某輕型越野車門式驅動橋半浮式半軸設計分析

韓明磊 李媛華 黃超 范春利

摘 要：以某輕型越野車門式驅動橋為例，綜合考慮實車使用狀態及載荷譜數據確定了半浮式半軸的加載工況。對三種不同的輪邊結構分別進行了結構分析、應力分析、撓度分析及安全系數計算，提出了一種門式驅動橋用半浮式半軸的計算方法，并通過有限元驗證，將結果應用于實際，后期將進行臺架試驗及道路試驗驗證。

關鍵詞：半浮式半軸；門式驅動橋；計算方法

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：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

門式驅動橋由于其獨特的優點廣泛應用于越野車、低地板客車等對離地間隙要求苛刻的車輛，以某獨立懸架越野車為例，門式驅動橋主要由主減速器、輪邊驅動軸、輪邊減速器等組成。根據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構，其中全浮式半軸工作中僅承受轉矩而不承受彎矩，承載能力高，工作可靠，適用于中型及以上車輛；半浮式半軸結構簡單緊湊、總成零件少，但工作中不僅承受轉矩而且承受車輪作用的垂向載荷、縱向載荷和側向載荷，受力比較復雜，主要應用于中型及以下車輛。

某輕型越野車采用獨立懸架、門式輪邊減速驅動橋，由于主銷偏置距對轉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，整車對主銷偏置距和總成重量提出了較嚴格的要求。全浮式半軸輪邊結構和常規半浮式半軸輪邊結構均無法滿足該輕型越野車的使用要求。

為了滿足整車使用要求，進一步減小輪邊的軸向空間，某輕型越野車門式驅動橋將從動圓柱齒輪與半浮式半軸做為一體結構，提出三種不同的半浮式半軸結構，見圖1～圖3。結構一將兩個圓錐滾子軸承布置在從動圓柱齒輪兩側作為輪轂軸承，輪轂與半軸采用花鍵連接；結構二將兩個圓錐滾子軸承布置在從動圓柱齒輪外側作為輪轂軸承；結構三在結構二的基礎上增加導向軸承，增加系統剛性。改進后三種結構減少了零件數量，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主銷偏置距和總成重量的要求。

根據某輕型越野車門式驅動橋的整體布局，考慮驅動橋的使用條件和載荷工況，進行輪邊減速器總成設計時，應首先初選半浮式半軸的桿部直徑，然后進行強度校核計算。

1 半浮式半軸力學分析

1.1 建立力學模型

以結構三為例，汽車行駛中輪邊減速器總成主要承受以下幾種力：一是主、從動圓柱齒輪產生的切向力X1、軸向力Y1和徑向力Z1，二是輪胎產生的縱向力X2、側向力Y2和垂向力Z2，如圖4所示。其中，主、從動圓柱齒輪力直接作用于半軸上，切向力X1產生汽車行駛的驅動力，切向力X1、軸向力Y1和徑向力Z1通過軸承傳遞到殼體上；輪胎縱向力X2產生汽車行駛的阻力矩，側向力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雜，對半浮式半軸進行力學分析時應綜合考慮各種力及彎矩或轉矩對半軸的影響。

1.2 載荷的確定

半浮式半軸理論計算經驗較少，文獻1提供了一種半浮式半軸的計算方法，提出三種可能的載荷工況：一是縱向力（驅動力或制動力）最大，此時沒有側向力作用；二是側向力最大（車輛側滑時），此時沒有縱向力作用；三是垂向力最大（車輛高速通過不平路面時），此時不考慮縱向力和側向力的作用。該方法通過對半軸進行簡化求解其彎曲應力，對于整個輪邊系統來說可以求解輪轂軸承受力、半軸最大彎矩等，但該計算方法并不能反映半軸的危險點、變形趨勢等，且計算工況較少，沒有考慮疲勞載荷工況，不能反映越野車半浮式半軸的實際使用狀態。根據某輕型越野車使用工況，確定載荷條件時應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量扭矩可以按照文獻1提供的常規計算方法綜合確定。

1.2.2 彎矩

通過對輕型越野車的載荷譜進行轉化，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，該載荷通過輪轂直接傳遞給半軸，然后通過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算工況，進行靜強度和疲勞強度計算，但該載荷條件并沒有考慮齒輪的切向力、軸向力和徑向力，以及輪胎驅動力或制動力產生的扭矩和彎矩。

（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化，并不能實際反映越野車的實際使用工況，根據越野車使用條件，在以上載荷條件的基礎上，增加半浮式半軸的彎扭組合工況：靜強度計算時增加越障工況（此時半軸承受最大的扭矩）和緊急制動工況，疲勞強度計算時增加日常行駛工況，見表3和表4。

1.3 受力分析計算

1.3.1 靜強度分析

根據材料力學知識，將半軸簡化為梁結構，分別對半軸進行受力分析、彎矩分析、扭矩分析和變形分析，計算結果見圖5～圖7。靜強度計算結果表明：

①各工況下三種結構的軸承靜安全系數和半軸靜安全系數均大于1（半軸安全系數相近，危險點位置不同），能夠滿足使用要求。

②靜強度工況1～工況5均在輪胎處加載，由于懸臂梁的結構，三種結構的危險點位置相近，半軸和軸承安全系數以及最大變形位置均沒有較大差別，部分工況下結構三的軸承受力較小。

③靜強度工況6在齒輪處和輪胎處同時加載，此時結構三的靜不定結構使得軸承的受力更均勻，軸承安全系數大于結構一和結構二，且最大撓度比結構一小32%。比結構二小15%。

④靜強度工況2下，三種結構的半軸和軸承的受力均達到最大，危險點位于輪轂與半軸花鍵連接處，變形也最大，由于結構一的懸臂較長，其最大撓度比結構二和結構三大較多。

⑤彎扭工況（工況6和工況7）下，半軸受力比其他工況大，安全系數較低。

1.3.2 疲勞強度分析

半軸在日常行駛過程中承受周期性的或隨機性的交變載荷，疲勞是其最常見的失效方式，對半軸進行疲勞強度計算時，可以根據不同的疲勞工況計算其危險點及應力值，然后根據材料S/N曲線或旋轉彎曲疲勞極限預估半軸的安全系數及各軸承的壽命。按照整車20萬㎞壽命計算，半軸和軸承的安全系數見圖8和圖9。疲勞強度計算結果表明：

①疲勞工況下，三種結構的危險點大部分處于輪轂與半軸的連接花鍵處，結構三的靜不定結構能提高系統的剛性，但對系統的疲勞強度貢獻不大。

②側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均較低。

③側向疲勞工況下，結構一中軸承1的安全系數小于1，不滿足整車壽命要求，應進行改進。

2 有限元分析

根據以上計算分析，以結構三為例進行有限元分析計算，計算模型見圖10，約束轉向節上下球頭點及轉向節臂硬點位置，約束主動圓柱齒輪或輪轂的轉動自由度，在輪胎和從動圓柱齒輪分度圓處加載，分別對半軸進行靜強度和疲勞強度計算。

半軸最小靜安全系數和最小疲勞安全系數見圖11和圖12，危險點位于輪轂與軸承接觸位置。由于有限元計算對半軸與輪轂的相對位置進行了簡化，因此計算結果與理論計算基本相符。

3 結論

本文通過對某輕型越野車門式驅動橋進行結構分析，根據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構，并進行了載荷分析、應力分析、撓度分析及安全

系數計算，明確了半浮式半軸的受力狀態及加載工況，提出了一種門式驅動橋用半浮式半軸的設計計算方法。該計算方法基于越野車的載荷譜，綜合考慮了半軸的強度、變形以及輪轂軸承的使用壽命，計算所得危險截面及安全系數與有限元結果基本相符，后續將在臺架試驗及道路試驗進一步進行驗證。

參考文獻

[1] 劉惟信.汽車車橋設計[M]北京.清華大學出版社.2004.

[2] 曲琦.獨立懸架，門式轉向驅動橋及后驅動橋設計分析[J].2009中國汽車工程學會年會論文集，2009，SAE-C2009C120：1331-1340.