重型汽車驅(qū)動橋殼優(yōu)化設(shè)計探討

周大坤

摘 要：重型汽車上有一個非常重要的組成零部件就是車橋，它不但是承載部件還是傳力部件，由于重型汽車的行駛路況比較復(fù)雜，所以車橋免不了要承受各種各樣復(fù)雜載荷對它的作用，因此對車橋的強度、剛度和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究十分必要。本文利用有限元分析方法對驅(qū)動橋殼進行計算分析以及優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：重型汽車；驅(qū)動橋殼；強度分析；有限元分析

1 引言

我國自1983年引進奧地利斯太爾重型汽車項目以來，重型汽車應(yīng)用越來越廣泛，但是由于重型汽車的工況惡劣，要想保證車橋的安全可靠，就需要在設(shè)計時就要對車橋的強度、剛度和疲勞壽命做出要求。傳統(tǒng)的計算方法，只能算出橋殼某一斷面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實情況。而有限元分析方法可以計算分析出應(yīng)力與變形的分布情況，應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力變化趨勢，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足，降低設(shè)計風(fēng)險和成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2 主要研究內(nèi)容

文章主要的研究內(nèi)容有：第一步，操作有限元前處理軟件對車橋的有限元模型進行建立；第二步，進行荷載的計算；第三步，分析在各種工況下有限元軟件的計算結(jié)果；第四步，根據(jù)有限元分析及計算結(jié)果進行結(jié)論判斷。

3 驅(qū)動橋殼的有限元建模

利用UG軟件對重型汽車驅(qū)動橋殼進行三維實體建模，同時為了有限元分析需要進行簡化，但這個簡化需要在保證驅(qū)動橋殼分析精度的前提下進行：由于很小受力造成的截面突變部分要進行簡化，對小的倒角或者是尖銳部分要進行圓滑過渡，對加油口、放油口和固定油管的部分幾何特征要進行精簡。簡化之后的橋殼三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，幾何清理之后進行網(wǎng)格劃分。

4 荷載的計算

目前國內(nèi)外很多同行通常采用按驅(qū)動橋殼設(shè)計要求的2.5倍滿載時垂直軸荷作用下的應(yīng)力大小來計算疲勞強度。[1]本分析主要針對驅(qū)動橋殼計算車橋橋殼載荷工況的五種情況：（1）滿載；（2）沖擊載荷作用；（3）最大牽引力行駛；（4）緊急制動；（5）最大側(cè)向力。

本節(jié)將分析和計算在五種工況下，橋殼結(jié)構(gòu)的受力分布及大小。

1.垂向載荷工況：按最大軸荷計算，另外考慮汽車通過不平路面的動載系數(shù)；

①汽車滿載工況：

此時，后橋內(nèi)、外車輪所承受的垂向負荷Fzi、FZO分別為：

Fz=×2.5×mg=×2.5×16000×

9.8=196000N

②沖擊載荷作用工況

當(dāng)汽車在不平路面上高速行駛時，考慮所承受的附加沖擊載荷效應(yīng)，此時，通常取滿載靜止時所承載荷的2.5倍，即

Fz=×2.5×mg×2.5=×2.5×16000

×9.8×2.5=490000N

2.縱向載荷工況：（一般按牽引力或制動力最大計算其中一種工況即可）

汽車驅(qū)動橋承受最大載荷的工況為最大驅(qū)動力時和最大制動力時。[2]

①大牽引力行駛工況

汽車以最大牽引力行駛時，后驅(qū)動橋受力分析如圖2.2。該驅(qū)動橋額定輸出扭矩為55000Nm，輪胎滾動半徑為0.536m；

z方向載荷：

Fz=×1.5×mg=×1.5×16000×9.8

=117600N

x方向載荷：從以下兩方面考慮，取較小值：

傳動系方面：

M=M額×kt=88000Nm

路面附著條件方面：M=mG×g×kd×m′×

c/′×r=194143Nm

則：Fx=×M÷rk=×88000÷0.536=

82089N

②緊急制動工況

汽車緊急制動時，可不考慮側(cè)向力。圖2.3為緊急制動時后驅(qū)動橋殼的受力分析簡圖。圖中后橋內(nèi)、外車輪所承受的垂向負荷Fzi、Fzo分別為：

Fzi=Fzo1==16000×9.8××0.6=

0.47×105N

式中：m′——汽車緊急制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，通常取為0.6；

另外，水平方向的縱向力Fx為

FX=m′ψ=×0.6×0.8=

0.38×105N

式中：ψ——輪胎與地面的縱向附著系數(shù)，計算時取ψ1=0.8；

3.側(cè)向載荷工況：按側(cè)向力最大計算；

當(dāng)汽車所承受的側(cè)向力達到地面給輪胎的側(cè)向反作用力的最大值（即附著力）時，汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，汽車則側(cè)滑。

當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時處于側(cè)翻臨界狀態(tài)而與側(cè)滑方向相反的車輪的垂直反力和側(cè)向力等于零，此時汽車外輪的垂直反力和側(cè)向力達到最大值，并且由外輪的內(nèi)外軸承承擔(dān)。地面給后橋內(nèi)、外驅(qū)動車輪所承受的垂向力Fzi、Fzo分別為

FZO=G2（0.5+ψ1）=0.5×16000×9.8×（0.5+0.5×1）=1.18×105N

FZi=G2-FZO=0N

式中：hg——汽車質(zhì)心高度；

B——后驅(qū)動車輪輪距

ψ1——輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)，計算時取ψ1=1.0；

5 計算結(jié)果及分析

本節(jié)以汽車滿載工況為例一一分析在五種工況下有限元軟件ANSYS的計算結(jié)果：

5.1 汽車滿載 切工作

5.1.1 變形分析

圖5-1顯示橋殼變形前后的對比。從結(jié)果可看出，整體的最大變形將發(fā)生在橋殼的中間部位，依次向兩側(cè)遞減。

5.1.2 應(yīng)力分析

圖5-2表示滿載時橋殼內(nèi)的等效應(yīng)力等值圖，由圖可知，鋼板彈簧座附近的最大等效應(yīng)力值為26.696MPa，這部分的等效應(yīng)力在20Mpa左右，同時在橋包到板簧座的過渡區(qū)域的應(yīng)力比較大，最大達到54.2MPa。從橋殼整體結(jié)構(gòu)來看，其大部分部位的應(yīng)力值只有十幾兆帕，較高的等效應(yīng)力值出現(xiàn)在鋼板彈簧座、橋殼中間凸包的過渡區(qū)，在安裝輪間差速鎖的缺口處最大應(yīng)力達到105MPa。

通過對橋殼在五種工況下的ANSYS 有限元分析及計算結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1.橋殼軸向最大位移發(fā)生在汽車承受最大牽引力載荷作用時，最大垂向最大位移

為1.781mm。

2.橋殼垂向最大位移發(fā)生在汽車受沖擊載荷作用時，兩端與橋包中間的最大相對位移為2.661mm，除以輪距后得每米輪距變形量為1.431mm/m ，此值小于每米輪距最大變形1.5mm/m（QC/T534-1999）的要求。

3.橋殼縱向最大位移發(fā)生在汽車以最大牽引力行駛時，兩端與中央沿縱向的最大相對位移為2.162mm，輪距后得1.159mm/m，符合（QC/T534-1999）的要求。

4.在沖擊載荷作用下，在橋殼鋼板彈簧座附近的最大應(yīng)力為88.053MPa，此值小于橋殼材料ZG270-500 的屈服強度270MPa。在安裝差速鎖的圓弧過渡區(qū)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處的最大應(yīng)力發(fā)生在第三種工況，其最大等效應(yīng)力為257.12MPa，此值也小于橋殼材料ZG270-500 的屈服強度。

5.在汽車側(cè)翻的臨界狀況時，輪轂內(nèi)軸承內(nèi)側(cè)位置存在著最大應(yīng)力，其平均值為197MPa，最大等效應(yīng)力為365.8MPa，最小等效應(yīng)力為139.7Mpa，皆小于輪轂軸管材料40Cr的屈服強度785MPa。

6 結(jié)論

根據(jù)以上五點結(jié)論可知，橋殼的強度和變形符合設(shè)計要求，但在沖擊載荷作用下，安裝差速鎖的圓弧過渡區(qū)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處還可以進一步優(yōu)化。本文通過有限元分析法得出橋殼的應(yīng)力與變形的分布情況，應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力變化趨勢，為改進方案提供了較為可靠的理論計算支持。

參考文獻：

[1] 李亮.商用車驅(qū)動橋殼疲勞壽命的有限元仿真與實驗分析[ J ].機械強度，2008，30（ 3 ） ：503- 507.

[2] 劉惟信.汽車車橋設(shè)計[M ].北京：清華大學(xué)出版社，2004.