試論礦用重型卡車的驅(qū)動輪改進(jìn)和發(fā)展

朝魯

摘 要：重型卡車驅(qū)動橋殼是車輛中重要的安全部件。本文針對重型汽車的實(shí)際使用工況展開研究，利用有限元分析軟件，對橋殼的強(qiáng)度剛度及壽命進(jìn)行分析，找出了橋殼的幾個危險(xiǎn)工作部位，對于橋殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)及驅(qū)動橋的合理使用，具有重要的理論和實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：重型卡車 驅(qū)動輪 改進(jìn)和發(fā)展

隨著我國物流領(lǐng)域的不斷成熟，貨物運(yùn)輸?shù)纳鐣止ぶ饾u明顯，重型卡車在我國的需求量逐漸增多，據(jù)資料顯示，從2002年起，我國重型卡車的產(chǎn)銷量開始超過了中型卡車的產(chǎn)銷量。在我國，大量重型卡車的使用環(huán)境惡劣，載重量大，并且經(jīng)常處于超載狀態(tài)。這對重卡的工作部件損壞較大，尤其對于驅(qū)動橋的損傷更為明顯。汽車的驅(qū)動橋殼是汽車上的主要承載構(gòu)件之一，是幾何形狀較為復(fù)雜的零件，它是主減速器、差速器、半軸的裝配基體，主要功用是支承汽車重量，并承受由車輪傳來的路面反力和反力矩，并經(jīng)懸架傳給車架（或車身）。其性能直接影響運(yùn)輸車輛的安全性和可靠性，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且要求盡量減小質(zhì)量以提高汽車行駛的平順性。

本文針對重型卡車在不同工況下，驅(qū)動橋殼的強(qiáng)度，剛度，疲勞壽命進(jìn)行分析，找出相對薄弱的部分，以及其上的應(yīng)力，變形，失效壽命，為重型卡車的驅(qū)動橋殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)及整車的合理使用提供了正確的依據(jù)和參考。

1、 重型卡車驅(qū)動橋殼的總體結(jié)構(gòu)

本文主要研究單軸載重量為13t的重型汽車的驅(qū)動橋殼，此重型汽車額定承載時(shí)的總質(zhì)量為320kN，車輪滾動半徑為476mm，輪距為1895mm，質(zhì)心高度為1300mm。所研究的驅(qū)動橋帶有圓柱行星齒輪式輪邊減速器，裝備了強(qiáng)制鎖止式差速器的驅(qū)動橋，本驅(qū)動橋的橋殼結(jié)構(gòu)為鑄造整體式橋殼。

汽車在滿載靜止于水平路段時(shí)，驅(qū)動橋殼可視為一空心梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支撐于車輪上，在鋼板彈簧座處橋殼支撐簧上載荷，而沿兩側(cè)輪胎中心線，地面給輪胎以反力G2/2。

2、 基于UG的驅(qū)動橋殼數(shù)字建模

利用圖解法進(jìn)行車輛驅(qū)動橋殼的設(shè)計(jì)，計(jì)算量大且很復(fù)雜，精度不高。而應(yīng)用計(jì)算機(jī)的可視化技術(shù)和參數(shù)化造型及建模能力，在車輛的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行三維實(shí)體建模，可以用參數(shù)建立起零件內(nèi)各特征之間的相互關(guān)系。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的關(guān)聯(lián)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)部件的關(guān)聯(lián)改變，可以有效地減少設(shè)計(jì)改變的時(shí)間及成本，并維護(hù)設(shè)計(jì)的完整性。驅(qū)動橋殼的模型的建立，首先要仔細(xì)分析橋殼的構(gòu)成特點(diǎn)，把橋殼劃分成幾個不同的幾何特征區(qū)域，根據(jù)不同的幾何特征規(guī)劃建模方法和建模過程，建立了驅(qū)動橋殼的幾何模型。建模的步驟為：創(chuàng)建半軸套管，創(chuàng)建螺栓固定板，創(chuàng)建軸套，創(chuàng)建過渡部分，主體部分建模，創(chuàng)建中間突起部分，求和，邊倒圓，抽殼，創(chuàng)建中間大圓孔，創(chuàng)建加強(qiáng)肋，創(chuàng)建完整車橋。

3 、ANSYS典型分析步驟

ANSYS可以進(jìn)行各種各樣的分析，從簡單的線性、靜態(tài)分析，到復(fù)雜的非線性、瞬態(tài)分析等，但無論是那種分析，都應(yīng)遵循以下步驟。

3.1 建立有限元模型 建立有限元模型的步驟如下：①指定工作文件名和標(biāo)題名；②定義單元類型；③定義材料屬性；④創(chuàng)建有限元模型。

3.2 加載和求解 在這個步驟中，可進(jìn)入SOLUYION處理器來完成求解類型定義，分析選項(xiàng)設(shè)置，施加載荷，載荷步選項(xiàng)設(shè)置，并最終求解。加載和求解步驟可細(xì)分為：①定義分析類型和設(shè)置分析選項(xiàng)；②施加載荷；③設(shè)置載荷步選項(xiàng)；④求解。

3.3 結(jié)果后處理 在完成步驟二即有限元計(jì)算后，需要查看計(jì)算結(jié)果。此時(shí)，要用后處理器來完成這項(xiàng)工作。

通過對驅(qū)動橋殼進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論：①橋殼的總體等效應(yīng)力分布對稱。②殼體、錐體以及半軸套管的等效應(yīng)力和軸向應(yīng)力都集中分布在上下表面，且等效應(yīng)力大小在上下表面對稱，而下表面的軸向應(yīng)力比上表面略大，但是基本還是對稱分布。③等效應(yīng)力最大的部位發(fā)生在錐體部分，其中越接近殼體和法蘭盤的部位等效應(yīng)力越大；軸向應(yīng)力最大的部位發(fā)生在半軸套管靠近法蘭盤的部位。在額定載荷13t、載荷20t、載荷30t工況下，最大等效應(yīng)力值分別為146MPa，225MPa，338MPa，最大軸向應(yīng)力為149MPa，229MPa，345MPa，在許用應(yīng)力范圍300～500MPa之內(nèi)，可以滿足使用要求。④橋殼在載荷為30t時(shí)的變形量最大，為4.46mm，其撓度值為1.12mm/m，小于國家標(biāo)準(zhǔn)。各工況均無殘余變形。

4、 驅(qū)動橋殼疲勞壽命分析

4.1 額定載荷（13t）工況橋殼疲勞壽命分析 此種工況下，F(xiàn)0=130KN，分別取動載系數(shù)2、2.5和3進(jìn)行壽命分析。殼體下端加強(qiáng)肋處、半軸套管連接椎體處及半軸套管與殼體裝配處為橋殼的三個易損傷部位。

通過計(jì)算得出對數(shù)疲勞損傷和對數(shù)壽命的最大值與最小值，如表1所示。

相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T534-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)》，驅(qū)動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)，取其中值壽命不低于80×104次，最低壽命不得低于50×104次。國家標(biāo)準(zhǔn)要求的疲勞壽命采用的試驗(yàn)為脈動應(yīng)力循環(huán)（即r=0），對應(yīng)的最大載荷為2.5倍額定載荷，轉(zhuǎn)換成r=-1的對稱應(yīng)力循環(huán)時(shí)對應(yīng)的最大載荷為1.875倍額定載荷，按此加載進(jìn)行有限元分析，最小對數(shù)壽命為6.02，即為104.71萬次，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 載荷為20t時(shí)橋殼疲勞壽命分析 此種工況下，F(xiàn)0=200KN，由于隨載荷的增大，外力對橋殼的沖擊力相對減小，此時(shí)，分別取動載系數(shù)1、1.5和2進(jìn)行壽命分析。

與載荷13t時(shí)的分析相同，在殼體下端加強(qiáng)肋處、半軸連接椎體處及半軸套管與殼體裝配處為本橋殼的三個易損傷部位。通過計(jì)算，得出對數(shù)疲勞損傷和對數(shù)壽命的最大值與最小值，如表2所示。

4.3 載荷為30t時(shí)橋殼疲勞壽命分析 此種工況下，F(xiàn)0=300KN，分別取動載系數(shù)1和1.5進(jìn)行壽命分析，橋殼對數(shù)疲勞損傷云圖如圖2所示。

與載荷13t時(shí)的分析相同，在殼體下端加強(qiáng)肋處、半軸套管連接椎體處及半軸套管與殼體裝配處為本橋殼的三個易損傷部位。通過計(jì)算，得出對數(shù)疲勞損傷和對數(shù)壽命的最大值與最小值。本文以額定載重13t的驅(qū)動橋殼為例，針對汽車通過不平路面的工況，利用大型有限元分析軟件ANSYS對其疲勞壽命進(jìn)行了分析和計(jì)算，得出以下結(jié)論：一是由疲勞壽命分析可知：載荷F0越大，同一部位的對數(shù)疲勞損傷就越大，對數(shù)壽命就越短。對數(shù)壽命與軸荷成線性關(guān)系。二是由疲勞壽命分析可知：對數(shù)疲勞損傷最大的部位發(fā)生在半軸套管連接錐體處。三是最大載荷為1.875倍額定載荷下對稱應(yīng)力循環(huán)（相當(dāng)于最大載荷為2.5倍額定載荷下的脈動應(yīng)力循環(huán)）的最小對數(shù)壽命為6.02，即為104.71萬次，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5、 結(jié)論

本文以單軸額定載重13t重型卡車的驅(qū)動橋殼為例，利用建模軟件UG對驅(qū)動橋殼進(jìn)行了數(shù)字化建模，并利用大型有限元分析軟件ANSYS，對橋殼強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算和分析，為驅(qū)動橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為驅(qū)動橋殼生產(chǎn)提供了可靠的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬偉眾.汽車橋殼零件制造加工方法[J].工業(yè)技術(shù)，2009， （32）：55-57.

[2]王連東，梁晨，李文平等.脹形汽車橋殼成形理論及其試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（1）：124-138.

[3]王連東，程文冬，梁晨等.汽車橋殼液壓脹形極限成形系數(shù)及脹裂判據(jù)[J].機(jī)械工程報(bào)，2007，43（5）：210-213.

[4]于燕，于英杰，王雪陽.重型載貨車沖焊橋殼疲勞斷裂失效分析[J].汽車工藝與材料，2007，2：24-25.

[5]朱崢濤，丁成輝，吳浪等.江鈴汽車驅(qū)動橋橋殼有限元分析[J].汽車工程，2007，29（10）：896-899.