某型貨車驅(qū)動橋殼的靜力學(xué)和模態(tài)分析

姚 奇，沈仙法

（三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南京210012）

0 引言

驅(qū)動橋殼是貨車的重要部件，它的強(qiáng)度和質(zhì)量將直接影響車輛的性能和質(zhì)量。采用傳統(tǒng)方法設(shè)計驅(qū)動橋殼，生產(chǎn)成本高，開發(fā)周期長。同時由于驅(qū)動橋殼形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)方法很難準(zhǔn)確計算出作用在驅(qū)動橋殼各個位置的應(yīng)力和變形，而采用有限元的分析方法將會解決這一不足，并且能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省試驗成本[1-3]。因此，本文將采用有限元法研究某型貨車驅(qū)動橋殼的力學(xué)性能。

1 驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動橋殼是主減速器，差速器和半軸的基礎(chǔ)件與支承機(jī)構(gòu)，并通過車輛的左右半軸與車輪固定，同時支撐車架以上部件的質(zhì)量，將地面通過車輪傳來的力和力矩傳遞給車架。當(dāng)車輛一側(cè)驅(qū)動輪通過高低不平的地面低洼處時，整個驅(qū)動橋和車身都要發(fā)生傾斜與側(cè)偏，車身振動頻率加大，此時要保證車輛安全與可靠，就必須要求驅(qū)動橋殼具有良好的剛度和強(qiáng)度。驅(qū)動橋殼從結(jié)構(gòu)形式上分為整體式與斷開式兩種。根據(jù)某型貨車的使用路況，此次主要針對整體式驅(qū)動橋殼。

在UG中進(jìn)行驅(qū)動橋殼三維建模和裝配，然后進(jìn)行約束驗證和干涉測試，其三維模型如圖1所示。

圖1 驅(qū)動橋殼三維模型

2 驅(qū)動橋殼靜力學(xué)分析

2.1 有限元模型

為了節(jié)省有限元分析時間，對螺紋孔、放油孔和小倒角等不重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化和刪除，以達(dá)到最佳計算和分析結(jié)果，再導(dǎo)入Hypermesh有限元分析軟件中進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置，如表1所示。然后對驅(qū)動橋殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為5 mm。再按照一般臺架試驗的原理和步驟，確定邊界條件和加載方式[4-6]。載荷平均施加在橋殼兩邊的對稱連接桿上，兩端定點約束，一端約束-X軸方向，另一端約束為+Y的轉(zhuǎn)動方向，滿載工況。

表1 橋殼主體材料參數(shù)

2.2 靜力學(xué)分析結(jié)果與討論

通過仿真計算，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，滿載工況下，橋殼最大變形出現(xiàn)在橋殼中間位置，為0.216 mm，最大單位變形量為0.204 mm/m，遠(yuǎn)小于橋殼的許用變形量1.5 mm/m[7]。其最大應(yīng)力為45.2 MPa，小于其屈服極限380 MPa。

圖2 靜力學(xué)分析結(jié)果

3 不同工況下的有限元分析

3.1 最大牽引力

牽引力最大工況下，車輛處于滿載工況。此時，約束方式為兩端支點約束，兩側(cè)輪距處設(shè)立兩個對稱支點，左右同時約束X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動與移動。在兩制動輪盤處施加牽引力，通過求解獲得橋殼的變形和應(yīng)力云圖，如圖3所示。從圖中可以看出，橋殼最大變形出現(xiàn)在板彈簧安裝處，為0.371 mm，最大單位變形量0.20 mm/m，小于橋殼的許用變形量1.5 mm/m。最大應(yīng)力為312 MPa，小于材料的屈服極限380 MPa。

3.2 最大制動力

制動力最大工況是指車輛滿載正常行駛時緊急制動，車輛不發(fā)生側(cè)偏、側(cè)滑，車輪不抱死時的工況。通過求解獲得橋殼的變形和應(yīng)力云圖，如圖4所示。從圖中可以看出，橋殼的最大變形量為0.177 mm，最大單位變形量為0.097 mm/m，小于橋殼的許用變形量1.5 mm/m。最大應(yīng)力為142 MPa，小于材料的屈服極限380 MPa。

圖3 最大牽引力時分析結(jié)果

圖4 最大制動力時分析結(jié)果

3.3 最大側(cè)向力

側(cè)向力最大工況是指車輛遇到路面濕滑，車輪與地面的附著力下降，或者制動時一側(cè)車輪抱死時，車橋全部荷重由發(fā)生側(cè)滑一側(cè)的車輪承擔(dān)。這種工況對驅(qū)動橋的剛度和強(qiáng)度要求很高，應(yīng)盡量避免。通過求解獲得橋殼的變形和應(yīng)力云圖，如圖5所示。從圖中可以看出，最大變形量為0.351 mm，最大單位變形量0.193 mm/m，小于其許用變形量1.5 mm/m。最大應(yīng)力為296 MPa，也小于材料的屈服極限380 MPa。

圖5 最大側(cè)向力時分析結(jié)果

橋殼在三種工況下的最大變形和最大應(yīng)力比較如表2所示。

表2 三種工況下應(yīng)力值與變形量

從表2可看出，三種工況條件下的最大變形和最大應(yīng)力為0.371 mm和312 MPa，且單位變形量都小于1.5 mm/m，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動橋殼的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在輪轂內(nèi)軸承中間位置，最大牽引力和最大側(cè)向力工況下，最大應(yīng)力雖然較大，但仍小于橋殼的屈服強(qiáng)度380 MPa，因此，驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度符合要求。

4 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析

4.1 自由模態(tài)分析

在對驅(qū)動橋殼進(jìn)行自由模態(tài)分析時，需要進(jìn)行模態(tài)分析設(shè)置[8-9]。本次分析采用的是Direct算法，提取的模態(tài)階數(shù)為6，分析頻率范圍為0 Hz～1×108Hz，不施加外載荷，不對驅(qū)動橋殼自由度進(jìn)行約束。求解后結(jié)果如圖6和表3所示。

圖6 自由模態(tài)分析結(jié)果

表3 自由模態(tài)前6階固有頻率和振型

從圖6可以看出，1階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生了一階彎曲，最大變形在橋殼的中間位置，最大振幅為6.48 mm。2階模態(tài)下，橋殼在XZ平面發(fā)生了二階彎曲，最大變形也在橋殼中間位置，最大振幅為6.93 mm。3階模態(tài)下，橋殼在X方向上出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，同樣最大單位變形量集中在橋殼中部，最大振幅為6.88 mm。4階模態(tài)下，橋殼在XZ平面內(nèi)發(fā)生了二階彎曲變形，最大變形集中在橋殼中間的兩側(cè)，最大振幅為8.66 mm。5階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生了二階彎曲變形，最大變形在軸套位置，最大振幅為9.58 mm。6階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生了三階彎曲變形，最大單位變形量集中在橋殼中間位置的頂端，最大振幅為9.60 mm。

4.2 約束模態(tài)分析

對驅(qū)動橋殼圓盤兩端施加固定約束，生成了1-6階的約束模態(tài)的頻率和振型，如表4所示。

表4 束模態(tài)前6階固有頻率和振型

綜上所述，驅(qū)動橋殼的前6階固有頻率在220～890 Hz之間，振幅在6～12 mm之間。比較兩種模態(tài)分析結(jié)果，驅(qū)動橋在自由模態(tài)和約束模態(tài)下的頻率與振型基本相同。但在實際工作過程中，由于橋殼要承受來自地面的力和力矩，所以其頻率和振型也會受到輕微的干擾，但基本可以忽略不計。

貨車在正常行駛過程中，路面激振是引起車橋出現(xiàn)共振并疲勞失效的重要因素，而路面激振頻率一般為0～50 Hz[10]，從表3和表4可看出，貨車的驅(qū)動橋殼前6階的固有頻率遠(yuǎn)大于此范圍，說明驅(qū)動橋殼在低階頻率正常行駛時不會產(chǎn)生共振。但因為在前3階頻率下，橋殼發(fā)生了變形與扭轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致橋殼無法正常工作，所以后期的優(yōu)化調(diào)整應(yīng)集中改進(jìn)變形和應(yīng)力最大的橋殼位置結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）采用UG軟件建立了某型貨車驅(qū)動橋殼的三維幾何模型，再導(dǎo)入到Hypermesh中生成有限元模型，并進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其最大變形出現(xiàn)在橋殼中間位置，為0.216 mm，最大單位變形量為0.118 mm/m，最大應(yīng)力為45.2 MPa。然后分析得到了驅(qū)動橋殼在最大牽引力、最大制動力和最大側(cè)向力的三種工況下的最大變形和最大應(yīng)力分別為0.371 mm、0.177 mm、0.351 mm 和 312 MPa、142 MPa、296 MPa，證明了其結(jié)構(gòu)能夠滿足剛度和強(qiáng)度要求；

（2）分析了某型貨車驅(qū)動橋殼在自由模態(tài)與約束模態(tài)下的固有頻率和振型，獲得了驅(qū)動橋殼的前6階固有頻率值在220～890 Hz之間，其振幅在6～12 mm之間，證明了驅(qū)動橋殼在低階頻率正常行駛時不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。