某UTV 全地形越野車后橋箱體結構分析

楊方媛，李 冬，王利娟

（1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶400041；2.中國電建集團成都電力金具有限公司，成都610100；3.重慶理工大學 車輛工程學院，重慶400054）

0 前言

UTV（（Utility Vehicles），即全地形越野車。最開始UTV 是以農業和林業生產使用為主，目前多為越野愛好者使用。其結構屬于半封閉式駕駛室，有方向盤，后部有開放式車箱，相比以前，現在的車型在動力和安全性上都有所提升，包括增加了防滾架、賽車座椅、多點式安全帶等。同時，也進一步提高了舒適性。但是，由于目前UTV 戶外娛樂使用較多，工作環境多為山區叢林、沙灘等，較為惡劣，常常會出現箱體出現裂紋等情況，給用戶體驗帶來了危險，因此本文通過有限元法對箱體結構進行分析，研究其應力分布情況，從設計初期對結構進行加強。

1 有限元模型建立

UTV 工作條件較為惡劣，發動機傳輸動力到箱體，箱體內部通過復雜的齒輪對傳動，將動力傳輸至軸，最后通過軸將動力傳輸至后橋。由于箱體內部包含齒輪、軸承以及軸等傳動零件，并使它們保證正常的運動關系及運動精度，此外，箱體內部結構設計還必須能夠儲存潤滑劑，同時保證密封性，因此箱體結構復雜，常見的箱體結構如圖1 所示。

圖1 箱體結構圖

在建模之前對模型進行合理的簡化十分必要[1]。有限元模型的準確度將會對求解速度和分析結果的精度產生很大的影響[2，3]。比如，將螺栓聯接簡化為梁單元，通過后箱體輸入扭矩進行傳動計算，求解出齒輪受力分析，再根據機械設計中軸承設計理論計算軸承所受載荷，將其加載至箱體中軸承支承面。在本文中，其中網格單元類型選擇四面體單元，前后箱體的材料均為ZL108，該材料抗拉強度σb= 255 MPa，考慮疲勞強度，許用應力值取50 MPa。結構強度合格的判斷依據為：結構最大應力材料許用應力[4，5]。

本研究中，發動機曲軸最大扭矩為55.6 N·m/4 500 r/min，綜合考慮CVT（無極變速器Continuously Variable Transmission）及主副軸的傳動效率（CVT 的傳動效率取85%），根據UTV 的后驅運行工況，得出：后箱體的輸入扭矩為547 N·m，前箱體的輸入扭矩為273.5 N·m。前后箱體的齒輪參數如表所示：

表1 弧齒錐齒輪的基本參數表

建立的箱體FE 模型如圖2 所示：

圖2 箱體FE 模型

2 箱體齒輪與軸承受力計算

前后箱體中采用的齒輪是弧齒錐齒輪。弧齒錐齒輪的齒面有凸齒面及凹齒面，工作面不同，輪齒所受的作用力也不同。在本模型中，驅動齒輪采用的是左旋（L）小齒輪，被動齒輪采用的是右旋（R）大齒輪。前后箱體中齒輪的旋轉方向及輪齒的受力分析如圖3、表2、表3 所示。

圖3 弧齒錐齒輪的旋轉方向及輪齒受力分析圖

表2 箱體的齒輪受力分析表

表3 后驅工況下齒輪受力分析計算表

后驅工況下正常行駛時，主動軸逆時針旋轉，驅動小齒輪左旋（L），輪齒面凸面嚙合，CVT 發動機有四個檔位，L（加力檔）、H（前進檔）、N（空檔）、R（倒檔），前進時最大扭矩應該用L 檔減速比計算，倒車時應該用R 檔減速比計算，主動軸及從動軸軸承的受力分析計算如表4 所示。

表4 后驅工況下前進時軸承的受力分析計算表

后驅倒車工況時，主動軸順時針旋轉，驅動小齒輪左旋（L），輪齒面為凹面嚙合，主動軸及從動軸軸承（軸承為標準件，在箱體中僅起到支撐軸的作用，本文分析對象為箱體殼體結構，故在圖1 中給出箱體結構）的受力分析計算如表5 所示。

表5 后驅工況下倒車時軸承的受力分析計算表

3 分析結果

后驅工況下只有后輪驅動，箱體的輸入扭矩為547 N·m，故后驅時對后箱體進行強度分析。分析結果如圖4 與圖5 所示。

圖4 前進時后箱體分析結

圖5 倒車時后箱體分析結果

圖4 中關中重部位的最大應力值為80 MPa，且安裝孔附近的應力值達210 MPa，圖5 中關重最大應力值為62 MPa，且安裝孔附近的應力值達200 MPa，大于許用應力值50 MPa，強度不合格。

4 優化方案

針對以上箱體分析結果，對箱體結構進行局部加強筋設計，具體優化方案如圖6 所示。

圖6 后箱體優化方案

圖6 中，左邊圖中加強筋布置位置如圖紅色圈內所示，加強筋厚度為4 mm，右邊圖中加強筋改進方案為將圖示中加強筋延長至安裝孔端面，并且加強筋厚度由2.8 mm 增加至4 mm。優化分析結果如圖7 所示。

與原結構箱體應力值相比，圖7 中關中重部位的最大應力值由80 MPa 下降為55 MPa，且安裝孔附近的應力值由210 MPa 下降至170 MPa，圖8 中關重最大應力值由62 MPa 下降為47 MPa，且安裝孔附近的應力值由200 MPa 下降為111 MPa，比原結構應力值大幅度下降，表明優化方案合理。

圖8 優化倒車時分析結果

5 結束語

本文采用有限元數值模擬方法，對UTV 全地形越野車后橋箱體在后驅工況下進行了結構分析，并基于分析結果對原結構進行結構優化，總結如下：

（1）UTV 全地形越野車工作環境較為復雜，需要對后驅與四驅工況均進行評價，本文只考慮了后驅前進與倒車兩個工況，需要進一步改進。

（2）后驅前進與倒車兩個工況下，箱體應力值大于許用應力，箱體強度不合格。

（3）對箱體結構進行局部加強，優化方案分析結果表明，應力集中區域應力值減小，優化方案合理。