基于仿生學理論的自卸車驅動橋橋殼優化設計

肖鴻飛，范春利，許可，黃超，張娜

摘 要：以某型自卸車驅動橋橋殼設計為例，基于仿生學理論對橋殼后蓋進行輕量化設計，實現降重并提高了橋殼中部離地間隙;橋殼內腔流線設計，降低鑄造難度，提高零件質量;板彈簧座及反作用桿上支架的優化設計減少加工面積，降低能耗。采用Pro/E對橋殼進行三維建模，通過有限元計算與優化前現有模型進行對比分析，優化后的橋殼安全系數滿足使用要求。

關鍵詞：橋殼;仿生學;輕量化;優化設計

中圖分類號：U463.218+.5 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-94-03

Optimization Design of Dump Truck Drive Axle Housing Based on Bionics Theory

Xiao Hongfei， Fan Chunli， Xu Ke， Huang Chao， Zhang Na

（ Commercial Vehicle Development Institute of FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Jilin Changchun 130011 ）

Abstract： Taking the structural design of the driving axle housing of a dump truck as an example， the back cover of the axle housing is lightweight designed based on bionics method， which realizes weight reduction and improves the clearance between the middle and the ground of the axle housing; streamline design of the inner cavity of the axle housing reduces the difficulty of casting and improves the quality of the parts; optimization design of the support on the plate spring seat and reaction bar reduces the increase. Work area， reduce energy consumption. Pro/E is used to build the three-dimensional model of the axle housing. By comparing the finite element calculation with the existing model before optimization， the safety factor of the optimized axle housing meets the requirements of use.

Keywords： Drive axle housing; Bionics; Lightweight; Optimal design

CLC NO.： U463.218+.5 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-94-03

前言

國家交通部門按照標準對車輛重量進行嚴格管制，超載情況減少，車輛趨于輕量化設計。輕量化車輛利于油耗降低、利于多裝貨物。驅動橋作為整車主要動力總成有必要進行輕量化設計，橋殼作為主要的承載件在輕量化設計時一定要保證其可靠性。本文在保證承載可靠的前提下對自卸車鑄造橋殼基于仿生學理論進行優化設計，實現輕量化，達到降低廠家生產成本及用戶用車成本的目的。

1 仿生橋殼設計方法

眾所周知，具有曲線的外形、厚度又很薄、主要承受壓力的結構在建筑上叫薄殼結構，雞蛋就是典型的薄殼結構，見圖1，人用一只手掌不借助外力很難將雞蛋捏碎，當雞蛋均勻受力時，可以承受34.1kg的力，其具有如此大的承受力，是與它特有的蛋形曲線有關。均勻的力來捏雞蛋時，通過拱形蛋殼對力的傳導，作用在雞蛋殼上的大部分力是蛋殼自身之間的縱向擠壓力，而它能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個部分。

圖1 ?典型薄殼結構的雞蛋

圖2 ?橋殼后蓋外形設計

本文將利用雞蛋所具有的相似的形狀和分布狀態，開展基于仿生學理論的驅動橋橋殼優化設計。

2 仿生橋殼輕量化設計

以某型自卸車驅動橋橋殼為例，橋殼中部上下截面采用類似蛋形的橢圓形設計，內腔采用橢球形和橢圓形設計，見圖3和圖4。在保證可靠性的前提下，使壁厚盡量減薄。橋殼壁厚均勻變化，中部最薄，滿足鑄造工藝。內腔流線形狀好，利于鑄造時鐵水流動和清沙，壁厚分布均勻變化。從內腔優化前后狀態對比來看，優化后的橋殼布局均勻，有效減少應力集中的影響，見圖5和圖6。

圖3 ?橋殼中部外形設計 ? ? ?圖4 ?橋殼中部內腔設計

圖5 ?橋殼內腔優化前狀態圖 ? 圖6 ?橋殼內腔優化后狀態圖

橋殼鋼板彈簧座取消內部減重處理，外部進行了優化，減少橋殼加工面積，反作用桿上支架處理方法一致，方斷面壁厚進行減薄處理，整橋優化后模型實現降重約25kg，見圖7。

圖7 ?優化設計后橋殼

3 仿生橋殼有限元計算對比分析

在臺架、垂直、側向、制動幾個工況中，臺架工況最惡劣，以臺架工況進行計算，相關參數見表1。

表1 ?零件材料屬性

邊界條件：

軸荷為16T，輪距1882mm，簧距1040mm，輪胎滾動半徑527mm。

約束：與臺架試驗支撐方式一致，一段簡支，一段滑動支撐，同時橋殼在垂直面內不轉動。

載荷：在鋼板彈簧座施加壓力，大小16T，動載系數2.5。

關鍵位置示意圖見圖8，變形分布、安全系數分布云圖見圖9。

圖8 ?關鍵位置示意圖

圖9 ?橋殼變形分布、安全系數分布云圖

表2 ?各關鍵位置應力計算結果

表3 ?臺架試驗狀況下橋殼的剛度

表4 ?各關鍵位置疲勞安全系數計算結果

由表2、表3和表4對比分析可以看出，橋殼在臺架工況下垂直剛度及滿載時每米輪距最大變形均滿足要求，且橋殼剛度較原始模型有較大提升。

4 結論

本文基于仿生學理論對橋殼進行優化設計，可以實現橋殼輕量化設計。本次優化的橋殼部分屬于材料為鑄鐵的整體橋殼本體，該方法也適用于鑄鋼橋殼及鑄造插管結構橋殼的輕量化設計。

參考文獻

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