某越野車驅(qū)動(dòng)橋承載能力設(shè)計(jì)

李文博 陳傳增 居剛

摘 要：文章以某越野商用車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)為例，闡述了驅(qū)動(dòng)橋承載能力的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過(guò)程。驅(qū)動(dòng)橋作為汽車的核心部件之一，接受由變速箱傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，再由齒輪系和半軸將轉(zhuǎn)矩傳遞至輪端，使得車輛可以正常行駛；同時(shí)，橋殼承載了來(lái)自車身的重力，那么驅(qū)動(dòng)橋就同時(shí)起到了承重和承扭的作用；在越野車輛上，驅(qū)動(dòng)橋還要接受來(lái)自轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩，將其轉(zhuǎn)化為輪端的擺動(dòng)，從而起到轉(zhuǎn)向的作用。因此，越野車驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)與普通車輛并無(wú)本質(zhì)不同，但是也有較大的差別，尤其對(duì)于越野商用車而言，合理的設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)橋的承重能力，才能使其更好的發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋；越野車；載荷；力矩；有限元分析

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）12-70-04

Abstract： This paper describes the design and verification of the loading capacity of axle for an off-road vehicle.As an important part of a truck， axle converts engine torque from the gearbox to the wheel end， this allow the vehicle to run normally. At the same time， the shell of axle carries gravity from the body， axle acts as both load bearing and torsion bearing. Axle of off-road vehicle also bears the torque from the steering gear to steer the vehicle. So the axle of an off-road vehicle is not fundamentally different from that of an ordinary vehicle， but it is also quite different. Especially for off-road commercial vehicles， we need to choose the right model and structure， in order to save cost and get the axle work better.

Keywords： axle； off-road vehicle； load； moment； finite element analysis

CLC NO.： U462 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-70-04

引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車具備了眾多用途，普通汽車多用于各級(jí)公路行駛，也可在惡劣路況下使用，但是出現(xiàn)故障的幾率極高，導(dǎo)致無(wú)法保障出勤率。這里就體現(xiàn)出對(duì)越野車輛的需要，越野車具備很多優(yōu)點(diǎn)，如通過(guò)性好，底盤離地間隙大，在越過(guò)溝壕或凹凸路面時(shí)，不至于因底盤損傷而無(wú)法行駛；可靠性好，可以適應(yīng)不同氣候、地形條件下各種路面上的行駛需要；能夠適應(yīng)多種路況，在較差路況甚至是無(wú)路的情況下行駛，那么驅(qū)動(dòng)橋的匹配和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中要求就會(huì)增多，本文即是以某品牌8×8越野車（下文稱本車）所用驅(qū)動(dòng)橋開(kāi)發(fā)過(guò)程為例，對(duì)越野車驅(qū)動(dòng)橋承載能力相關(guān)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的探討。

1 概述

越野車輛使用環(huán)境復(fù)雜，某品牌8×8全驅(qū)越野車采用發(fā)動(dòng)機(jī)前置、非獨(dú)立懸架、分動(dòng)器水平中置的方式進(jìn)行了總體布置，該種布置形式綜合考慮了車輛的承載能力、通過(guò)性能、機(jī)動(dòng)性能等方面，整車爬坡度達(dá)到60%，并能在越野路以平均時(shí)速22km/h快速通過(guò)，在各種路段保持了充足的動(dòng)力性和通過(guò)性，滿足多種野外作業(yè)需要。

2 驅(qū)動(dòng)橋簡(jiǎn)介

驅(qū)動(dòng)橋可按照多種形式進(jìn)行分類，如按照橋殼的形式分類，有斷開(kāi)式和整體式，斷開(kāi)式多配置于獨(dú)立懸架的乘用車，整體式多用于商用車，這里的選擇主要基于成本和功能的平衡，同等承載能力下，采用獨(dú)立懸架的成本要遠(yuǎn)高于非獨(dú)立懸架；按照其減速形式來(lái)區(qū)別，可以分為單級(jí)減速橋、雙級(jí)減速橋，其中，雙級(jí)減速橋有的是在主減處采用齒輪系形成二級(jí)減速，有的是在主減和輪邊設(shè)計(jì)齒輪系形成二級(jí)減速，單級(jí)橋多用于公路高速行駛車輛，雙級(jí)橋多用于承載較大、速度較低的車輛，而一般越野商用車綜合成本、通過(guò)性、承載能力的考慮，多采用雙級(jí)橋。根據(jù)有無(wú)轉(zhuǎn)向作用，還可以分為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和一般的驅(qū)動(dòng)橋，越野商用車根據(jù)需要，在全驅(qū)車輛上也會(huì)采用轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，這同時(shí)兼顧了車輛的越野能力和承載能力。

3 越野車驅(qū)動(dòng)橋的承載能力設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)形式的選擇

本車的驅(qū)動(dòng)形式取決于整車的載荷分配，如本車因適應(yīng)特殊使用需求，整車前段分配的載荷較大，因此選用的雙前橋形式承載；然后整車后段因需要滿足承載和牽引兩種需求，所以配置了雙后橋用于承載后段載荷；另外，本車定位長(zhǎng)期進(jìn)行野外作業(yè)，車輛可能通過(guò)多種復(fù)雜的地形，如通過(guò)泥濘、涉水、坑洼地段，這就需要車輛在單個(gè)或多個(gè)車輪處于懸空或打滑狀態(tài)下，仍然可以保持車輛有足夠的動(dòng)力脫離該區(qū)域，基于該條件要求，采用了全驅(qū)形式，即前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，后橋?yàn)殡p聯(lián)驅(qū)動(dòng)橋，該種配置可以保證車輛在惡劣路況條件下順利通過(guò)。

3.2 驅(qū)動(dòng)橋噸位的選擇

由式①、②、③得出一二軸及雙后軸軸荷。理論計(jì)算軸荷通常作為參考使用，由于現(xiàn)實(shí)情況下材質(zhì)的不均勻性及各項(xiàng)組裝誤差，需要在完成樣車生產(chǎn)時(shí)，進(jìn)行整車質(zhì)心試驗(yàn)確定較為準(zhǔn)確的質(zhì)心位置，從而核算整車上下坡時(shí)各軸軸荷及上裝翻轉(zhuǎn)時(shí)的理論軸荷，確保整車不會(huì)出現(xiàn)翻側(cè)的情況，此處不做贅述。

本車首先根據(jù)上述理論計(jì)算確定了理論軸荷，并根據(jù)理論軸荷進(jìn)行了樣車匹配，然后結(jié)合樣車實(shí)際秤測(cè)最終確定的各軸軸荷，滿載時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)分別為8200、7500、8310、8160（單位：kg），由此數(shù)據(jù)判斷，采用9t橋基本可滿足使用需要，但考慮到本車屬于長(zhǎng)期野外作業(yè)車輛，為確保驅(qū)動(dòng)橋在反復(fù)的沖擊功作用下可以保持良好的質(zhì)量水平，在此按10t橋進(jìn)行了開(kāi)發(fā)匹配。

3.3 驅(qū)動(dòng)橋橋殼承載能力校核

完成驅(qū)動(dòng)橋軸荷計(jì)算及相應(yīng)的橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要確定橋殼的承載能力，保證驅(qū)動(dòng)橋在受各向力時(shí)，盡量減少變形量，參照QC/T534-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》要求，驅(qū)動(dòng)橋每米變形量不得超過(guò)1.5mm。應(yīng)力集中區(qū)域也是校核過(guò)程中需要關(guān)注的方面，否則產(chǎn)品在受到大載荷及反復(fù)沖擊下，容易在應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)異常變形，甚至?xí)霈F(xiàn)彎曲、斷裂，過(guò)去這一過(guò)程需要在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行模擬測(cè)試或者在樣車上進(jìn)行道路試驗(yàn)確定產(chǎn)品強(qiáng)度，周期長(zhǎng)、成本高，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這一過(guò)程可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如果條件允許，可以結(jié)合預(yù)期用途采集路譜進(jìn)行更為精準(zhǔn)的模擬。

本車在設(shè)計(jì)過(guò)程中按照QC/T534-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》對(duì)承載能力進(jìn)行了相應(yīng)分析，模擬過(guò)程采用HYPERWORKS、Abaqus軟件。

分析過(guò)程：

橋殼材料：ZG35CrMo，采用鑄造加工方式，主要為本車驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)更為適合鑄造加工。橋殼采用SOLID單元，螺栓和焊縫采用RBE2單元模擬，分析輸入?yún)?shù)如表1。

結(jié)論：

在工況一下剛度分析：由后橋最大位移云圖來(lái)看，后橋橋殼最大變形為1.003mm，最大變形/輪距為0.48mm/m，小于目標(biāo)值1.5mm/m，最大應(yīng)力175MPa，安全系數(shù)為屈服強(qiáng)度除以最大應(yīng)力等于2.5，該安全系數(shù)數(shù)值大于1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

載工況二下強(qiáng)度分析：由后橋最大應(yīng)變?cè)茍D來(lái)看，后橋橋殼最大塑性應(yīng)變值為0.49%，小于目標(biāo)值2%，消除倒角最大應(yīng)力，橋殼的最大應(yīng)力373MPa小于450MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 轉(zhuǎn)向節(jié)承載能力校核

本車所配置的一二橋?yàn)檗D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，那么在一二橋上就安裝了轉(zhuǎn)向節(jié)，轉(zhuǎn)向節(jié)也是轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋上主要受力件之一，不同于橋殼，轉(zhuǎn)向節(jié)受力較為復(fù)雜，因此其主要載荷的加載采用慣性釋放法進(jìn)行計(jì)算，無(wú)約束。綜合成本、加工工藝方面影響，選用35CrMo材質(zhì)，采用鑄造加工。

模擬過(guò)程中，轉(zhuǎn)向節(jié)采用SOLID單元，螺栓和焊縫采用RBE2單元模擬，分析使用的軟件有HYPERWORKS、Nastran。

即轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品的強(qiáng)度滿足要求且具備一定的安全系數(shù)，從圖9-圖13來(lái)看，在不同工況下的應(yīng)力情況也未出現(xiàn)影響產(chǎn)品壽命的程度，可以應(yīng)用至該驅(qū)動(dòng)橋上。

3.5 橋殼承載能力試驗(yàn)

橋殼的承載能力經(jīng)過(guò)理論計(jì)算及模擬校核后，為了進(jìn)一步確定產(chǎn)品的實(shí)際承載能力，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，這里通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)進(jìn)行了確定，其中臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程如下：

試驗(yàn)項(xiàng)目：垂直彎曲疲勞壽命檢測(cè)、垂直彎曲剛性檢測(cè)

試驗(yàn)輸入條件：

滿載軸荷：PN=10T 輪距：L1=2159mm 簧距：L2=1089mm

試驗(yàn)參數(shù)：檢測(cè)最大載荷Pmax =300 kN，檢測(cè)最小載荷Pmin=100kN，檢測(cè)脈沖頻率4.5Hz

試驗(yàn)執(zhí)行及判定標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)QC/T533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架檢測(cè)方法》、QC/T534-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)》要求。

試驗(yàn)結(jié)果：樣件變形量為1.17mm、0.98mm，最低疲勞壽命為116.4萬(wàn)次，中值疲勞壽命為116.6萬(wàn)次。

試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論：試驗(yàn)項(xiàng)目符合試驗(yàn)判定要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)越野車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)橋在越野車承載能力上的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)的探討，形成以下開(kāi)發(fā)過(guò)程：

（1）針對(duì)用途選取驅(qū)動(dòng)形式，越野車輛以全驅(qū)為優(yōu)先；

（2）綜合成本、性能、通過(guò)性等方面選取驅(qū)動(dòng)橋類別，本車即以非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋作為首選；

（3）結(jié)合理論與樣車承載數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋噸位；

（4）采用FAE分析確定驅(qū)動(dòng)橋橋殼承載能力和應(yīng)力分布狀況，完成理論校核；

（5）通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)最終確定產(chǎn)品的承載能力。

當(dāng)然，理論的設(shè)計(jì)過(guò)程主要在于產(chǎn)品樣車試制前，使其在理論上滿足用途要求，而完成理論校核及試驗(yàn)驗(yàn)證后，理想狀態(tài)下需對(duì)整車進(jìn)行道路試驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也是對(duì)零部件水平進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，本車在完成驅(qū)動(dòng)橋開(kāi)發(fā)后，于越野路行駛6000km，未出現(xiàn)承載能力失效問(wèn)題，證明對(duì)產(chǎn)品承載能力方面的設(shè)計(jì)過(guò)程是較為完善的。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡迪青，梁高福，胡于進(jìn)，李成剛.重型越野車驅(qū)動(dòng)橋智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，

[2] 胡迪青，易建軍，胡于進(jìn)，李成剛.基于模塊化的越野汽車驅(qū)動(dòng)橋方案設(shè)計(jì)及性能綜合評(píng)價(jià)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2000.

[3] 高夢(mèng)熊.地下裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度計(jì)算[J].工程機(jī)械，2002，

[4] 曲補(bǔ)和.地下礦車用驅(qū)動(dòng)橋的國(guó)產(chǎn)[J].山西機(jī)械，1999，

[5] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊(cè)） [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[6] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（下冊(cè)） [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.