小型輪裝驅(qū)動橋殼的動靜態(tài)性能仿真分析

黃榕清

摘 要： 為了驗證小型輪裝驅(qū)動橋橋殼新型設(shè)計方案的合理性，提出了基于Hyperworks有限元分析方法的橋殼動靜態(tài)性能仿真分析。介紹了靜力仿真中驅(qū)動橋殼體在3種典型工況和動態(tài)性能中約束的模態(tài)。所有的靜動態(tài)性能仿真都采用有限元分析軟件Hyperworks進行，針對仿真的結(jié)果進行分析，確定了小型輪裝驅(qū)動橋橋殼設(shè)計方案。該方案符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 有限元分析； 橋殼； 靜力分析； 模態(tài)分析

中圖分類號： TH 16 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）06-0095-04

0 引 言

小型輪裝驅(qū)動橋位于傳動系統(tǒng)的末端，其基本功能是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩分配給左右驅(qū)動車輪，并使左右驅(qū)動車輪具有行駛運動學(xué)所要求的差速功能，同時驅(qū)動橋還要承受作用于路面和車架之間的垂直力、縱向力、橫向力及其力矩。驅(qū)動橋由主傳動器、差速器、半軸、驅(qū)動橋殼和行星式輪邊減速器等組成。由于輪裝工作狀況惡劣，橋殼受力復(fù)雜，既要承受整車的重量，又要把車輪所承受的牽引力、制動力、橫向力傳給車架，所以必須保證橋殼有足夠的強度和剛度[1-2]。因此，為了驗證小型輪裝驅(qū)動橋橋殼新型設(shè)計方案的合理性，本文提出了基于Hyperworks有限元分析方法的橋殼動靜態(tài)性能仿真分析。

1 裝載機三種工況分析

裝載機的工況和運動狀態(tài)是復(fù)雜多變的，在實際行駛過程中的工況極其復(fù)雜，目前較多研究集中在以下3種典型的計算工況：通過不平路面最大垂直力工況；滿載運行緊急制動工況；鏟斗提升或轉(zhuǎn)斗，后輪離地瞬間的最大牽引力工況。只要在這三種典型工況下，橋殼的強度得到保證，就認(rèn)為該橋殼在裝載機實際的各種行駛條件下是可靠的。

（1）通過不平路面最大垂直力工況。當(dāng)汽車在不平路面上高速行駛時，橋殼除承受靜止?fàn)顟B(tài)下那部分載荷外，還承受附加的沖擊載荷。在此工況下車橋承受最大鉛垂力。根據(jù)JB/T5928-1991《工程機械驅(qū)動橋臺架試驗方法》取動載系數(shù)K=2.5，則垂向動載荷則取車橋滿載載荷的2.5倍。

（2）滿載緊急制動工況。驅(qū)動橋采用的是單片濕式制動器，通過制動連接在半軸上的摩擦片至橋殼來實現(xiàn)車輛的制動，故此工況亦為極限工況的一種。根據(jù)本橋的具體使用情況，可認(rèn)為此工況定義為：裝載機滿載并以最大牽引力行駛或緊急制動時，車輪承受最大切向力工況。此時橋殼除受力作用外，還存在較大的扭矩。同時由于慣性的存在，裝載機在繼續(xù)駛進的過程中還將會受到慣性制動力的作用。在滿載緊急制動工況下，驅(qū)動前橋受力最為惡劣。

（3）鏟斗提升，后輪離地工況。裝載機以最大水平力鏟掘、翻斗受阻后，后輪離開地面，裝載機在牽引力的作用下向前鏟進，沿水平面運動，鏟斗入料堆，鏟斗對稱水平受力，工作裝置油缸閉鎖。此時作用在裝載機上的力有：裝載機自重，前輪的切線牽引力及其滾動阻力，地面對前車輪的支反力，物料堆對鏟斗的垂直阻力和水平阻力。在此工況下后橋懸空，前橋負(fù)荷遠大于后橋，只需對前橋進行受力分析。此時前輪承受極大地垂直力，橋殼同時受力和轉(zhuǎn)矩的作用。

裝載機整體結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，分析插入、鏟起、舉升、卸載等的作業(yè)過程可知，裝載機初鏟時工作裝置受力較大。在個工作過程中受到的外界載荷不變，主要是物料的質(zhì)量和機構(gòu)自重。由于物料的種類和作業(yè)條件的不同，裝載機工作時鏟斗切削刃受載情況極其復(fù)雜。在此，認(rèn)為載荷沿切削刃均勻分布，并以鏟斗切削刃的中點的集中載荷來代替均布載荷。

2 建立驅(qū)動橋橋殼有限元模型

2.1 橋殼主要是受力情況

小型輪裝驅(qū)動橋和底盤車架的聯(lián)接方式：小型輪裝的機身底盤是通過壓塊與驅(qū)動橋殼體連接，通過4個M18螺栓將紅壓塊和下方的托板鎖合在一起，壓塊和殼體是通過面接觸實現(xiàn)力的傳遞，前橋和后橋各有2塊紅壓板與橋連接。因此，首先將整個車橋視為一個空心簡支梁，計算出橋殼兩端安裝輪胎處所受的力。按傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的橋殼最終應(yīng)以臺架試驗為檢驗標(biāo)準(zhǔn)， 且實踐證明， 當(dāng)設(shè)計的驅(qū)動橋殼滿足其臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)時， 橋殼在汽車各種工況下是可靠的[1]。

通過分析，小型輪裝車身質(zhì)量和工作裝置的掘起力，以及液壓缸在工作裝置提升時對橋殼的反作用力，這3個力的合力通過壓塊壓在橋殼的上表面的一部分區(qū)域。根據(jù)實驗測試得到具體車輛載荷在前、后橋的質(zhì)量分配情況，如表1所示。

表1為小型機提供的具體數(shù)據(jù)，可以看出滿載時，前橋殼受到最大的壓力為1800 kg，即18000 N。但是臺架試驗的垂直彎曲疲勞試驗負(fù)荷需要乘上2.5倍的動載系數(shù)，這樣實際負(fù)荷就為45000 N。

2.2 驅(qū)動橋橋殼網(wǎng)格劃分

一般來說，有限元分析包含以下幾個基本步驟：材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、載荷約束、分析設(shè)置、求解等。其中，在材料設(shè)置時，由于橋殼的實際結(jié)構(gòu)和材料特性比較復(fù)雜 ，在建立其有限元模型時通常都需要進行一些合理的簡化和假設(shè)，包括倒角、圓角、小孔的刪除等，通過查詢機械設(shè)計手冊得出本體材料QT450-10材料屬性[3]，如表2所示。

由于Hyperworks軟件具有強大的網(wǎng)格劃分功能和網(wǎng)格修改功能。通過對模型網(wǎng)格的處理，可以對橋殼進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。因為這里橋殼的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且進行的是靜力和模態(tài)計算，所以這里是劃分四面體的網(wǎng)格劃分。此時利用Hypermesh劃分網(wǎng)格283348個單元，通過采用一般四面體劃分，經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量檢查，指標(biāo)均合格，如圖1所示。

3 橋殼有限元靜力仿真分析

通過對三維實體模型進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，可以得到以下結(jié)果：（1）橋殼受力后部件的應(yīng)力分布狀況，找出應(yīng)力集中的位置和結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，并加以改進；（2）橋殼受力變形后的形狀，即剛度校核，并求解出最大變形量，并判斷該結(jié)構(gòu)是否滿足剛度要求。

不同工況下驅(qū)動橋殼受載情況，本文主要對受載情況較為嚴(yán)峻的前三種典型工況進行分析。經(jīng)過Hyperworks分析后，得到各個工況下橋殼受力與變形的具體情況，根據(jù)QC/T533-1999，驅(qū)動橋殼垂直彎曲剛度試驗評估指標(biāo)要求滿載荷是橋殼每米輪距最大變形量不超過1.5mm/m。橋殼最大等效應(yīng)力須在材料許用范圍內(nèi)。通過圖2中不同層次顏色的變化及側(cè)邊所顯示的數(shù)值，可以清晰了解各工況下橋殼各部分的受力與變形情況，圖2中已將最大變形位置和最大受力位置標(biāo)出。這樣在產(chǎn)品臺架實驗前，分析結(jié)果可作為設(shè)計參考。

圖2為工況1下有限元分析的等效應(yīng)力分布云圖和位移變形云圖。由圖2（a）可以看出，橋殼在該工況下應(yīng)力較大部位主要出現(xiàn)在橋殼與車架聯(lián)接處至輪邊一段的上方。最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架與殼體相交外側(cè)角點處為84.8 MPa，遠小于310 MPa的屈服應(yīng)力極限，在其許用應(yīng)力范圍內(nèi)。由圖2（b）可以看出，橋殼最大位移出現(xiàn)在橋殼最外端，為0.013 mm，每米輪距變形變形量約為0.017 mm/m，小于一般要求的1.5 mm/m，符合國家相關(guān)規(guī)定。故工況1該橋殼具有足夠的強度和剛度。

同理，從工況2和工況3下有限元分析的等效應(yīng)力分布云圖和位移變形云圖可以看出（圖略），橋殼在工況2下應(yīng)力較大部位主要出現(xiàn)在橋殼與車架聯(lián)接處至輪邊一段的上方。最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架與殼體相交外側(cè)角點處，為249 MPa，同樣小于310 MPa的屈服應(yīng)力極限。在其許用應(yīng)力范圍內(nèi)。橋殼最大位移出現(xiàn)在橋殼最外端，為0.045 mm，每米輪距變形變形量約為0.0634 mm/m，遠小于一般要求的1.5 mm/m，符合國家相關(guān)規(guī)定，故工況2該橋殼具有足夠的強度和剛度。橋殼在工況3下應(yīng)力較大部位主要出現(xiàn)在橋殼與車架聯(lián)接處至輪邊一段的上方。最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架與殼體相交外側(cè)角點處，為265.2 MPa，同樣小于310 MPa的屈服應(yīng)力極限，在其許用應(yīng)力范圍內(nèi)。可以看出，橋殼最大位移出現(xiàn)在橋殼最外端，為0.0468 mm，每米輪距變形變形量約為0.066 mm/m，遠小于一般要求的1.5 mm/m[4]，符合國家相關(guān)規(guī)定，故工況3該橋殼具有足夠的強度和剛度。

4 橋殼有限元模態(tài)仿真結(jié)果

一般情況下，提取結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率，利用Hyperworks optistruct計算得到的該橋殼前6階模態(tài)下的頻率值。由于沒有約束橋殼的自由度（結(jié)構(gòu)處于自由懸空狀態(tài)），計算結(jié)果前6階模態(tài)頻率很小幾乎為零，反映的是橋殼的剛體位移。在這里，計算橋殼在約束狀態(tài)下的前6階模態(tài)，具體固有頻率數(shù)值如表3所示。

由于結(jié)構(gòu)的振動可以表達為各階固有振型的線性組合，其中低階的振型對結(jié)構(gòu)的動力影響比高階振型大，因此低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。模態(tài)變形位移量放大5倍后的模態(tài)圖如圖3所示，該圖為一階模態(tài)固有頻率的振型。

由圖3可以看出，同理可得到對應(yīng)于前6階模態(tài)固有頻率的振型，即可以得出在約束條件下的6階模態(tài)的變形情況，由于小型輪裝驅(qū)動橋橋殼相對較小，所以擁有較高的固有頻率，因此本項目產(chǎn)品擁有較好的抗振性能，設(shè)計符合要求。通過分析可知，利用有限元軟件進行仿真分析和計算，可以降低開發(fā)成本，減少試驗次數(shù)，縮短設(shè)計開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，可以進一步進行橋殼動態(tài)應(yīng)力分析，用于掌握其動態(tài)性能、疲勞壽命等，最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)性能，具有非常重要的現(xiàn)實意義[5]。

5 結(jié) 論

本文對橋殼的三維模型進行一定簡化后導(dǎo)入Hyperworks，利用該有限元分析軟件對橋殼在3種典型工況進行的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。從各工況分析的結(jié)果可以看出，各工況下的最大應(yīng)力均在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，因此可以判斷該結(jié)構(gòu)的橋殼具有足夠的強度。橋殼最大位移均位于驅(qū)動橋兩端，且每米輪距變形量都小于1.5 mm/m，由此可以判斷該結(jié)構(gòu)橋殼具有足夠的剛度。在三種分析工況中，鏟取工況下的受力情況最為惡劣。并且在對橋殼進行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，模態(tài)分析數(shù)據(jù)均大于1100 Hz，說明橋殼擁有很好的振動特性，橋殼的設(shè)計較為理想。

參考文獻：

[1] 龍慧，陳文吉，歐恒安. 裝載機前驅(qū)動橋殼有限元分析[J]. 工程機械，1995（11）：5-10.

[2] 羊玢，郁舒蘭，涂潔平，等. 裝載機驅(qū)動橋殼有限元分析[J]. 工程機械，2008（39）：37-40.

[3] 朱森第. 機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[4] 朱軼. 基于Hypermesh的商用車驅(qū)動橋殼有限元分析[J]. 電腦知識與技術(shù)，2009，5（15）；4054-4055.

[5] 王立華，李潤方，林騰蛟，等. 新型高摩擦式防滑差速器的運動幾何分析[J]. 機械研究與應(yīng)用，2005，18（4）：25-27.

Abstract： In order to verify the rationality of the new design scheme of the drive axle housing in min wheel loader， the static performance simulation analysis method of axle housing is presented based on the Hyperworks finite element analysis. The model analysis of the driving axle housing in 3kinds of typical operating conditions and dynamic performance is mainly introduced. All static and dynamic performance simulation is carried out by using the Hyperworks. According to the results of the simulation analysis， the design scheme of drive axle housing is determined to meet the design requirements for mini wheel loader.

Key words： finite element analysis； axle housing； static analysis； model analysis

（責(zé)任編輯：徐興華）