關(guān)于驅(qū)動(dòng)橋半軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有限元分析研究

遲豪德 孫瑞峰

摘 要：本文利用有限元分析軟件指導(dǎo)了一款半軸產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了半軸結(jié)構(gòu)，為半軸及其他相似零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考，為其他零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了思路。

關(guān)鍵詞：汽車驅(qū)動(dòng)橋;全浮式半軸;有限元分析; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 現(xiàn)狀說(shuō)明

有限元數(shù)值模擬技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)有效手段，利用有限元分析校核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是當(dāng)下產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流思想。

半軸位于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的末端，它將差速器的半軸齒輪與車輪輪轂連接起來(lái)。半軸根據(jù)其車輪端的支承方式不同，可分為半浮式、3/4浮式和全浮式三種形式。單級(jí)減速重卡驅(qū)動(dòng)橋的半軸型式均為全浮式半軸，全浮式半軸只承受傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩。作為車橋傳動(dòng)系統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，一般將半軸設(shè)計(jì)為傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)最薄弱的零部件，但若半軸故障過(guò)于頻繁，則應(yīng)考慮半軸能力不足。

某平臺(tái)驅(qū)動(dòng)橋全浮式半軸斷裂故障頻繁，故障模式為花鍵過(guò)渡部位斷裂。為降低該半軸故障率，利用有限元分析軟件對(duì)該半軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)各個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出符合設(shè)計(jì)要求的方案。

2 半軸受力計(jì)算說(shuō)明

正車時(shí)，力矩由半軸齒輪傳遞至半軸，再帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，故需計(jì)算半軸齒輪傳遞給半軸的扭矩，其計(jì)算轉(zhuǎn)矩按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩配以傳動(dòng)系最低擋傳動(dòng)比時(shí)和驅(qū)動(dòng)車輪在良好路面上開(kāi)始滑轉(zhuǎn)時(shí)這兩種情況下半軸齒輪作用在半軸上的轉(zhuǎn)矩的較小值作為半軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩。常規(guī)計(jì)算時(shí)，可使用橋總成額定輸出扭矩的0.6倍作為半軸的計(jì)算應(yīng)力。因該半軸配以不同主機(jī)廠，故發(fā)動(dòng)機(jī)及輪邊參數(shù)難以收集并統(tǒng)一，故采用橋總成額定輸出扭矩乘以0.6的差速器轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)得出半軸的計(jì)算扭矩。

已知該平臺(tái)驅(qū)動(dòng)橋額定輸出扭矩50000N·m，則半軸的扭矩為：50000×0.6=30000N·m。

3 創(chuàng)建有限元模型并求解

半軸材料性能參數(shù)如表1所示：

使用三維建模軟件建立四種方案的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，去掉不必要的倒角及圓角后導(dǎo)入到有限元仿真軟件中設(shè)置好材料屬性后，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該半軸結(jié)構(gòu)較規(guī)則，采用以六面體為主的網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格尺寸為5mm，得到了網(wǎng)格單元66347個(gè)，節(jié)點(diǎn)241831個(gè)，檢查網(wǎng)格質(zhì)量合格后，對(duì)半軸與輪轂接觸的法蘭面進(jìn)行全約束，并在花鍵處加計(jì)算扭矩。如圖1所示。

4 結(jié)論及建議

從分析結(jié)果可以看出：

（1）各方案關(guān)鍵部位的表面應(yīng)力均未超出材料表面的抗拉強(qiáng)度極限;

（2）花鍵尾部有銑刀圓角結(jié)構(gòu)的方案1及方案3花鍵與桿部過(guò)渡區(qū)處的等效應(yīng)力相較于花鍵尾部沒(méi)有銑刀圓角結(jié)構(gòu)的原狀態(tài)及方案2下降約6%，說(shuō)明花鍵尾部有銑刀圓角的結(jié)構(gòu)比無(wú)銑刀圓角的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高;

（3）方案1、方案2其桿部與盤部之間無(wú)圓柱凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，僅為R500過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)較原方案及方案3的桿部與盤部之間帶有直徑為64的圓柱凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度低;

（4）方案3中半軸桿部與盤部之間帶有直徑為64的圓柱凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，花鍵尾部又有銑刀圓角的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布更加均勻。

由此可知，半軸桿部在靠近法蘭盤處最好設(shè)計(jì)一直徑比桿部直徑稍粗的圓柱凸臺(tái)，用于加強(qiáng)法蘭盤根部強(qiáng)度，花鍵尾部建議帶有一定半徑的銑刀圓角，有利于降低花鍵與桿部之間過(guò)渡區(qū)的故障率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立多個(gè)方案的半軸三維模型，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，得到了不同優(yōu)化方案對(duì)半軸的應(yīng)力分布結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)各個(gè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，為半軸及其他產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的依據(jù)。

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