關于驅動橋半軸結構優化的有限元分析研究

遲豪德 孫瑞峰

摘 要：本文利用有限元分析軟件指導了一款半軸產品的改進設計，優化了半軸結構，為半軸及其他相似零件產品的設計提供了參考，為其他零部件產品的設計及改進提供了思路。

關鍵詞：汽車驅動橋;全浮式半軸;有限元分析; 結構優化

1 現狀說明

有限元數值模擬技術是提升產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的一項有效手段，利用有限元分析校核產品結構的可靠性、優化產品結構、指導產品設計是當下產品設計的主流思想。

半軸位于汽車傳動系統的末端，它將差速器的半軸齒輪與車輪輪轂連接起來。半軸根據其車輪端的支承方式不同，可分為半浮式、3/4浮式和全浮式三種形式。單級減速重卡驅動橋的半軸型式均為全浮式半軸，全浮式半軸只承受傳動系的轉矩而不承受彎矩。作為車橋傳動系統的保險絲，一般將半軸設計為傳動系統內最薄弱的零部件，但若半軸故障過于頻繁，則應考慮半軸能力不足。

某平臺驅動橋全浮式半軸斷裂故障頻繁，故障模式為花鍵過渡部位斷裂。為降低該半軸故障率，利用有限元分析軟件對該半軸結構進行優化，并對各個優化方案進行對比分析，得出符合設計要求的方案。

2 半軸受力計算說明

正車時，力矩由半軸齒輪傳遞至半軸，再帶動輪轂轉動，故需計算半軸齒輪傳遞給半軸的扭矩，其計算轉矩按發動機最大轉矩配以傳動系最低擋傳動比時和驅動車輪在良好路面上開始滑轉時這兩種情況下半軸齒輪作用在半軸上的轉矩的較小值作為半軸的計算轉矩。常規計算時，可使用橋總成額定輸出扭矩的0.6倍作為半軸的計算應力。因該半軸配以不同主機廠，故發動機及輪邊參數難以收集并統一，故采用橋總成額定輸出扭矩乘以0.6的差速器轉矩分配系數得出半軸的計算扭矩。

已知該平臺驅動橋額定輸出扭矩50000N·m，則半軸的扭矩為：50000×0.6=30000N·m。

3 創建有限元模型并求解

半軸材料性能參數如表1所示：

使用三維建模軟件建立四種方案的三維模型，并對模型進行進一步簡化，去掉不必要的倒角及圓角后導入到有限元仿真軟件中設置好材料屬性后，再進行網格劃分，該半軸結構較規則，采用以六面體為主的網格劃分方式，網格尺寸為5mm，得到了網格單元66347個，節點241831個，檢查網格質量合格后，對半軸與輪轂接觸的法蘭面進行全約束，并在花鍵處加計算扭矩。如圖1所示。

4 結論及建議

從分析結果可以看出：

（1）各方案關鍵部位的表面應力均未超出材料表面的抗拉強度極限;

（2）花鍵尾部有銑刀圓角結構的方案1及方案3花鍵與桿部過渡區處的等效應力相較于花鍵尾部沒有銑刀圓角結構的原狀態及方案2下降約6%，說明花鍵尾部有銑刀圓角的結構比無銑刀圓角的結構強度高;

（3）方案1、方案2其桿部與盤部之間無圓柱凸臺結構，僅為R500過渡圓角結構，分析結果證明該結構較原方案及方案3的桿部與盤部之間帶有直徑為64的圓柱凸臺結構的強度低;

（4）方案3中半軸桿部與盤部之間帶有直徑為64的圓柱凸臺結構，花鍵尾部又有銑刀圓角的結構，應力分布更加均勻。

由此可知，半軸桿部在靠近法蘭盤處最好設計一直徑比桿部直徑稍粗的圓柱凸臺，用于加強法蘭盤根部強度，花鍵尾部建議帶有一定半徑的銑刀圓角，有利于降低花鍵與桿部之間過渡區的故障率。

5 結束語

本文通過建立多個方案的半軸三維模型，通過有限元分析軟件對各個方案進行靜力結構分析，得到了不同優化方案對半軸的應力分布結果的影響。通過對各個結果進行對比分析，找到產品結構優化的方向，為半軸及其他產品的優化設計提供了很好的依據。

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