試論礦用重型卡車的驅動輪改進和發展

朝魯

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

關鍵詞：重型卡車 驅動輪 改進和發展

隨著我國物流領域的不斷成熟，貨物運輸的社會化分工逐漸明顯，重型卡車在我國的需求量逐漸增多，據資料顯示，從2002年起，我國重型卡車的產銷量開始超過了中型卡車的產銷量。在我國，大量重型卡車的使用環境惡劣，載重量大，并且經常處于超載狀態。這對重卡的工作部件損壞較大，尤其對于驅動橋的損傷更為明顯。汽車的驅動橋殼是汽車上的主要承載構件之一，是幾何形狀較為復雜的零件，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，并經懸架傳給車架（或車身）。其性能直接影響運輸車輛的安全性和可靠性，應具有足夠的強度和剛度，并且要求盡量減小質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，驅動橋殼的強度，剛度，疲勞壽命進行分析，找出相對薄弱的部分，以及其上的應力，變形，失效壽命，為重型卡車的驅動橋殼的優化設計及整車的合理使用提供了正確的依據和參考。

1、 重型卡車驅動橋殼的總體結構

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

汽車在滿載靜止于水平路段時，驅動橋殼可視為一空心梁，兩端經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，而沿兩側輪胎中心線，地面給輪胎以反力G2/2。

2、 基于UG的驅動橋殼數字建模

利用圖解法進行車輛驅動橋殼的設計，計算量大且很復雜，精度不高。而應用計算機的可視化技術和參數化造型及建模能力，在車輛的設計階段進行三維實體建模，可以用參數建立起零件內各特征之間的相互關系。同時，通過設計時設定的關聯參數，實現相關部件的關聯改變，可以有效地減少設計改變的時間及成本，并維護設計的完整性。驅動橋殼的模型的建立，首先要仔細分析橋殼的構成特點，把橋殼劃分成幾個不同的幾何特征區域，根據不同的幾何特征規劃建模方法和建模過程，建立了驅動橋殼的幾何模型。建模的步驟為：創建半軸套管，創建螺栓固定板，創建軸套，創建過渡部分，主體部分建模，創建中間突起部分，求和，邊倒圓，抽殼，創建中間大圓孔，創建加強肋，創建完整車橋。

3 、ANSYS典型分析步驟

ANSYS可以進行各種各樣的分析，從簡單的線性、靜態分析，到復雜的非線性、瞬態分析等，但無論是那種分析，都應遵循以下步驟。

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題名；②定義單元類型；③定義材料屬性；④創建有限元模型。

3.2 加載和求解 在這個步驟中，可進入SOLUYION處理器來完成求解類型定義，分析選項設置，施加載荷，載荷步選項設置，并最終求解。加載和求解步驟可細分為：①定義分析類型和設置分析選項；②施加載荷；③設置載荷步選項；④求解。

3.3 結果后處理 在完成步驟二即有限元計算后，需要查看計算結果。此時，要用后處理器來完成這項工作。

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

4、 驅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，F0=130KN，分別取動載系數2、2.5和3進行壽命分析。殼體下端加強肋處、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。

通過計算得出對數疲勞損傷和對數壽命的最大值與最小值，如表1所示。

相關國家標準：根據中華人民共和國汽車行業標準QC/T534-1999《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》，驅動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗評價指標，取其中值壽命不低于80×104次，最低壽命不得低于50×104次。國家標準要求的疲勞壽命采用的試驗為脈動應力循環（即r=0），對應的最大載荷為2.5倍額定載荷，轉換成r=-1的對稱應力循環時對應的最大載荷為1.875倍額定載荷，按此加載進行有限元分析，最小對數壽命為6.02，即為104.71萬次，滿足國家標準要求。

4.2 載荷為20t時橋殼疲勞壽命分析 此種工況下，F0=200KN，由于隨載荷的增大，外力對橋殼的沖擊力相對減小，此時，分別取動載系數1、1.5和2進行壽命分析。

與載荷13t時的分析相同，在殼體下端加強肋處、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。通過計算，得出對數疲勞損傷和對數壽命的最大值與最小值，如表2所示。

4.3 載荷為30t時橋殼疲勞壽命分析 此種工況下，F0=300KN，分別取動載系數1和1.5進行壽命分析，橋殼對數疲勞損傷云圖如圖2所示。

與載荷13t時的分析相同，在殼體下端加強肋處、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。通過計算，得出對數疲勞損傷和對數壽命的最大值與最小值。本文以額定載重13t的驅動橋殼為例，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對其疲勞壽命進行了分析和計算，得出以下結論：一是由疲勞壽命分析可知：載荷F0越大，同一部位的對數疲勞損傷就越大，對數壽命就越短。對數壽命與軸荷成線性關系。二是由疲勞壽命分析可知：對數疲勞損傷最大的部位發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力循環（相當于最大載荷為2.5倍額定載荷下的脈動應力循環）的最小對數壽命為6.02，即為104.71萬次，滿足國家標準要求。

5、 結論

本文以單軸額定載重13t重型卡車的驅動橋殼為例，利用建模軟件UG對驅動橋殼進行了數字化建模，并利用大型有限元分析軟件ANSYS，對橋殼強度、剛度及疲勞壽命進行了計算和分析，為驅動橋殼優化設計提供了理論依據，為驅動橋殼生產提供了可靠的參考。

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