某輕型越野車門式驅(qū)動(dòng)橋半浮式半軸設(shè)計(jì)分析

韓明磊 李媛華 黃超 范春利

摘 要：以某輕型越野車門式驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔C合考慮實(shí)車使用狀態(tài)及載荷譜數(shù)據(jù)確定了半浮式半軸的加載工況。對(duì)三種不同的輪邊結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、應(yīng)力分析、撓度分析及安全系數(shù)計(jì)算，提出了一種門式驅(qū)動(dòng)橋用半浮式半軸的計(jì)算方法，并通過(guò)有限元驗(yàn)證，將結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際，后期將進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：半浮式半軸；門式驅(qū)動(dòng)橋；計(jì)算方法

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-58-04

Abstract： Taking a light off-road door type drive axle as an example， set up the loading condition of the semi-floating axle shaft by considering the actual vehicle's use state and load spectrum. The structure analysis， stress analysis， deflection analysis and safety coefficient calculation of three different wheel side structures are carried out， and a semi floating semi axle for the door type drive axle is proposed. The finite element method is applied to verify the results， and the results will be verified by bench test and road test.

Keywords： semi-floating axle shaft； door type drive axle； computing method

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-58-04

前言

門式驅(qū)動(dòng)橋由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于越野車、低地板客車等對(duì)離地間隙要求苛刻的車輛，以某獨(dú)立懸架越野車為例，門式驅(qū)動(dòng)橋主要由主減速器、輪邊驅(qū)動(dòng)軸、輪邊減速器等組成。根據(jù)輪邊半軸的支承型式，輪邊減速器可以分為全浮式半軸和半浮式半軸結(jié)構(gòu)，其中全浮式半軸工作中僅承受轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩，承載能力高，工作可靠，適用于中型及以上車輛；半浮式半軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、總成零件少，但工作中不僅承受轉(zhuǎn)矩而且承受車輪作用的垂向載荷、縱向載荷和側(cè)向載荷，受力比較復(fù)雜，主要應(yīng)用于中型及以下車輛。

某輕型越野車采用獨(dú)立懸架、門式輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋，由于主銷偏置距對(duì)轉(zhuǎn)向回正力矩及整車操控性影響較大，且受到重量及布置空間的限制，整車對(duì)主銷偏置距和總成重量提出了較嚴(yán)格的要求。全浮式半軸輪邊結(jié)構(gòu)和常規(guī)半浮式半軸輪邊結(jié)構(gòu)均無(wú)法滿足該輕型越野車的使用要求。

為了滿足整車使用要求，進(jìn)一步減小輪邊的軸向空間，某輕型越野車門式驅(qū)動(dòng)橋?qū)膭?dòng)圓柱齒輪與半浮式半軸做為一體結(jié)構(gòu)，提出三種不同的半浮式半軸結(jié)構(gòu)，見圖1～圖3。結(jié)構(gòu)一將兩個(gè)圓錐滾子軸承布置在從動(dòng)圓柱齒輪兩側(cè)作為輪轂軸承，輪轂與半軸采用花鍵連接；結(jié)構(gòu)二將兩個(gè)圓錐滾子軸承布置在從動(dòng)圓柱齒輪外側(cè)作為輪轂軸承；結(jié)構(gòu)三在結(jié)構(gòu)二的基礎(chǔ)上增加導(dǎo)向軸承，增加系統(tǒng)剛性。改進(jìn)后三種結(jié)構(gòu)減少了零件數(shù)量，降低了總成重量，大大壓縮了輪邊減速器的軸向空間，均可滿足該輕型越野車對(duì)主銷偏置距和總成重量的要求。

根據(jù)某輕型越野車門式驅(qū)動(dòng)橋的整體布局，考慮驅(qū)動(dòng)橋的使用條件和載荷工況，進(jìn)行輪邊減速器總成設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先初選半浮式半軸的桿部直徑，然后進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。

1 半浮式半軸力學(xué)分析

1.1 建立力學(xué)模型

以結(jié)構(gòu)三為例，汽車行駛中輪邊減速器總成主要承受以下幾種力：一是主、從動(dòng)圓柱齒輪產(chǎn)生的切向力X1、軸向力Y1和徑向力Z1，二是輪胎產(chǎn)生的縱向力X2、側(cè)向力Y2和垂向力Z2，如圖4所示。其中，主、從動(dòng)圓柱齒輪力直接作用于半軸上，切向力X1產(chǎn)生汽車行駛的驅(qū)動(dòng)力，切向力X1、軸向力Y1和徑向力Z1通過(guò)軸承傳遞到殼體上；輪胎縱向力X2產(chǎn)生汽車行駛的阻力矩，側(cè)向力Y2、垂向力Z2引起的彎矩分別作用在半軸上。由于半浮式半軸受力復(fù)雜，對(duì)半浮式半軸進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)應(yīng)綜合考慮各種力及彎矩或轉(zhuǎn)矩對(duì)半軸的影響。

1.2 載荷的確定

半浮式半軸理論計(jì)算經(jīng)驗(yàn)較少，文獻(xiàn)1提供了一種半浮式半軸的計(jì)算方法，提出三種可能的載荷工況：一是縱向力（驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力）最大，此時(shí)沒有側(cè)向力作用；二是側(cè)向力最大（車輛側(cè)滑時(shí)），此時(shí)沒有縱向力作用；三是垂向力最大（車輛高速通過(guò)不平路面時(shí)），此時(shí)不考慮縱向力和側(cè)向力的作用。該方法通過(guò)對(duì)半軸進(jìn)行簡(jiǎn)化求解其彎曲應(yīng)力，對(duì)于整個(gè)輪邊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以求解輪轂軸承受力、半軸最大彎矩等，但該計(jì)算方法并不能反映半軸的危險(xiǎn)點(diǎn)、變形趨勢(shì)等，且計(jì)算工況較少，沒有考慮疲勞載荷工況，不能反映越野車半浮式半軸的實(shí)際使用狀態(tài)。根據(jù)某輕型越野車使用工況，確定載荷條件時(shí)應(yīng)綜合考慮半浮式半軸在極限工況和疲勞工況下承受的力、彎矩以及扭矩。

1.2.1 扭矩

半浮式半軸的最大扭矩及當(dāng)量扭矩可以按照文獻(xiàn)1提供的常規(guī)計(jì)算方法綜合確定。

1.2.2 彎矩

通過(guò)對(duì)輕型越野車的載荷譜進(jìn)行轉(zhuǎn)化，確定了其輪邊減速器的五種極限工況和三種疲勞工況，見表1和表2。該極限工況和疲勞工況，主要考慮了輪胎傳遞的載荷，該載荷通過(guò)輪轂直接傳遞給半軸，然后通過(guò)輪轂軸承傳遞給殼體及懸架。這幾種工況可以直接移植到半浮式半軸的計(jì)算工況，進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算，但該載荷條件并沒有考慮齒輪的切向力、軸向力和徑向力，以及輪胎驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力產(chǎn)生的扭矩和彎矩。

（3）彎扭組合

由于表1和表2的加載條件均是基于輪胎載荷的轉(zhuǎn)化，并不能實(shí)際反映越野車的實(shí)際使用工況，根據(jù)越野車使用條件，在以上載荷條件的基礎(chǔ)上，增加半浮式半軸的彎扭組合工況：靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)增加越障工況（此時(shí)半軸承受最大的扭矩）和緊急制動(dòng)工況，疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)增加日常行駛工況，見表3和表4。

1.3 受力分析計(jì)算

1.3.1 靜強(qiáng)度分析

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，將半軸簡(jiǎn)化為梁結(jié)構(gòu)，分別對(duì)半軸進(jìn)行受力分析、彎矩分析、扭矩分析和變形分析，計(jì)算結(jié)果見圖5～圖7。靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明：

①各工況下三種結(jié)構(gòu)的軸承靜安全系數(shù)和半軸靜安全系數(shù)均大于1（半軸安全系數(shù)相近，危險(xiǎn)點(diǎn)位置不同），能夠滿足使用要求。

②靜強(qiáng)度工況1～工況5均在輪胎處加載，由于懸臂梁的結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)位置相近，半軸和軸承安全系數(shù)以及最大變形位置均沒有較大差別，部分工況下結(jié)構(gòu)三的軸承受力較小。

③靜強(qiáng)度工況6在齒輪處和輪胎處同時(shí)加載，此時(shí)結(jié)構(gòu)三的靜不定結(jié)構(gòu)使得軸承的受力更均勻，軸承安全系數(shù)大于結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二，且最大撓度比結(jié)構(gòu)一小32%。比結(jié)構(gòu)二小15%。

④靜強(qiáng)度工況2下，三種結(jié)構(gòu)的半軸和軸承的受力均達(dá)到最大，危險(xiǎn)點(diǎn)位于輪轂與半軸花鍵連接處，變形也最大，由于結(jié)構(gòu)一的懸臂較長(zhǎng)，其最大撓度比結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)三大較多。

⑤彎扭工況（工況6和工況7）下，半軸受力比其他工況大，安全系數(shù)較低。

1.3.2 疲勞強(qiáng)度分析

半軸在日常行駛過(guò)程中承受周期性的或隨機(jī)性的交變載荷，疲勞是其最常見的失效方式，對(duì)半軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)不同的疲勞工況計(jì)算其危險(xiǎn)點(diǎn)及應(yīng)力值，然后根據(jù)材料S/N曲線或旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限預(yù)估半軸的安全系數(shù)及各軸承的壽命。按照整車20萬(wàn)㎞壽命計(jì)算，半軸和軸承的安全系數(shù)見圖8和圖9。疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明：

①疲勞工況下，三種結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)大部分處于輪轂與半軸的連接花鍵處，結(jié)構(gòu)三的靜不定結(jié)構(gòu)能提高系統(tǒng)的剛性，但對(duì)系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。

②側(cè)向疲勞工況仍然是最惡劣的工況，該工況下軸承及半軸的安全系數(shù)均較低。

③側(cè)向疲勞工況下，結(jié)構(gòu)一中軸承1的安全系數(shù)小于1，不滿足整車壽命要求，應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。

2 有限元分析

根據(jù)以上計(jì)算分析，以結(jié)構(gòu)三為例進(jìn)行有限元分析計(jì)算，計(jì)算模型見圖10，約束轉(zhuǎn)向節(jié)上下球頭點(diǎn)及轉(zhuǎn)向節(jié)臂硬點(diǎn)位置，約束主動(dòng)圓柱齒輪或輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在輪胎和從動(dòng)圓柱齒輪分度圓處加載，分別對(duì)半軸進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算。

半軸最小靜安全系數(shù)和最小疲勞安全系數(shù)見圖11和圖12，危險(xiǎn)點(diǎn)位于輪轂與軸承接觸位置。由于有限元計(jì)算對(duì)半軸與輪轂的相對(duì)位置進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因此計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算基本相符。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某輕型越野車門式驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)整車布置空間及使用要求，提出了三種不同的半浮式半軸輪邊結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了載荷分析、應(yīng)力分析、撓度分析及安全

系數(shù)計(jì)算，明確了半浮式半軸的受力狀態(tài)及加載工況，提出了一種門式驅(qū)動(dòng)橋用半浮式半軸的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。該計(jì)算方法基于越野車的載荷譜，綜合考慮了半軸的強(qiáng)度、變形以及輪轂軸承的使用壽命，計(jì)算所得危險(xiǎn)截面及安全系數(shù)與有限元結(jié)果基本相符，后續(xù)將在臺(tái)架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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