重型汽车驱动桥壳优化设计探讨

摘 要：重型汽车上有一个非常重要的组成零部件就是车桥，它不但是承载部件还是传力部件，由于重型汽车的行驶路况比较复杂，所以车桥免不了要承受各种各样复杂载荷对它的作用，因此对车桥的强度、刚度和结构的优化研究十分必要。本文利用有限元分析方法对驱动桥壳进行计算分析以及优化。

关键词：重型汽车；驱动桥壳；强度分析；有限元分析

1 引言

我国自1983年引进奥地利斯太尔重型汽车项目以来，重型汽车应用越来越广泛，但是由于重型汽车的工况恶劣，要想保证车桥的安全可靠，就需要在设计时就要对车桥的强度、刚度和疲劳寿命做出要求。传统的计算方法，只能算出桥壳某一断面的应力平均值，而不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。而有限元分析方法可以计算分析出应力与变形的分布情况，应力集中区域和应力变化趋势，及早发现设计的不足，降低设计风险和成本，缩短产品的开发周期。

2 主要研究内容

文章主要的研究内容有：第一步，操作有限元前处理软件对车桥的有限元模型进行建立；第二步，进行荷载的计算；第三步，分析在各种工况下有限元软件的计算结果；第四步，根据有限元分析及计算结果进行结论判断。

3 驱动桥壳的有限元建模

利用UG软件对重型汽车驱动桥壳进行三维实体建模，同时为了有限元分析需要进行简化，但这个简化需要在保证驱动桥壳分析精度的前提下进行：由于很小受力造成的截面突变部分要进行简化，对小的倒角或者是尖锐部分要进行圆滑过渡，对加油口、放油口和固定油管的部分几何特征要进行精简。简化之后的桥壳三维模型导入到ANSYS软件中，几何清理之后进行网格划分。

4 荷载的计算

目前国内外很多同行通常采用按驱动桥壳设计要求的2.5倍满载时垂直轴荷作用下的应力大小来计算疲劳强度。[1]本分析主要针对驱动桥壳计算车桥桥壳载荷工况的五种情况：（1）满载；（2）冲击载荷作用；（3）最大牵引力行驶；（4）紧急制动；（5）最大侧向力。

本节将分析和计算在五种工况下，桥壳结构的受力分布及大小。

1.垂向载荷工况：按最大轴荷计算，另外考虑汽车通过不平路面的动载系数；

①汽车满载工况：

此时，后桥内、外车轮所承受的垂向负荷Fzi、FZO分别为：

Fz=×2.5×mg=×2.5×16000×

9.8=196000N

②冲击载荷作用工况

当汽车在不平路面上高速行驶时，考虑所承受的附加冲击载荷效应，此时，通常取满载静止时所承载荷的2.5倍，即

Fz=×2.5×mg×2.5=×2.5×16000

×9.8×2.5=490000N

2.纵向载荷工况：（一般按牵引力或制动力最大计算其中一种工况即可）

汽车驱动桥承受最大载荷的工况为最大驱动力时和最大制动力时。[2]

①大牵引力行驶工况

汽车以最大牵引力行驶时，后驱动桥受力分析如图2.2。该驱动桥额定输出扭矩为55000Nm，轮胎滚动半径为0.536m；

z方向载荷：

Fz=×1.5×mg=×1.5×16000×9.8

=117600N

x方向载荷：从以下两方面考虑，取较小值：

传动系方面：

M=M额×kt=88000Nm

路面附着条件方面：M=mG×g×kd×m′×

c/′×r=194143Nm

则：Fx=×M÷rk=×88000÷0.536=

82089N

②紧急制动工况

汽车紧急制动时，可不考虑侧向力。图2.3为紧急制动时后驱动桥壳的受力分析简图。图中后桥内、外车轮所承受的垂向负荷Fzi、Fzo分别为：

Fzi=Fzo1==16000×9.8××0.6=

0.47×105N

式中：m′——汽车紧急制动时的质量转移系数，通常取为0.6；

另外，水平方向的纵向力Fx为

FX=m′ψ=×0.6×0.8=

0.38×105N

式中：ψ——轮胎与地面的纵向附着系数，计算时取ψ1=0.8；

3.侧向载荷工况：按侧向力最大计算；

当汽车所承受的侧向力达到地面给轮胎的侧向反作用力的最大值（即附着力）时，汽车处于侧滑的临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，汽车则侧滑。

当汽车转弯时处于侧翻临界状态而与侧滑方向相反的车轮的垂直反力和侧向力等于零，此时汽车外轮的垂直反力和侧向力达到最大值，并且由外轮的内外轴承承担。地面给后桥内、外驱动车轮所承受的垂向力Fzi、Fzo分别为

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——汽车质心高度；

B——后驱动车轮轮距

ψ1——轮胎与地面的侧向附着系数，计算时取ψ1=1.0；

5 计算结果及分析

本节以汽车满载工况为例一一分析在五种工况下有限元软件ANSYS的计算结果：

5.1 汽车满载 切工作

5.1.1 变形分析

图5-1显示桥壳变形前后的对比。从结果可看出，整体的最大变形将发生在桥壳的中间部位，依次向两侧递减。

5.1.2 应力分析

图5-2表示满载时桥壳内的等效应力等值图，由图可知，钢板弹簧座附近的最大等效应力值为26.696MPa，这部分的等效应力在20Mpa左右，同时在桥包到板簧座的过渡区域的应力比较大，最大达到54.2MPa。从桥壳整体结构来看，其大部分部位的应力值只有十幾兆帕，较高的等效应力值出现在钢板弹簧座、桥壳中间凸包的过渡区，在安装轮间差速锁的缺口处最大应力达到105MPa。

通过对桥壳在五种工况下的ANSYS 有限元分析及计算结果，得出如下结论：

1.桥壳轴向最大位移发生在汽车承受最大牵引力载荷作用时，最大垂向最大位移

为1.781mm。

2.桥壳垂向最大位移发生在汽车受冲击载荷作用时，两端与桥包中间的最大相对位移为2.661mm，除以轮距后得每米轮距变形量为1.431mm/m ，此值小于每米轮距最大变形1.5mm/m（QC/T534-1999）的要求。

3.桥壳纵向最大位移发生在汽车以最大牵引力行驶时，两端与中央沿纵向的最大相对位移为2.162mm，轮距后得1.159mm/m，符合（QC/T534-1999）的要求。

4.在冲击载荷作用下，在桥壳钢板弹簧座附近的最大应力为88.053MPa，此值小于桥壳材料ZG270-500 的屈服强度270MPa。在安装差速锁的圆弧过渡区存在应力集中现象，此处的最大应力发生在第三种工况，其最大等效应力为257.12MPa，此值也小于桥壳材料ZG270-500 的屈服强度。

5.在汽车侧翻的临界状况时，轮毂内轴承内侧位置存在着最大应力，其平均值为197MPa，最大等效应力为365.8MPa，最小等效应力为139.7Mpa，皆小于轮毂轴管材料40Cr的屈服强度785MPa。

6 结论

根据以上五点结论可知，桥壳的强度和变形符合设计要求，但在冲击载荷作用下，安装差速锁的圆弧过渡区存在应力集中现象，此处还可以进一步优化。本文通过有限元分析法得出桥壳的应力与变形的分布情况，应力集中区域和应力变化趋势，为改进方案提供了较为可靠的理论计算支持。

参考文献：

[1] 李亮.商用车驱动桥壳疲劳寿命的有限元仿真与实验分析[ J ].机械强度，2008，30（ 3 ） ：503- 507.

[2] 刘惟信.汽车车桥设计[M ].北京：清华大学出版社，2004.