某型貨車驅動橋殼的靜力學和模態分析

姚 奇，沈仙法

（三江學院機械與電氣工程學院，南京210012）

0 引言

驅動橋殼是貨車的重要部件，它的強度和質量將直接影響車輛的性能和質量。采用傳統方法設計驅動橋殼，生產成本高，開發周期長。同時由于驅動橋殼形狀復雜，傳統方法很難準確計算出作用在驅動橋殼各個位置的應力和變形，而采用有限元的分析方法將會解決這一不足，并且能夠縮短產品開發周期，節省試驗成本[1-3]。因此，本文將采用有限元法研究某型貨車驅動橋殼的力學性能。

1 驅動橋殼結構設計

驅動橋殼是主減速器，差速器和半軸的基礎件與支承機構，并通過車輛的左右半軸與車輪固定，同時支撐車架以上部件的質量，將地面通過車輪傳來的力和力矩傳遞給車架。當車輛一側驅動輪通過高低不平的地面低洼處時，整個驅動橋和車身都要發生傾斜與側偏，車身振動頻率加大，此時要保證車輛安全與可靠，就必須要求驅動橋殼具有良好的剛度和強度。驅動橋殼從結構形式上分為整體式與斷開式兩種。根據某型貨車的使用路況，此次主要針對整體式驅動橋殼。

在UG中進行驅動橋殼三維建模和裝配，然后進行約束驗證和干涉測試，其三維模型如圖1所示。

圖1 驅動橋殼三維模型

2 驅動橋殼靜力學分析

2.1 有限元模型

為了節省有限元分析時間，對螺紋孔、放油孔和小倒角等不重要結構進行了簡化和刪除，以達到最佳計算和分析結果，再導入Hypermesh有限元分析軟件中進行材料參數設置，如表1所示。然后對驅動橋殼進行網格劃分，網格大小為5 mm。再按照一般臺架試驗的原理和步驟，確定邊界條件和加載方式[4-6]。載荷平均施加在橋殼兩邊的對稱連接桿上，兩端定點約束，一端約束-X軸方向，另一端約束為+Y的轉動方向，滿載工況。

表1 橋殼主體材料參數

2.2 靜力學分析結果與討論

通過仿真計算，結果如圖2所示。從圖中可以看出，滿載工況下，橋殼最大變形出現在橋殼中間位置，為0.216 mm，最大單位變形量為0.204 mm/m，遠小于橋殼的許用變形量1.5 mm/m[7]。其最大應力為45.2 MPa，小于其屈服極限380 MPa。

圖2 靜力學分析結果

3 不同工況下的有限元分析

3.1 最大牽引力

牽引力最大工況下，車輛處于滿載工況。此時，約束方式為兩端支點約束，兩側輪距處設立兩個對稱支點，左右同時約束X、Y、Z方向的轉動與移動。在兩制動輪盤處施加牽引力，通過求解獲得橋殼的變形和應力云圖，如圖3所示。從圖中可以看出，橋殼最大變形出現在板彈簧安裝處，為0.371 mm，最大單位變形量0.20 mm/m，小于橋殼的許用變形量1.5 mm/m。最大應力為312 MPa，小于材料的屈服極限380 MPa。

3.2 最大制動力

制動力最大工況是指車輛滿載正常行駛時緊急制動，車輛不發生側偏、側滑，車輪不抱死時的工況。通過求解獲得橋殼的變形和應力云圖，如圖4所示。從圖中可以看出，橋殼的最大變形量為0.177 mm，最大單位變形量為0.097 mm/m，小于橋殼的許用變形量1.5 mm/m。最大應力為142 MPa，小于材料的屈服極限380 MPa。

圖3 最大牽引力時分析結果

圖4 最大制動力時分析結果

3.3 最大側向力

側向力最大工況是指車輛遇到路面濕滑，車輪與地面的附著力下降，或者制動時一側車輪抱死時，車橋全部荷重由發生側滑一側的車輪承擔。這種工況對驅動橋的剛度和強度要求很高，應盡量避免。通過求解獲得橋殼的變形和應力云圖，如圖5所示。從圖中可以看出，最大變形量為0.351 mm，最大單位變形量0.193 mm/m，小于其許用變形量1.5 mm/m。最大應力為296 MPa，也小于材料的屈服極限380 MPa。

圖5 最大側向力時分析結果

橋殼在三種工況下的最大變形和最大應力比較如表2所示。

表2 三種工況下應力值與變形量

從表2可看出，三種工況條件下的最大變形和最大應力為0.371 mm和312 MPa，且單位變形量都小于1.5 mm/m，符合安全標準。驅動橋殼的最大應力都出現在輪轂內軸承中間位置，最大牽引力和最大側向力工況下，最大應力雖然較大，但仍小于橋殼的屈服強度380 MPa，因此，驅動橋殼的結構剛度和強度符合要求。

4 驅動橋殼模態分析

4.1 自由模態分析

在對驅動橋殼進行自由模態分析時，需要進行模態分析設置[8-9]。本次分析采用的是Direct算法，提取的模態階數為6，分析頻率范圍為0 Hz～1×108Hz，不施加外載荷，不對驅動橋殼自由度進行約束。求解后結果如圖6和表3所示。

圖6 自由模態分析結果

表3 自由模態前6階固有頻率和振型

從圖6可以看出，1階模態下，橋殼在XY平面內發生了一階彎曲，最大變形在橋殼的中間位置，最大振幅為6.48 mm。2階模態下，橋殼在XZ平面發生了二階彎曲，最大變形也在橋殼中間位置，最大振幅為6.93 mm。3階模態下，橋殼在X方向上出現扭轉變形，同樣最大單位變形量集中在橋殼中部，最大振幅為6.88 mm。4階模態下，橋殼在XZ平面內發生了二階彎曲變形，最大變形集中在橋殼中間的兩側，最大振幅為8.66 mm。5階模態下，橋殼在XY平面內發生了二階彎曲變形，最大變形在軸套位置，最大振幅為9.58 mm。6階模態下，橋殼在XY平面內發生了三階彎曲變形，最大單位變形量集中在橋殼中間位置的頂端，最大振幅為9.60 mm。

4.2 約束模態分析

對驅動橋殼圓盤兩端施加固定約束，生成了1-6階的約束模態的頻率和振型，如表4所示。

表4 束模態前6階固有頻率和振型

綜上所述，驅動橋殼的前6階固有頻率在220～890 Hz之間，振幅在6～12 mm之間。比較兩種模態分析結果，驅動橋在自由模態和約束模態下的頻率與振型基本相同。但在實際工作過程中，由于橋殼要承受來自地面的力和力矩，所以其頻率和振型也會受到輕微的干擾，但基本可以忽略不計。

貨車在正常行駛過程中，路面激振是引起車橋出現共振并疲勞失效的重要因素，而路面激振頻率一般為0～50 Hz[10]，從表3和表4可看出，貨車的驅動橋殼前6階的固有頻率遠大于此范圍，說明驅動橋殼在低階頻率正常行駛時不會產生共振。但因為在前3階頻率下，橋殼發生了變形與扭轉，可能導致橋殼無法正常工作，所以后期的優化調整應集中改進變形和應力最大的橋殼位置結構。

5 結論

（1）采用UG軟件建立了某型貨車驅動橋殼的三維幾何模型，再導入到Hypermesh中生成有限元模型，并進行靜力學分析，得到其最大變形出現在橋殼中間位置，為0.216 mm，最大單位變形量為0.118 mm/m，最大應力為45.2 MPa。然后分析得到了驅動橋殼在最大牽引力、最大制動力和最大側向力的三種工況下的最大變形和最大應力分別為0.371 mm、0.177 mm、0.351 mm 和 312 MPa、142 MPa、296 MPa，證明了其結構能夠滿足剛度和強度要求；

（2）分析了某型貨車驅動橋殼在自由模態與約束模態下的固有頻率和振型，獲得了驅動橋殼的前6階固有頻率值在220～890 Hz之間，其振幅在6～12 mm之間，證明了驅動橋殼在低階頻率正常行駛時不會產生共振現象。