某汽車底盤2.5t 前軸強度分析

姚 健

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

窄體專用車底盤前軸最大承載能力為2t，已不滿足市場發(fā)展，需開發(fā)一款適合承載能力強、安全系數(shù)高的2.5t 前軸。前軸是前橋總成中重要的工作部件，其壽命直接影響汽車可靠性，前軸強度分析是正向設(shè)計中非常重要的部分，校核前軸的設(shè)計是否滿足使用要求，為后續(xù)設(shè)計提供依據(jù)。準(zhǔn)確合理的建立前軸數(shù)學(xué)模型，是前軸強度分析的基礎(chǔ)。本論文的主要目的就是在經(jīng)初步建立的2.5t 前軸模型基礎(chǔ)上，計算2.5t 前軸強度是否滿足在各種復(fù)雜工況下的使用要求，為產(chǎn)品后續(xù)設(shè)計及改進提供理論依據(jù)，從而降低產(chǎn)品設(shè)計風(fēng)險。

1 建立二維模型

圖1 2.5t 前軸二維圖

2 前軸強度分析計算

2.1 前軸強度分析理論計算所需技術(shù)參數(shù)

對于2.5t 前軸強度分析，主要計算前軸中間位置和板簧托板位置截面的工作應(yīng)力，前軸主要承受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。在進行前軸強度分析之前首先計算相應(yīng)截面的抗彎截面模量和抗扭截面模量。

2.1.1 抗彎截面模量的理論計算

鋼托位置截面參數(shù)：a=25 b=40 c=14 B=130 C=14 h=62 H=90

中間位置截面參數(shù)：a=14 b=74 c=14.5 B=74 C=14.5 h=40 H=69

在計算抗彎截面模量之前，首先要計算形心的位置。

鋼托截面形心到下端的距離：

中間截面形心到下端的距離：y1'=34.5

鋼托截面形心到上端的距離：

鋼托截面形心到上端的距離：

計算垂直方向的慣性矩Iv、Iv'和水平方向的慣性矩Ih、Ih'。

鋼托截面垂直方向的慣性矩Iv：

中間截面垂直方向的慣性矩：Iv'=1631139

鋼托截面水平方向的慣性矩：

中間截面水平方向的慣性矩：Ih'=988438

前軸兩截面處垂直方向的抗彎截面模量Wv、Wv'和水平方向的抗彎截面模量Wh、Wh'。

鋼托截面垂直方向的抗彎截面模量Wv：

中間截面垂直方向的抗彎截面模量Wv'：

鋼托截面水平方向的抗彎截面模量Wh：

中間截面水平方向的抗彎截面模量Wh'：

2.1.2 抗扭截面模量的理論計算

鋼托截面的抗扭截面模量：

Jk——鋼托截面的極慣性矩，mm4；

δ——鋼托截面的矩形的最大寬度，mm。

根據(jù)受力分析，中間截面處承受扭力較小，此處可忽略不計算。

2.2 前軸在制動和側(cè)滑工況下的強度分析

根據(jù)前軸的使用條件，應(yīng)力分析計算主要分為兩種工況：緊急制動和側(cè)滑工況。

2.2.1 在制動工況下的前軸強度分析

制動時前輪承受的制動力Pr和垂向力Z1傳給前軸，使前軸承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。

考慮到制動時汽車質(zhì)量向前橋的轉(zhuǎn)移，則前輪所承受的地面垂向反力為：

前輪所求受的制動力為：

由Z1和Pr對前軸引起的垂向彎矩Mv和水平方向的彎矩Mh在兩鋼板彈簧座之間達最大值，分別為：

制動力Pr還使前軸在主銷孔至鋼板彈簧座之間承受轉(zhuǎn)矩T：

前軸在鋼托附近危險斷面處的彎曲應(yīng)力σw和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ (單位均為MPa)分別為：

在制動工況下，前軸在中間截面附近危險斷面處不受扭曲應(yīng)力，僅受彎曲應(yīng)力(單位為MPa)。

前軸采用40Cr 合金鋼制造，硬度為HR241～285。

2.2.2 在側(cè)滑工況下的前軸強度分析

當(dāng)汽車承受最大側(cè)向力時無縱向力作用，左、右前輪承受的地面垂向反力Z1L、Z1R和側(cè)向反力Y1L、Y1R各不相等，可推出前輪的地面反力(單位都為N)分別為

側(cè)滑時左、右鋼板彈簧對前軸的垂直作用力為：

汽車側(cè)滑時左、右前輪輪轂內(nèi)、外軸承的徑向支承力(單位為N)分別為：

將由式（16）-（19）求得的Z1L、Z1R、Y1L、Y1R代入式（21）-（24）即可求得左、右前輪輪轂內(nèi)軸承對輪轂的徑向支承力S1L、S1R和外軸承對輪轂的徑向支承力S2L、S2R，這樣也就求出了輪轂軸承對輪軸的徑向支承反力。前梁的最大彎矩發(fā)生在側(cè)滑方向一側(cè)拳部的主銷孔處(Ⅰ-Ⅰ剖面處)；而另一例則在板簧座處(Ⅱ-Ⅱ剖面處)，可由下式直接求出：

欲計算主銷孔處的彎曲應(yīng)力，必須先計算出Ⅰ-Ⅰ剖面處的抗彎截面模量WI-I：

在側(cè)滑工況下，前軸不受扭曲應(yīng)力，僅受彎曲應(yīng)力，即可計算出主銷孔的彎曲應(yīng)力σI-I和另一側(cè)鋼托的彎曲應(yīng)力σⅡ-Ⅱ。

3 試驗驗證

依據(jù)《汽車非驅(qū)動類前軸臺架疲勞壽命試驗方法》，將試驗件模擬整車狀態(tài)安裝在試驗臺架上。試驗加載參數(shù)額定載荷為2.5T，試驗力加載載荷下峰值是額定載荷的0.5 倍即1.25T，上峰值是額定載荷的3.5 倍即8.75T。試驗臺作動器沿垂直方向?qū)υ囼灅蛹┘由舷卵h(huán)試驗力，試驗頻率為3Hz。

對三根前軸進行臺架試驗，編號為1#、2#、3#。試驗結(jié)果如下：

表1 前軸臺架試驗結(jié)果

汽車非驅(qū)動類前軸疲勞壽命同時達到B5 不小于30 萬次（或B10 不大于38 萬次）和B50 不小于70 萬次雙指標(biāo)的為合格品，故根據(jù)實驗結(jié)果可知，三根樣件全部合格。

4 結(jié)論

本論文主要研究2.5t 前軸在制動和側(cè)滑工況下受力情況。

（1）在緊急制動工況下，主要分析中間截面和鋼托截面的彎曲應(yīng)力和抗扭應(yīng)力。

（2）在側(cè)滑工況下，主要分析主銷孔和鋼托截面的彎曲應(yīng)力。

通過理論校核和試驗結(jié)果2.5t 前軸滿足使用要求。