-max
作为输入条件。
[0163]
驱动桥疲劳试验载荷谱如图4所示，其中t
+max
＝4200nm，t-max
＝-4200nm，作为计算分析输入条件。
[0164]
s6、定义边界条件
[0165]
约束驱动桥与车架连接处的所有自由度，借助定义在主动齿轮轴线上的局部坐标系施加齿轮力，坐标系的z轴沿主动齿轮轴线方向，r轴沿主动齿轮的径向，t轴由z轴、r轴根据右手准则确定。驱动桥主动从动齿轮为双曲面齿轮，在根据公式(7)与表4计算得出两个工况下主动齿轮受力，以集中力形式施加在主动齿轮上。从动齿轮受力与主动齿轮大小相等，方向相反，以集中力形式施加在从动齿轮上
[0166][0167]
表4双曲面齿轮轴向力与径向力计算
[0168][0169][0170]
式中，t为输出扭矩，f
t
、fr、fa分别为主动齿轮的圆周力、径向力和轴向力，d为主动齿轮齿面宽中点分度圆直径，α为主动齿轮法向压力角，β为主动齿轮螺旋角，γ为主动齿轮节锥角。
[0171]
驱动桥准双曲面齿轮参数：i＝3.9，d＝180mm，α＝20
°
，β＝40
°
，γ＝12
°
，计算得出前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况齿轮受力，以集中力的形式施加到分析模型中：
[0172][0173][0174]f+t
、f
+r
、f
+a
分别为前进挡最大扭矩工况主动齿轮的圆周力、径向力和轴向力；
[0175]
f-t
、f-r
、f-a
分别为倒挡最大扭矩工况主动齿轮的圆周力、径向力和轴向力；
[0176]
s7、使用abaqus/standard对有限元模型进行求解计算
[0177]
得到前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况驱动桥壳体各位置应力值与应变值；
[0178]
s8、结果分析
[0179]
根据驱动桥壳体mises应力对壳体疲劳强度进行初步评价
[0180]
所述步骤s8中，如果壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，则使用通过壳体应力计算壳体疲劳安全系数对驱动桥壳体疲劳寿命进行评价；如果壳体mises应力大于壳材料屈服强度极限，则基于多级载荷谱计算不同级载荷冲击，使用低周疲劳寿命分析方法对驱动桥壳体进行疲劳寿命评价。
[0181]
前进挡最大扭矩工况下，驱动桥壳体mises应力最大值为197mpa，如图5所示；倒挡最大扭矩工况下，驱动桥壳体mises应力最大值为221mpa，如图6所示，均大于铝合金材料屈服强度极限150mpa，应基于多级载荷谱计算不同级载荷冲击，使用低周疲劳寿命分析方法对驱动桥壳体进行疲劳寿命评价。
[0182]
s9、驱动桥壳体疲劳安全系数计算
[0183]
如果s8中壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，根据公式(8)计算壳体疲劳安全系数，对壳体疲劳寿命进行评价
[0184][0185]
式中，sfa为部件疲劳安全系数，σe为材料疲劳极限，σa为部件应力。
[0186]
所述步骤s9中，如果壳体疲劳安全系数大于1，则驱动桥壳体疲劳寿命满足要求，如果壳体疲劳安全系数小于1，则驱动桥壳体疲劳寿命不满足要求，需要针对薄弱位置进行优化；
[0187]
由于驱动桥壳体mises应力大于材料的屈服强度极限，不需要进行疲劳安全系数计算。
[0188]
s10、构建材料疲劳寿命曲线
[0189]
如果步骤s8中壳体mises应力大于壳体材料屈服强度极限，则需要对壳体进行低周疲劳寿命计算，根据manson-coffin低周疲劳公式对驱动桥壳体进行低周疲劳分析，根据公式(9)构建材料塑性应变-寿命曲线；
[0190]
ε
pa
＝ε’f
(2n)cꢀꢀꢀ
(9)
[0191]
式中，ε
pa
为部件塑性应变值，ε’f
为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数。
[0192]
所述步骤s10中，为准确计算驱动桥壳体低周疲劳寿命，对公式(9)进行修正，根据公式(10)构建材料的实际应变-寿命曲线；
[0193][0194]
式中，δγ为部件实际应变幅，ε
ea
为部件弹性应变，σ’f
为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，e为材料的弹性模量，2n为材料应变-寿命曲线上的循环次数。
[0195]
铝合金材料σ’f
＝323mpa，b＝-0.091，ε’f
＝0.286，c＝-0.83，得到铝合金材料的实际应变-寿命曲线，如图8所示；
[0196]
s11、计算一个疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的低周疲劳损伤
[0197]
所述步骤s11中，为保证损伤计算过程中能够考虑不同级载荷变化使壳体受到的冲击，根据s9中构建的材料应变-寿命曲线，基于疲劳寿命试验载荷谱，根据公式(11)计算前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况输出扭矩t-max
两级载荷冲击下驱动桥壳体的单次损伤；
[0198][0199]
式中，d1为单次损伤，n1为由前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况计算得出部件实际应变幅δγ对应的循环次数；
[0200]
s12、计算规定疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的总损伤
[0201]
根据公式(12)计算驱动桥壳体总损伤。
[0202]dtotal
＝n
×
d1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0203]
式中，d
total
为总损伤，n为疲劳寿命载荷谱循环次数；
[0204]
根据驱动桥壳体总损伤结果判定驱动桥壳体低周疲劳寿命与失效位置
[0205]
所述步骤s12中，如果驱动桥壳体存在总损伤值大于1的位置，则驱动桥壳体低周
疲劳寿命不满足要求，失效位置为总损伤值大于1的位置，需要进行结构优化，提升壳体疲劳强度；如果驱动桥壳体总损伤值小于1，则驱动桥壳体低周疲劳寿命满足要求。
[0206]
疲劳寿命载荷谱循环次数n＝60，计算得出驱动桥壳体损伤分布如图9所示，驱动桥壳体输入轴一号轴承孔周围存在总损伤大于1的位置(如图9中总伤值1.2scalar value位置处)驱动桥壳体低周疲劳寿命不满足要求，失效位置为驱动桥壳体输入轴一号轴承孔周围，需要进行结构优化，提升壳体疲劳强度。

技术特征：
1.一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、建立驱动桥系统有限元模型，采用实体网格单元对驱动桥系统零部件进行建模；s2、定义有限元模型材料属性，包括定义材料弹性模量、泊松比、应力应变关系；s3、定义驱动桥零部件接触与连接形式：根据驱动桥系统实际安装位置对模型进行装配，创建驱动桥壳体螺栓-驱动桥左壳，驱动桥左壳-驱动桥右壳，差速器一号轴承外圈-驱动桥左壳，差速器一号轴承内圈-差速器壳体，差速器二号轴承外圈-驱动桥右壳，差速器二号轴承内圈-差速器壳体，驱动桥右壳-驱动桥支架，驱动桥支架-支架螺栓，主动齿轮一号轴承内圈-主动齿轮轴，主动齿轮二号轴承内圈-主动齿轮轴，主动齿轮一号轴承外圈-驱动桥右壳，主动齿轮二号轴承外圈-驱动桥右壳的接触；将驱动桥壳体螺栓与驱动桥右壳连接为一体，支架螺栓与驱动桥右壳连接为一体；s4、施加螺栓预紧力：螺栓预紧力由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，施加到驱动桥壳体螺栓与支架螺栓上；螺栓预紧力通过以下公式计算：螺栓预紧力通过以下公式计算：式中，f1为驱动桥壳体螺栓预紧力，t1为驱动桥壳体螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，d1为驱动桥壳体螺栓直径；f2为支架螺栓预紧力，t2为支架螺栓拧紧力矩，d2为支架螺栓直径；f1、f2为计算量，t1、t2、d1、d2为已知量；螺栓预紧力的作用方向沿螺栓的轴向；s5、疲劳试验载荷谱简化，选取疲劳试验载荷谱中的典型工况作为计算分析的输入条件；s6、定义边界条件约束驱动桥与车架连接处的所有自由度，借助定义在主动齿轮轴线上的局部坐标系施加齿轮力，坐标系的z轴沿主动齿轮轴线方向，r轴沿主动齿轮的径向，t轴由z轴、r轴根据右手准则确定；驱动桥主动从动齿轮为双曲面齿轮，在根据以下公式，结合双曲面齿轮轴向力与径向力计算表，计算得出两个工况下主动齿轮受力，以集中力形式施加在主动齿轮上：双曲面齿轮轴向力与径向力计算表
式中，t为输出扭矩，i为齿轮传动比，f
t
、f
r
、f
a
分别为主动齿轮的圆周力、径向力和轴向力，d为主动齿轮齿面宽中点分度圆直径，α为主动齿轮法向压力角，β为主动齿轮螺旋角，γ为主动齿轮节锥角；从动齿轮受力与主动齿轮大小相等，方向相反，以集中力形式施加在从动齿轮上；s7、对有限元模型进行求解计算，得到前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况驱动桥壳体各位置应力值与应变值；s8、根据驱动桥壳体mises应力对壳体疲劳强度进行初步评价；s9、驱动桥壳体疲劳安全系数计算：如果所述步骤s8中壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，根据下式计算壳体疲劳安全系数，对壳体疲劳寿命进行评价：s10、构建材料疲劳寿命曲线：如果所述步骤s8中壳体mises应力大于壳体材料屈服强度极限，则根据manson-coffin低周疲劳公式对驱动桥壳体进行低周疲劳分析，根据下式构建材料塑性应变-寿命曲线：ε
pa
＝ε’f
(2n)
c
式中，ε
pa
为部件塑性应变值，ε’f
为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数；s11、计算一个疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的低周疲劳损伤；s12、计算规定疲劳寿命载荷谱循环下，驱动桥壳体的总损伤，计算公式如下：d
total
＝n
×
d1式中，d
total
为总损伤，n为疲劳寿命载荷谱循环次数；最终根据驱动桥壳体总损伤结果判定驱动桥壳体低周疲劳寿命与失效位置。2.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s1中，驱动桥器左壳体、从动齿轮、差速器壳体，驱动桥右壳体、驱动桥支架采用二阶四面体单元建模；驱动桥壳体连接螺栓、差速器一号轴承、差速器二号轴承、支架螺栓、主动齿轮一号轴承、主动齿轮轴、主动齿轮二号轴承采用一阶六面体单元建模；从动齿轮与主动齿轮轴采用简化模型；从动齿轮与差速器壳体采用共节点形式连接。3.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s2中，定义驱动桥左壳体、驱动桥右壳体的材料弹性模量、泊松比，根据以下公式获取驱动桥壳体材料的塑性数据，将驱动桥壳体的材料塑性数据添加到分析模型中：
σ＝σ
nom
(1+ε
nom
)ε＝ln(1+ε
nom
)ε
pl
＝ε-ε
el
式中，σ为真实应力，ε为真实应变，σ
nom
为名义应力，ε
nom
为名义应变，ε
pl
为塑性应变，ε
el
为弹性应变，e为材料弹性模量。4.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s3中，为简化模型，减少接触对数量，针对轴承进行相应简化：将轴承滚动体与轴承内圈连接为一体，建立轴承滚动体—轴承外圈的接触；差速器一号轴承、差速器二号轴承、主动齿轮一号轴承、主动齿轮二号轴承均采用此种方式建立连接。5.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s5中，选取疲劳试验载荷谱中前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况作为典型工况，前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况输出扭矩t-max
作为输入条件。6.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s8中，如果壳体mises应力小于壳体材料屈服强度极限，则使用通过壳体应力计算壳体疲劳安全系数对驱动桥壳体疲劳寿命进行评价；如果壳体mises应力大于壳材料屈服强度极限，则基于多级载荷谱计算不同级载荷冲击，使用低周疲劳寿命分析方法对驱动桥壳体进行疲劳寿命评价。7.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s9中，如果壳体疲劳安全系数大于1，则驱动桥壳体疲劳寿命满足要求，如果壳体疲劳安全系数小于1，则驱动桥壳体疲劳寿命不满足要求，需要针对薄弱位置进行优化。8.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s10中，为准确计算驱动桥壳体低周疲劳寿命，对公式ε
pa
＝ε’f
(2n)
c
进行修正，并根据修正后的公式构建材料的实际应变-寿命曲线，修正后的公式如下：式中，δγ为部件实际应变幅，ε
ea
为部件弹性应变，σ
′
f
为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，e为材料的弹性模量。9.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s11中，为保证损伤计算过程中能够考虑不同级载荷变化使壳体受到的冲击，根据s9中构建的材料应变-寿命曲线，基于疲劳寿命试验载荷谱，根据下式计算前进挡最大扭矩工况输出扭矩t
+max
与倒挡最大扭矩工况输出扭矩t-max
两级载荷冲击下驱动桥壳体的单次损伤：式中，d1为单次损伤，n1为由前进挡最大扭矩工况与倒挡最大扭矩工况计算得出部件实际应变幅δγ对应的循环次数。10.如权利要求1所述的一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤s12中，如果驱动桥壳体存在总损伤值大于1的位置，则驱动桥壳体低周疲劳寿命不满足要求，失效位置为总损伤值大于1的位置，需要进行结构优化，提升壳体疲劳强度；如果驱动桥壳
体总损伤值小于1，则驱动桥壳体低周疲劳寿命满足要求。

技术总结
本发明公开了一种驱动桥壳体疲劳寿命计算方法，包括：建立驱动桥系统有限元模型；定义材料属性；定义驱动桥零部件接触与连接形式；施加螺栓预紧力；疲劳试验载荷谱简化；定义边界条件；求解计算；初步评价；驱动桥壳体疲劳安全系数计算；构件材料疲劳寿命曲线；计算驱动桥壳体的总损伤；判定疲劳寿命与失效位置。本发明通过建立与驱动桥壳体受力直接相关的有限元模型，使驱动桥应力应变分析过程结果与实际受力状态较为贴合，判断由应力进行疲劳寿命分析或者应变进行疲劳寿命分析，按此方法计算得出的驱动桥壳体疲劳寿命与实际更加相符，计算精度更高。算精度更高。算精度更高。


技术研发人员：闫博 康一坡 马明辉 张尤龙 刘明远
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/10/15