郭正陽 陳琳

摘 要：為驗(yàn)證礦用車驅(qū)動橋橋殼的可靠性，利用靜力學(xué)計(jì)算和有限單元法來對各工況下驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行模擬分析，得到橋殼的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。結(jié)果表明，該礦用車驅(qū)動橋橋殼滿足各工況下的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：礦用車;驅(qū)動橋橋殼;可靠性分析

中圖分類號：U463.218.5;TH123 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)動橋，而驅(qū)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(zhì)量，承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩。驅(qū)動橋同時又是主減速器、差速器及驅(qū)動車輪傳動裝置的外殼。因此，驅(qū)動橋應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度來保證內(nèi)部零件的拆裝調(diào)整[1]。

基于《汽車?yán)碚摗返认嚓P(guān)書籍，為確保驅(qū)動橋工作的安全可靠，驅(qū)動橋橋殼在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)保證強(qiáng)度和剛度要求[1]。因此，對車橋橋殼進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分析，在保證車橋可靠性方面具有非常重要的工程實(shí)際意義。但是，在實(shí)際驗(yàn)證計(jì)算過程中，驅(qū)動橋橋殼運(yùn)行狀況隨路面狀況、行駛條件等千變?nèi)f化，加之橋殼外形復(fù)雜，導(dǎo)致簡單的力學(xué)方法在精確計(jì)算橋殼各處應(yīng)力方面存在較大困難，驅(qū)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(qū)動力及策劃轉(zhuǎn)矩，因此對其強(qiáng)度、抗沖擊性、可靠性有很高的要求[2-3]。為準(zhǔn)確獲得車橋各處應(yīng)力、應(yīng)變情況，引入有限單元法對車橋橋殼進(jìn)行合理分析，可以得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，因此可以用來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的礦用車驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行分析，并驗(yàn)證其可靠性。

2 驅(qū)動橋橋殼強(qiáng)度計(jì)算

在對車橋進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算之前，對橋殼進(jìn)行相應(yīng)的模型簡化（模型簡化依據(jù)劉惟信的《汽車車橋設(shè)計(jì)》），圖1為礦用車驅(qū)動橋橋殼三維模型圖。

對驅(qū)動橋橋殼受力情況進(jìn)行相應(yīng)簡化，整車質(zhì)量通過相應(yīng)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(qū)動橋的危險(xiǎn)截面通常位于驅(qū)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(qū)動橋?qū)Φ孛孑d荷;[gw]為后輪重力，由于較小可忽略不計(jì);[B]為驅(qū)動車輪輪距為，2 800 mm;[S]為驅(qū)動橋兩等效加載點(diǎn)距離，為1 010 mm。

基于上文所述，車輪重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整車滿載重力，故在計(jì)算過程中忽略不計(jì)。

驅(qū)動橋橋殼A、B兩危險(xiǎn)截面處相應(yīng)的靜彎曲應(yīng)力為：

其中：[Wv]為危險(xiǎn)截面處驅(qū)動橋橋殼垂向彎曲截面系數(shù)，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(yīng)力為126.1 MPa。

礦用車驅(qū)動橋橋殼所用材料為ZG35SiMn，材料強(qiáng)度為640 MPa。基于參照標(biāo)準(zhǔn)《汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)方法》（QC/T 533—1999）的規(guī)定，當(dāng)被試車輛作為載貨車使用時，按該驅(qū)動橋載貨的滿載軸荷2.5倍計(jì)算，靜力學(xué)分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

橋殼的受力分析與靜強(qiáng)度計(jì)算，只給出了彈簧座附近一個單一的靜強(qiáng)度驗(yàn)證，不能得到完整的車橋橋殼應(yīng)力分布情況。因此，為對車橋橋殼進(jìn)行精確評估，需要利用有限元分析驗(yàn)證本橋殼設(shè)計(jì)的合理性。

3 三維模型的建立

常規(guī)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(jìn)行車橋有限元分析時所做的假設(shè)為：第一，不考慮焊接處材料特性的變化;第二，橋殼結(jié)構(gòu)的材料為均質(zhì)材料且各向同性。

利用Workbench數(shù)據(jù)輸入接口，導(dǎo)入實(shí)體模型，之后對相應(yīng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文在Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

4 驅(qū)動橋橋殼各工況分析

基于驅(qū)動橋橋殼工作的路況、氣候條件及車輛運(yùn)營狀態(tài)，完全計(jì)算礦用車所有工況下驅(qū)動橋橋殼的應(yīng)力和應(yīng)變情況十分困難。鑒于此，世界各國對驅(qū)動橋安全性能評判標(biāo)準(zhǔn)不一。我國規(guī)定，驅(qū)動橋橋殼評判標(biāo)準(zhǔn)是將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化成三種典型的計(jì)算工況，即當(dāng)車輪承受最大鉛垂力時（當(dāng)汽車滿載并行使于不平路面受沖擊載荷）;當(dāng)車輪承受最大切向力時（當(dāng)汽車滿載并以最大牽引力行駛和緊急制動時）;當(dāng)車輪承受最大側(cè)向力時（當(dāng)汽車滿載側(cè)滑時）。只要在這三種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證，就認(rèn)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(jìn)行分析。