某鉸接式自卸車驅動橋殼垂直彎曲C A E分析與實驗

秦紅義，王道明，喬奎普，王 周

（徐州徐工礦業機械有限公司，江蘇 徐州221000）

0 引言

鉸接式自卸車是一種適用于道路崎嶇、泥濘等惡劣工況的非公路土方運輸設備，一般為六輪實時驅動，越野性能強、安全性高。基于此，鉸接式自卸車對車橋的可靠性要求極高。國內鉸接式自卸車技術幾乎處于空白階段，關鍵配套件如發動機、變速箱和車橋等均采用進口，價格昂貴。為降低整車成本，公司嘗試對車橋進行國產化開發，但國內沒有比較成熟的鉸接式自卸車車橋設計和評價方法。公司自主開發了單橋承載25 t的鉸接式自卸車專用驅動橋，具有大速比、大扭矩、濕盤制動、差速鎖等要求，滿足鉸接式自卸車適用需求。

橋殼是最關鍵的承載構件，且連接主減、輪邊和半軸，強度和剛度要求高。本文對所設計的25 t鉸接式自卸車專用橋殼進行了垂直彎曲CAE分析和模態分析，并進行了橋殼垂直彎曲剛度和疲勞壽命試驗，驗證設計的可行性。

1 鉸接式自卸車驅動橋和懸架連接結構

鉸接式自卸車中后橋通過平衡梁、A型架和橫拉桿與車架連接，平衡梁兩端通過橡膠減震彈簧與車橋連接，平衡梁旋轉軸與車架抗扭管連接，如圖1所示。車輛重力首先傳遞給平衡梁，然后平均分配給兩根車橋。

圖1 鉸接式自卸車懸架和車橋結構

2 橋殼結構設計簡化和C A E分析

為提高CAE分析的準確性和效率，對所設計的橋殼的三維模型進行簡化，簡化后橋殼如圖2所示，該橋殼為一體鑄造式結構，材料選用ZG40Cr，材料屬性如表1所示。

圖2 橋殼簡化結構

表1 材料性能表

2.1 橋殼的垂直彎曲剛度和強度分析

將橋殼受力簡化為簡支梁結構，在兩端半軸套管位置按照輪距施加約束，約束徑向移動，軸向移動自由，橡膠彈簧安裝座位置施加垂直方向的力，所施加的力取3倍的單橋最大承載力2。

仿真結果顯示，3倍軸荷下橋殼的最大應力為204 MPa，位于半軸套管變徑位置；垂直方向最大變形量為0.78 mm。滿足設計要求。

圖3 應力圖

2.2 橋殼模態分析

鉸接式自卸車為非公路車輛，行駛速度較慢，一般不超過60 km/h，因路面不平產生的振動沖擊頻率較小，多集中在0～50 Hz范圍內。車橋設計時，為避免共振，橋殼的固有頻率要避開這個頻率范圍。對所設計的橋殼進行模態分析，前3階的振型分析結果如圖5～7所示，各階振型對應的頻率和位移如表2所示。

圖5 1階振型應變圖

圖6 2階振型應變圖

圖7 3階振型應變圖

表2 各階頻率和應變值

1階振型表現為前后方向的彎曲變形，2階振型表現為上下方向的彎曲變形，3階振型表現為復合的扭曲變形。從分析結果可以看出，所設計橋殼的固有頻率遠遠超過地面激振頻率，不會產生共振。

3 橋殼的臺架試驗

為了驗證設計和CAE分析方法的可行性，采用橋殼疲勞壽命試驗臺（圖8所示）對橋殼進行垂直彎曲剛度測試和壽命試驗。由于橋殼強度設計安全系數較高，且為降低試驗成本，未進行橋殼強度試驗，橋殼強度可通過車載強化試驗驗證。

圖8 橋殼疲勞壽命試驗臺

3.1 橋殼垂直彎曲剛度試驗

CAE分析結果顯示，在主減包的左右兩側變形最大，按照如圖9所示的箭頭所指位置點，作為變形測試點，通過3倍的單橋最大承載進行加載，力施加在橡膠彈簧安裝座位置，從0開始緩慢加載。通過百分表測量指定位置的變形量。3次試驗結果顯示，最大變形位置與仿真分析結果一致，最大變形量為0.81 mm，與CAE分析結果基本一致，滿足使用要求。

圖9 變形測試點

3.2 橋殼垂直彎曲疲勞壽命試驗

因現有試驗臺無法滿足3倍的該橋最大承載的脈沖加載要求，采用最大2.5倍的承載力進行加載。共進行2件橋殼的壽命試驗，試驗值分別為1 342 806和1452 871次，一般礦用車橋壽命要求不低于80萬次，滿足使用要求。

4 車橋的車載強化試驗

所開發車橋已應用在公司自主開發的某噸位鉸接式自卸車上，整車在礦區連續施工運行超過3年，為出現橋殼故障。圖10為所開發鉸接式自卸車在印尼某礦區施工實況。

圖10 車載強化試驗

5 結論

對所開發的鉸接式自卸車車橋橋殼進行了垂直彎曲剛度和強度的CAE分析，并進行了模態分析，仿真結果顯示，所開發的橋殼滿足設計要求。

通過臺架試驗，對所開發的橋殼進行了垂直彎曲剛度試驗和疲勞壽命試驗，試驗結果與仿真結果基本一致，均滿足使用要求。

所開發的車橋進行了超過3年的車載強化試驗，未出現橋殼開裂、變形等故障。

通過以上試驗驗證，證明所采用仿真分析方法的可行性，可以作為鉸接式自卸車橋殼開發的設計依據，提高設計可靠性，縮短產品開發周期。