某礦用車驅動橋橋殼可靠性分析

郭正陽 陳琳

摘 要：為驗證礦用車驅動橋橋殼的可靠性，利用靜力學計算和有限單元法來對各工況下驅動橋橋殼進行模擬分析，得到橋殼的應力和應變分布情況。結果表明，該礦用車驅動橋橋殼滿足各工況下的設計要求。

關鍵詞：礦用車;驅動橋橋殼;可靠性分析

中圖分類號：U463.218.5;TH123 文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0070-03

Reliability Analysis of Drive Axle Housing of Mine Truck

GUO Zhengyang CHEN Lin

（School of Automotive Engineering， Henan Mechanical and Electrical Vocational College，Zhengzhou Henan 451191）

Abstract： In order to verify the reliability of the driving axle housing of mine truck， the static calculation and finite element method were used to simulate and analyze the driving axle housing under various working conditions， and the stress and strain distribution of the axle housing were obtained. The results show that the axle housing of the driving axle meets the design requirements under various working conditions.

Keywords： mining vehicle;drive axle housing;reliability analysis

1 研究背景

礦用車后橋一般為車輛驅動橋，而驅動橋橋殼是汽車上的主要零部件，支撐車架及其上的各種質量，承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩。驅動橋同時又是主減速器、差速器及驅動車輪傳動裝置的外殼。因此，驅動橋應具有足夠的強度和剛度來保證內部零件的拆裝調整[1]。

基于《汽車理論》等相關書籍，為確保驅動橋工作的安全可靠，驅動橋橋殼在設計過程中應保證強度和剛度要求[1]。因此，對車橋橋殼進行相應的應力、應變分析，在保證車橋可靠性方面具有非常重要的工程實際意義。但是，在實際驗證計算過程中，驅動橋橋殼運行狀況隨路面狀況、行駛條件等千變萬化，加之橋殼外形復雜，導致簡單的力學方法在精確計算橋殼各處應力方面存在較大困難，驅動橋橋殼主要承受懸掛傳來的垂直載荷，同時又承受車輪傳來的驅動力及策劃轉矩，因此對其強度、抗沖擊性、可靠性有很高的要求[2-3]。為準確獲得車橋各處應力、應變情況，引入有限單元法對車橋橋殼進行合理分析，可以得到準確的分析結果，因此可以用來驗證所設計車橋橋殼的安全可靠性。本文采用工程分析軟件ANSYS對某單位所設計的礦用車驅動橋橋殼進行分析，并驗證其可靠性。

2 驅動橋橋殼強度計算

在對車橋進行力學強度計算之前，對橋殼進行相應的模型簡化（模型簡化依據劉惟信的《汽車車橋設計》），圖1為礦用車驅動橋橋殼三維模型圖。

對驅動橋橋殼受力情況進行相應簡化，整車質量通過相應的連接桿件傳遞到車橋橋殼上，地面支撐力則通過輪胎傳遞至橋殼上面。具體受力情況如圖2所示。

驅動橋的危險截面通常位于驅動橋橋殼與車架連接處，即圖2所示等效載荷集中A、B兩斷面處。

A、B兩斷面之間的彎矩為：

其中：[G2]為礦用車滿載靜止水平路面驅動橋對地面載荷;[gw]為后輪重力，由于較小可忽略不計;[B]為驅動車輪輪距為，2 800 mm;[S]為驅動橋兩等效加載點距離，為1 010 mm。

基于上文所述，車輪重力遠遠小于整車滿載重力，故在計算過程中忽略不計。

驅動橋橋殼A、B兩危險截面處相應的靜彎曲應力為：

其中：[Wv]為危險截面處驅動橋橋殼垂向彎曲截面系數，所分析車橋橋殼，[Wv]=1 872 917.5 mm3。

礦用車承載與尺寸情況如表1所示。

由式（2）可得A、B兩斷面處靜彎曲應力為126.1 MPa。

礦用車驅動橋橋殼所用材料為ZG35SiMn，材料強度為640 MPa?；趨⒄諛藴省镀囼寗訕蚺_架試驗方法》（QC/T 533—1999）的規定，當被試車輛作為載貨車使用時，按該驅動橋載貨的滿載軸荷2.5倍計算，靜力學分析結果滿足設計要求。

橋殼的受力分析與靜強度計算，只給出了彈簧座附近一個單一的靜強度驗證，不能得到完整的車橋橋殼應力分布情況。因此，為對車橋橋殼進行精確評估，需要利用有限元分析驗證本橋殼設計的合理性。

3 三維模型的建立

常規有限元分析時，首先需要建立三維模型。建立模型時通常要將研究對象理想化，在進行車橋有限元分析時所做的假設為：第一，不考慮焊接處材料特性的變化;第二，橋殼結構的材料為均質材料且各向同性。

利用Workbench數據輸入接口，導入實體模型，之后對相應模型進行網格劃分，本文在Workbench中進行網格劃分。

4 驅動橋橋殼各工況分析

基于驅動橋橋殼工作的路況、氣候條件及車輛運營狀態，完全計算礦用車所有工況下驅動橋橋殼的應力和應變情況十分困難。鑒于此，世界各國對驅動橋安全性能評判標準不一。我國規定，驅動橋橋殼評判標準是將橋殼復雜的受力狀況簡化成三種典型的計算工況，即當車輪承受最大鉛垂力時（當汽車滿載并行使于不平路面受沖擊載荷）;當車輪承受最大切向力時（當汽車滿載并以最大牽引力行駛和緊急制動時）;當車輪承受最大側向力時（當汽車滿載側滑時）。只要在這三種載荷計算工況下橋殼的強度得到保證，就認為該橋殼在各行駛條件下是可靠的[4]。接下來分別對此三種工況進行分析。