重型汽車驅動橋殼優化設計探討

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雜，所以車橋免不了要承受各種各樣復雜載荷對它的作用，因此對車橋的強度、剛度和結構的優化研究十分必要。本文利用有限元分析方法對驅動橋殼進行計算分析以及優化。

關鍵詞：重型汽車；驅動橋殼；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，就需要在設計時就要對車橋的強度、剛度和疲勞壽命做出要求。傳統的計算方法，只能算出橋殼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。而有限元分析方法可以計算分析出應力與變形的分布情況，應力集中區域和應力變化趨勢，及早發現設計的不足，降低設計風險和成本，縮短產品的開發周期。

2 主要研究內容

文章主要的研究內容有：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果；第四步，根據有限元分析及計算結果進行結論判斷。

3 驅動橋殼的有限元建模

利用UG軟件對重型汽車驅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入到ANSYS軟件中，幾何清理之后進行網格劃分。

4 荷載的計算

目前國內外很多同行通常采用按驅動橋殼設計要求的2.5倍滿載時垂直軸荷作用下的應力大小來計算疲勞強度。[1]本分析主要針對驅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）最大側向力。

本節將分析和計算在五種工況下，橋殼結構的受力分布及大小。

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；

①汽車滿載工況：

此時，后橋內、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，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）

汽車驅動橋承受最大載荷的工況為最大驅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，后驅動橋受力分析如圖2.2。該驅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，可不考慮側向力。圖2.3為緊急制動時后驅動橋殼的受力分析簡圖。圖中后橋內、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量轉移系數，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，計算時取ψ1=0.8；

3.側向載荷工況：按側向力最大計算；

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

當汽車轉彎時處于側翻臨界狀態而與側滑方向相反的車輪的垂直反力和側向力等于零，此時汽車外輪的垂直反力和側向力達到最大值，并且由外輪的內外軸承承擔。地面給后橋內、外驅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——汽車質心高度；

B——后驅動車輪輪距

ψ1——輪胎與地面的側向附著系數，計算時取ψ1=1.0；

5 計算結果及分析

本節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。從結果可看出，整體的最大變形將發生在橋殼的中間部位，依次向兩側遞減。

5.1.2 應力分析

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

通過對橋殼在五種工況下的ANSYS 有限元分析及計算結果，得出如下結論：

1.橋殼軸向最大位移發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存在應力集中現象，此處的最大應力發生在第三種工況，其最大等效應力為257.12MPa，此值也小于橋殼材料ZG270-500 的屈服強度。

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

6 結論

根據以上五點結論可知，橋殼的強度和變形符合設計要求，但在沖擊載荷作用下，安裝差速鎖的圓弧過渡區存在應力集中現象，此處還可以進一步優化。本文通過有限元分析法得出橋殼的應力與變形的分布情況，應力集中區域和應力變化趨勢，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.汽車車橋設計[M ].北京：清華大學出版社，2004.