汽車全浮式半軸的可靠性優化設計

王洪寶

摘 要：為了優化汽車全浮式半軸結構，從可靠性的角度出發，分析該半軸的扭轉強度、扭轉剛度等多個指標，建立數學模型，通過matlab得到最優解，與傳統的優化設計相比，該方法更可靠與經濟。關鍵詞：可靠性;全浮式半軸;優化設計中圖分類號：U463.2 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）01-137-02

The optimization design of a vehicles float type axle shaft based on reliability?theory

Wang?Hongbao

（ Suzhou Institute of Industrial Technology，?department of automotive engineering，?Jiangsu?Suzhou?215104 ）

Abstract：?To optimize the structure of a vehicle s float type axle shaft，?from the perspective of reliability， a mathematical model?is established by analyzing the strength， stiffness?and other indicators of half shaft. Then the optimal solution is obtained by matlab.?Compared with the traditional optimization design， this method is more reliable and economic.Keywords： reliability; float type axle shaft;?optimization designCLC NO.： U463.2??Document Code： A??Article ID：?1671-7988（2019）01-137-02

1 引言

近年來不斷出現的“斷軸門”^?[1]嚴重影響了人民群眾的生命財產安全，引起了社會大眾對車輛安全的不斷討論。斷軸即斷了半軸，半軸是車輛行駛系統中重要的組成部分，其連接差速器與驅動輪，傳遞扭矩。可分為全浮式半軸、半浮式半軸、3/4浮式半軸。全浮式與半浮式應用較為廣泛，文中主要對全浮式半軸進行優化設計。全浮式半軸的結構特點是外端凸緣用螺釘與輪轂相連，而輪轂又借用兩個圓錐滾子軸承支撐于驅動橋殼的半軸套管上，理論上只承受轉矩，主要用于總質量較大的商用車上。

由于半軸承受較大的載荷，且其工作的可靠性決定了車輛的安全性能，因此需要將可靠性這一重要指標納入商用車半軸的設計，考慮各參量的統計分散性，進行隨機不確定分析^[2]。因此本文在對半軸的扭轉強度與扭轉剛度進行設計的基礎上，同時分析其可靠性，采用最優化算法，得到最優解。

2 全浮式半軸的參數設計

由于半軸所受的扭矩較大，設計為實心圓柱，為降低生產成本，以半軸的質量最低為優化目標，即體積最小，分析半軸的扭轉強度、扭轉剛度、可靠性完成優化。

2.1 半軸的扭轉強度

汽車半軸所受的扭矩T可以按照車輪附著力矩M_j計算^[3]，有

式中G₂—驅動橋最大靜負荷;m₂—負荷轉移系數;r_r—車輪滾動半徑;j—附著系數。

半軸的扭轉切應力^[4]：

其中d為半軸直徑，I_p為半軸斷面的極慣性矩，。

2.2 半軸的扭轉剛度

半軸的扭轉角 ：

式中：d—半軸直徑;l—半軸長度;I_p—半軸斷面極慣性矩;G—材料的切變橫量。

2.3 半軸的可靠性設計

根據應力—強度干涉理論^[5]，以應力極限狀態表示的狀態方程為：

式中：[τ]是許用扭轉切應力，[τ]、T是常量。

g（x）表示半軸的狀態和性能，只有當g（x）?0時，半軸才處于安全狀態。

設半軸的可靠度R=0.9999.則當P{?g（x）?0}?0.9999時，可滿足可靠性條件，即

根據加工誤差和3σ法則，我們取直徑標準差。為隨機變量d的均值，且。

由于，則W，τ也服從正態分布。

由式（5）根據正態分布總體的樣本均值和方差分布可知，符合標準正態分布，即有：

由（6），（7），（9）式得

3 某車半軸的優化設計

該車為一款長途客車，具體參數見表1。

由于該車質量較大，故采用全浮式半軸，查閱相關資料，采用40Cr作為其材料，半軸的許用扭轉切應力[τ]=550MPa，扭轉角剛度為6⁰，切變模量G=81GPa。

該車發動機后置后驅，所以需求后軸的靜載荷。總質量m_a=16500kg，查閱相關資料，該規格汽車滿載時后軸軸荷分配率為65%，輪胎滾動半徑r_r=543mm，后軸負載轉移系數m₂=1.2，在良好的混泥土或瀝青路上附著系數j取0.85。有

3.1 目標函數的確立

取d，l做設計變量，x=[d，l]^T=[x₁，x₂]^T，則目標函數最小。

3.2 約束條件

由式（2）和（10）可得

由式（3）可得

3.3 選擇初值

全浮式半軸直徑初步選取，其中K為直徑系數，取0.205。則d=63mm，l=700mm為初值。

3.4 求解

用matlab優化工具箱^[6]求出最優解，x=[?65.78 800]。

即半軸長度為800mm，直徑為65.78mm。

4 結語

半軸的可靠性關乎汽車行駛安全，為了保證半軸產品的質量，文中通過對半軸的扭轉強度、扭轉剛度以及可靠性進行分析，對某客車全浮式半軸的進行了優化設計，提高了經濟性，增加了可靠性。

參考文獻

[1] 盤點陷斷軸門車型TOP6，如果你的車在里面可要注意[OL].搜狐網，https：//www.sohu.com/a/122922390_576626.

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[3] 王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4]?濮良貴.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5] 張義民，賀向東，劉巧伶，聞邦椿.汽車零部件（軸）的可靠性穩健優化設計[J].中國工程科學，2004.6（4）：67-71.

[6] 趙書蘭.matlab編程與最優化設計應用[M].北京：電子工業出版社，2013.