轉向驅動橋軸叉結構設計及計算分析

竇 聰，孔 豪，張朝陽，郝 恒

轉向驅動橋軸叉結構設計及計算分析

竇 聰，孔 豪，張朝陽，郝 恒

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

軸叉是轉向驅動橋中的關鍵零部件之一，其結構的合理性直接影響到整橋的轉向及承載性能。文章從一款18 t轉向驅動橋軸叉的結構設計、材料選擇、運動校核和計算分析等方面，詳細闡述了軸叉的設計分析過程，并通過有限元分析從模擬仿真方面確定了設計產品的可行性，為相似產品的設計及分析提供了方法和理論支撐。

轉向驅動橋；軸叉結構設計；軸叉輪廓；計算分析

多軸起重機或特種車輛對其匹配橋型要求較高，需部分橋總成具備轉向和驅動功能，通常解決此類問題的方案是使用斷開式主銷和準等速萬向傳動軸，因此，關鍵零部件（軸叉）的設計就尤為重要。軸叉上下端需裝配主銷，內腔需與雙聯萬向傳動軸配合，而雙聯萬向傳動軸在轉向過程中存在左右竄動和位置變化，因此，軸叉在設計過程中需詳細設計內腔及外廓尺寸，本文針對一款18 t轉向驅動橋，根據客戶需求及整橋結構對軸叉進行了詳細設計。

1 軸叉結構設計方案

1.1 常用結構及材料

軸叉型式多樣，最常用的軸叉型式如圖1所示，其結構為開放式，制造簡單、應用廣泛，常用材料為30Mn2[1]。

圖1 軸叉結構

1.2 結構設計過程

依據相配件的結構及運動關系，對軸叉進行建模設計[2]，在設計過程中需重點關注以下兩類間隙變化。

1）軸叉與轉向節在轉向過程中的設計間隙隨轉角的不同會發生變化[3]，而在極限轉角時軸叉外輪廓與轉向節相對間隙最小，具體的間隙如圖2、圖3所示，經分析最小間隙為8 mm，符合要求。

圖2 轉角為0°時軸叉與轉向節的相對位置

圖3 極限轉角時軸叉運動姿態及間隙

2）同樣，軸叉與萬向傳動軸在轉向過程中的間隙也是變化的，極限轉角時，軸叉內輪廓與萬向節間隙相對最小，具體如圖4、圖5所示。經分析最小間隙為14 mm，符合要求。

圖4 轉角為0°時軸叉與傳動軸相對位置

圖5 極限轉角軸叉運動姿態及間隙

2 計算分析過程

2.1 計算參數和有限元分析

依據客戶要求，此款18 t轉向驅動橋匹配的車型為六軸起重機，具體計算參數如表1所示。

表1 分析計算參數表

項目參數 額定扭矩輸出/(Nm)88 000 制動力矩/(Nm)100 000 車輪滾動半徑/m0.721

軸叉選用的材料為30Mn2，調質硬度為22～32 HRC，可知其許用應力為420 MPa。經對軸叉進行有限元分析[4]，其約束模型如圖6所示。

圖6 分析模型

經過分析，兩種工況下應力的具體結果如圖7所示。

圖7 分析結果

由圖7可知，垂向工況和驅動工況的軸叉應力均已超過許用應力，其風險較大，需進一步進行結構優化。

2.2 改進分析

基于上述分析結果，軸叉上端應力較大，而連接上下端主銷的輪廓為變截面設計，與下端相比，上端連接處稍顯薄弱，若需降低應力，應在此處結構設計上進一步優化。而改進優化完后需重新按照本文1.2小節相關內容重新核對配合間隙。

依據軸叉應力分布，對軸叉應力較大處進行結構優化[5]，優化輪廓變截面厚度分布，結合轉向運動關系，保持內腔輪廓不變，僅增加上端外輪廓直徑，具體的優化前后的軸叉數模如圖8所示。

圖8 優化前后軸叉輪廓對比

對優化后的軸叉進行空間校核分析，由于優化軸叉僅變更其輪廓外徑，其余部分并未進行任何改動，因此，需重點核對在極限轉向時優化處與轉向節的間隙，依據上文1.2小節進行校核，具體核對結果如圖9所示，優化處與轉向節間隙較大，也不是軸叉與轉向節的最小間隙。綜上所述，從結構設計來講，此優化方案可行。

圖9 軸叉優化處與轉向節間隙

同時，對優化后的軸叉再次進行有限元分析，具體結果如圖10所示。

圖10 優化后軸叉分析結果

依據圖10結果可知，軸叉計算應力小于許用應力，優化軸叉符合設計要求，可進行試制驗證。

3 結論

轉向驅動橋軸叉的運動較為復雜，在設計建模過程中，需充分考慮其與轉向節、雙聯萬向傳動軸的運動間隙，同時，通過有限元分析從模擬仿真方面確定設計產品的可行性，此方法可進一步提升設計產品的成功率，減少開發時間和成本。

[1] 約森·萊姆佩爾.懸架元件及底盤力學[M].北京:吉林科學技術出版社,2000.

[2] 余紀邦.淺談輕型載貨汽車車架開發的幾個問題[J].汽車實用技術,2021,46(18):67-70.

[3] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4] 田萌.多材料結構汽車車身的輕量化設計研究[J].汽車實用技術[J].2021,46(17):134-136.

[5] 連文香.汽車門把手結構優化設計[J].汽車實用技術, 2022,47(3):95-99.

Structural Design and Computational Analysis of Shaft Fort for the Steering Drive Axle

DOU Cong, KONG Hao, ZHANG Zhaoyang, HAO Heng

( Shaanxi Hande Axle Company Limited, Xi'an 710201, China )

The shaft fork is one of the key components in the steering drive axle, and its structure rationality directly affects the steering and bearing performance of the whole axle.From the structural design, material selection, motion check and calculation analysis of an 18t steering drive axle shaft fork, the paper expounds the design and analysis process of the shaft fork in detail, and determines the feasibility of the design product from the simulation aspect through finite element analysis,which provides the method and theoretical support for the design and analysis of similar products.

Steering drive axle; Shaft fork structural design;Shaft fork outline;Computational Analysis

U463.218+.7

A

1671-7988(2023)12-77-03

竇聰（1987－），女，碩士，工程師，研究方向為車橋開發，E-mail:doucong_8790@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.015