某汽車底盤2.5t 前軸強度分析

姚 健

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

窄體專用車底盤前軸最大承載能力為2t，已不滿足市場發展，需開發一款適合承載能力強、安全系數高的2.5t 前軸。前軸是前橋總成中重要的工作部件，其壽命直接影響汽車可靠性，前軸強度分析是正向設計中非常重要的部分，校核前軸的設計是否滿足使用要求，為后續設計提供依據。準確合理的建立前軸數學模型，是前軸強度分析的基礎。本論文的主要目的就是在經初步建立的2.5t 前軸模型基礎上，計算2.5t 前軸強度是否滿足在各種復雜工況下的使用要求，為產品后續設計及改進提供理論依據，從而降低產品設計風險。

1 建立二維模型

圖1 2.5t 前軸二維圖

2 前軸強度分析計算

2.1 前軸強度分析理論計算所需技術參數

對于2.5t 前軸強度分析，主要計算前軸中間位置和板簧托板位置截面的工作應力，前軸主要承受彎曲應力和扭轉應力。在進行前軸強度分析之前首先計算相應截面的抗彎截面模量和抗扭截面模量。

2.1.1 抗彎截面模量的理論計算

鋼托位置截面參數：a=25 b=40 c=14 B=130 C=14 h=62 H=90

中間位置截面參數：a=14 b=74 c=14.5 B=74 C=14.5 h=40 H=69

在計算抗彎截面模量之前，首先要計算形心的位置。

鋼托截面形心到下端的距離：

中間截面形心到下端的距離：y1'=34.5

鋼托截面形心到上端的距離：

鋼托截面形心到上端的距離：

計算垂直方向的慣性矩Iv、Iv'和水平方向的慣性矩Ih、Ih'。

鋼托截面垂直方向的慣性矩Iv：

中間截面垂直方向的慣性矩：Iv'=1631139

鋼托截面水平方向的慣性矩：

中間截面水平方向的慣性矩：Ih'=988438

前軸兩截面處垂直方向的抗彎截面模量Wv、Wv'和水平方向的抗彎截面模量Wh、Wh'。

鋼托截面垂直方向的抗彎截面模量Wv：

中間截面垂直方向的抗彎截面模量Wv'：

鋼托截面水平方向的抗彎截面模量Wh：

中間截面水平方向的抗彎截面模量Wh'：

2.1.2 抗扭截面模量的理論計算

鋼托截面的抗扭截面模量：

Jk——鋼托截面的極慣性矩，mm4；

δ——鋼托截面的矩形的最大寬度，mm。

根據受力分析，中間截面處承受扭力較小，此處可忽略不計算。

2.2 前軸在制動和側滑工況下的強度分析

根據前軸的使用條件，應力分析計算主要分為兩種工況：緊急制動和側滑工況。

2.2.1 在制動工況下的前軸強度分析

制動時前輪承受的制動力Pr和垂向力Z1傳給前軸，使前軸承受轉矩和彎矩。

考慮到制動時汽車質量向前橋的轉移，則前輪所承受的地面垂向反力為：

前輪所求受的制動力為：

由Z1和Pr對前軸引起的垂向彎矩Mv和水平方向的彎矩Mh在兩鋼板彈簧座之間達最大值，分別為：

制動力Pr還使前軸在主銷孔至鋼板彈簧座之間承受轉矩T：

前軸在鋼托附近危險斷面處的彎曲應力σw和扭轉應力τ (單位均為MPa)分別為：

在制動工況下，前軸在中間截面附近危險斷面處不受扭曲應力，僅受彎曲應力(單位為MPa)。

前軸采用40Cr 合金鋼制造，硬度為HR241～285。

2.2.2 在側滑工況下的前軸強度分析

當汽車承受最大側向力時無縱向力作用，左、右前輪承受的地面垂向反力Z1L、Z1R和側向反力Y1L、Y1R各不相等，可推出前輪的地面反力(單位都為N)分別為

側滑時左、右鋼板彈簧對前軸的垂直作用力為：

汽車側滑時左、右前輪輪轂內、外軸承的徑向支承力(單位為N)分別為：

將由式（16）-（19）求得的Z1L、Z1R、Y1L、Y1R代入式（21）-（24）即可求得左、右前輪輪轂內軸承對輪轂的徑向支承力S1L、S1R和外軸承對輪轂的徑向支承力S2L、S2R，這樣也就求出了輪轂軸承對輪軸的徑向支承反力。前梁的最大彎矩發生在側滑方向一側拳部的主銷孔處(Ⅰ-Ⅰ剖面處)；而另一例則在板簧座處(Ⅱ-Ⅱ剖面處)，可由下式直接求出：

欲計算主銷孔處的彎曲應力，必須先計算出Ⅰ-Ⅰ剖面處的抗彎截面模量WI-I：

在側滑工況下，前軸不受扭曲應力，僅受彎曲應力，即可計算出主銷孔的彎曲應力σI-I和另一側鋼托的彎曲應力σⅡ-Ⅱ。

3 試驗驗證

依據《汽車非驅動類前軸臺架疲勞壽命試驗方法》，將試驗件模擬整車狀態安裝在試驗臺架上。試驗加載參數額定載荷為2.5T，試驗力加載載荷下峰值是額定載荷的0.5 倍即1.25T，上峰值是額定載荷的3.5 倍即8.75T。試驗臺作動器沿垂直方向對試驗樣件施加上下循環試驗力，試驗頻率為3Hz。

對三根前軸進行臺架試驗，編號為1#、2#、3#。試驗結果如下：

表1 前軸臺架試驗結果

汽車非驅動類前軸疲勞壽命同時達到B5 不小于30 萬次（或B10 不大于38 萬次）和B50 不小于70 萬次雙指標的為合格品，故根據實驗結果可知，三根樣件全部合格。

4 結論

本論文主要研究2.5t 前軸在制動和側滑工況下受力情況。

（1）在緊急制動工況下，主要分析中間截面和鋼托截面的彎曲應力和抗扭應力。

（2）在側滑工況下，主要分析主銷孔和鋼托截面的彎曲應力。

通過理論校核和試驗結果2.5t 前軸滿足使用要求。