基于HyperWorks的平衡軸軸殼有限元分析

楊毅

（安徽安凱金達機械制造有限公司，合肥 230051）

基于HyperWorks的平衡軸軸殼有限元分析

楊毅

（安徽安凱金達機械制造有限公司，合肥 230051）

平衡軸總成作為重型卡車關鍵零部件，在整車中傳遞較大的載荷。由于超載和使用環境較差，導致平衡軸總成上的軸殼開裂。通過三維建模后，使用HyperWorks軟件對軸殼進行有限元分析，通過分析結果和市場故障對比，尋找一種有效可靠的有限元分析方法。該方法對可指導軸殼結構的設計并縮短整車開發周期。

軸殼；三維建模；有限元分析；優化

0 引 言

平衡軸總成作為重型卡車關鍵零部件，傳遞著并平衡中橋和后橋之間的載荷，目前平衡軸總成上的軸殼開裂故障率比較高，尤其是在礦山上使用的8×4自卸車，由于路況差、超載嚴重，極易引起軸殼開裂。國內各商用車廠家在整車開發中尤為重視平衡軸總成的結構設計。以往驗證軸殼的設計強度是否合格，通常通過試驗場強化路測速和市場驗證兩種方法，整個驗證周期長，驗證費用巨大。目前可通過CAE軟件對產品結構進行分析，驗證并優化產品結構，可以大大縮短整車開發周期。

1 平衡軸軸殼以往市場的失效模式

平衡軸軸殼的常見故障為開裂如圖1，該平衡軸軸殼使用在8×4自卸車上，核定的載重不超過60 t。但是通過市場調查，由于該類車使用環境特殊，整車滿載工況下普遍在80 t以上，尤其是在裝載砂石、鐵礦等高密度貨物時載荷超過100 t，在路況較差的礦山上行駛時，平衡軸軸殼將承受2倍以上的沖擊載荷，該種工況下驗證軸殼的設計有效性尤為必要。

圖1 平衡軸軸殼的開裂故障

圖2 平衡軸軸殼實體三維模型

2 模型建立

圖3 平衡軸總成

使用UG NX 8.5軟件能快速有效地建立平衡軸軸殼三維模型如圖2，并使用該軟件對小特征進行處理。為了提高平衡軸軸殼的CAE分析精度，將平衡軸軸殼放置在平衡軸總成上分析，軸殼與總成的關系如圖3。

3 受力分析

平衡軸總成是保證車輪（或車橋）與汽車車架之間具有彈性聯系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調節汽車行駛中的車身位置等有關裝置的系統，其在整車中的結構如圖4。

圖4 平衡軸在整車中的結構位置

平衡軸支架與車架相連，平衡軸支架與軸殼之間通過芯軸連接，板簧兩端固定在中橋和后橋上，中間部分通過騎馬螺栓固定在軸殼上，整車載荷通過平衡軸支架、芯軸、軸殼板簧傳遞到中后橋上。

因此簡化模型后可得到平衡軸受力圖如圖5，G1和G2是整車分布在后橋上的載荷，F1、F2、F3、F4是輪胎等連接機構通過騎馬螺栓傳遞給平衡軸軸殼的力，做靜力分析時各力存在以下關系：G1=G2;F1=F2=F3=F4，且G1+G2=F1+F2+F3+F4。

圖5 平衡軸懸掛有限元模型

4 有限元分析

4.1 有限元模型

為有效模擬平衡軸軸殼受力特點需進行平衡軸總成整體建模，建立的有限元模型中有平衡軸支架、平衡軸軸殼，芯軸采用四面體單元，省略板簧、中后橋、騎馬螺栓等原件，在平衡軸軸殼騎馬螺栓孔圓心處建立單點約束，限制X、Y、Z方向的平移和轉動自由度，整車載荷用集中質量點表示，載荷點通過RBE2均勻分布到支架上平面中，如圖6所示。

圖6 CAE分析模型

4.2 工況設置

平衡軸支架使用材料為QT500-7，平衡軸支架軸殼材料為ZG310-250;芯軸材質為42CrMo，具體參數如表1。

表1 平衡軸懸掛有限元分析材料屬性表

4.3 邊界條件

表2 工況設置

沖擊工況的設置如表2所示。8×4礦用自卸車超載載荷在100 t，一般中后橋承載70%的整車載荷，所以質量點的載荷為70 t。沖擊工況：Z向加載-2.5倍重力加速度。根據軸斷裂情況，重點考察圖7重要區域的應力情況。

4.4 分析結果

由于連接引起的騎馬螺栓孔孔周應力失真不予考慮，位置1、位置2處最大應力值為328 MPa，從應力云圖分析可得裂縫從減重孔處滋生，在長期的疲勞中，裂縫沿著圖中紅色區域長大，軸殼采用ZG310-570材料，當裂紋超過極限值時，在凹坑路況下承受瞬間沖擊力時可使其斷裂。

圖7 重點考察支架區域位置

圖8 70t沖擊工況Mises應力圖

5 結 論

使用UG NX8.5軟件建立的軸殼三維模型和受力分析有限元模型，通過靜剛度分析，軸殼實際使用故障模式與分析結果基本吻合，說明本模型建立有效，可指導其他平衡軸軸殼產品的設計開發，避免明顯的設計缺陷，提高設計效率。

在殼體與騎馬螺栓孔過渡處存在應力集中的現象，分析最大值已經超過材料的屈服強度，易成為疲勞源，在加上軸殼鑄造加工等造成的產品瑕疵，在市場使用過程極易造成開裂故障，建議加大過渡處圓角以降低應力，同時需嚴格控制生產過程。

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[2] 王鈺棟,金磊,洪清泉.HyperMeshandHyperView應用技巧與高級實例[M].北京:機械工業出版社,2012.

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[4] 江軍，陳金岳.基于HyperWorks的平衡軸有限元分析[J].機械工程師,2015(12):187-189.

TP 391.7

A

1002－2333（2018）01－0171－02

（編輯立 明）

楊毅（1964—），男，高級工程師，從事客車焊接構件、客車艙門、平衡懸架、翻轉懸架、農業機械成套設備設計開發指導工作。

2017-03-27