載貨汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元仿真研究

白順平，王振興，陳國磊，曹增文

(1.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100;2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引言

驅(qū)動(dòng)橋在車輛動(dòng)力傳遞過程中，受力條件復(fù)雜，傳遞的載荷較大，在貨車行駛過程中，主要實(shí)現(xiàn)增大扭矩、降低速度、改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向等作用[1]。本文針對(duì)某輕型貨車的鋼板焊接式?jīng)_壓橋殼開展研究，對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元法原理

有限元法將連續(xù)介質(zhì)材料劃分為網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)不同單元節(jié)點(diǎn)的迭代求解，計(jì)算材料整體的形變受力等,即先化整為零，再積零為整[2]。有限元法的計(jì)算過程是一個(gè)較為復(fù)雜的數(shù)值迭代計(jì)算過程，其既需要計(jì)算單元內(nèi)的應(yīng)變應(yīng)力，還需要對(duì)單元之間的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行求解。現(xiàn)階段被廣泛采用的有限元計(jì)算軟件包括ANSYS等大型計(jì)算求解軟件，該方法目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)分析中，適用范圍廣，認(rèn)可程度高[3]。

2 驅(qū)動(dòng)橋殼的建模及有限元分析

2.1 驅(qū)動(dòng)橋殼三維建模

經(jīng)測量，驅(qū)動(dòng)橋殼的總長度2 116 mm，法蘭間距1 205 mm，套管長度293 mm，鋼板中心距930 mm，總質(zhì)量195 kg，材料彈性模量206 GPa，屈服極限620 MPa。

根據(jù)測得的參數(shù)，在SolidWorks中建立了驅(qū)動(dòng)橋殼的三維實(shí)體模型。在建模過程中，主要進(jìn)行了以下簡化：

(1) 去除了圓角和倒角結(jié)構(gòu)。

(2) 去掉了一些附屬連接件，只留下驅(qū)動(dòng)橋殼的主體結(jié)構(gòu)，便于開展有限元網(wǎng)格劃分等。

建立的驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型

2.2 模型網(wǎng)格劃分

在Workbench中選擇靜力學(xué)分析模塊，導(dǎo)入建立的驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型IGS文件，定義材料屬性為Q460低合金高強(qiáng)度鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.280，材料密度為7 850 kg/m3。之后采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方式劃分網(wǎng)格單元，得到7 768個(gè)實(shí)體單元和15 200個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)橋殼網(wǎng)格單元模型

2.3 四種工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的受力校核

對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋殼的受力分析，一般需要分析滿載靜止工況、最大驅(qū)動(dòng)力工況、最大制動(dòng)力工況和最大側(cè)向力工況的受力狀況，進(jìn)而驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)橋殼的實(shí)際工作狀況是否滿足使用需求[4]。已知該驅(qū)動(dòng)橋殼承載的貨車整車裝備質(zhì)量為7 900 kg，貨車總質(zhì)量為16 000 kg，貨車最高車速110 km/h，軸距4.5 m，后輪輪距為1.8 m，鋼板中心距為0.93 m，最大扭矩為1 400 N·m。對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行有限元校核，需要進(jìn)行一些簡單的等效計(jì)算，然后開展分析[5-7]。

2.3.1 滿載靜止工況靜強(qiáng)度分析

貨車靜止于水平路面且處于滿載工況時(shí)，認(rèn)為貨車受力主要沿著垂直方向，該承載力主要作用于貨車后橋上，且水平和側(cè)向方向均認(rèn)為不受力。采用均分簡化的方法，貨車后橋總載荷為100 kN，作用于兩端彈簧座的均分載荷各為50 kN。

在驅(qū)動(dòng)橋殼上添加約束和載荷，求解得到驅(qū)動(dòng)橋殼的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可知，橋殼的最大等效應(yīng)力處于兩端驅(qū)動(dòng)軸軸套與橋殼主體部分的連接位置，因此該位置在靜止?jié)M載工況處于較為危險(xiǎn)的工作狀態(tài)，經(jīng)分析，最大應(yīng)力約107.58 MPa，小于材料的屈服極限620 MPa，滿足要求。

圖3 滿載靜止工況橋殼等效應(yīng)力云圖

驅(qū)動(dòng)橋殼最大等效應(yīng)變分布狀況如圖4所示。最大應(yīng)變位于半軸套筒與橋殼主體的過渡連接處，最大應(yīng)變?yōu)?.97×10-4。在橋殼后蓋部位隆起部分和前端面兩側(cè)位置，橋殼產(chǎn)生了較大的變形，這兩處位置的工況較為惡劣。分析得知，滿載靜止工況下橋殼產(chǎn)生了最大值為0.10 mm的形變。經(jīng)相關(guān)公式計(jì)算得每米變形量為5.6×10-2mm。根據(jù)《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)/QC/T534—1999》(以下簡稱《指標(biāo)》)可知，滿載靜止工況下后軸輪距最大變形不大于1.5 mm/m，該結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 滿載靜止工況下橋殼等效應(yīng)變云圖

2.3.2 最大驅(qū)動(dòng)力工況強(qiáng)度分析

當(dāng)貨車以最大驅(qū)動(dòng)力前進(jìn)時(shí)，車輛后軸荷具有后移的趨勢，橋殼此時(shí)受到自身及載重的垂直壓力、驅(qū)動(dòng)車輪沿著輪緣的切向牽引力以及后軸傳遞轉(zhuǎn)矩過程中的反力矩作用橋殼上的力。采用有限元分析方法，需要添加限制橋殼水平方向和沿軸線方向上平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的約束，同時(shí)施加在豎直方向限制驅(qū)動(dòng)橋移動(dòng)的約束?？紤]后軸后移趨勢產(chǎn)生的影響，驅(qū)動(dòng)橋軸向載荷會(huì)增加至垂向載荷120 kN工況，此時(shí)兩側(cè)彈簧底座分量各為60 kN。

圖5為最大驅(qū)動(dòng)力工況下橋殼的等效應(yīng)力分布云圖，此時(shí)，橋殼的最大等效應(yīng)力位置仍然處于半軸套筒與后橋橋殼主體部分連接處，約129 MPa，小于橋殼材料的屈服極限值620 MPa，滿足要求。

圖5 最大驅(qū)動(dòng)力工況下橋殼等效應(yīng)力云圖

圖6為最大驅(qū)動(dòng)力工況下橋殼等效應(yīng)變云圖。由圖6可知，橋殼最大等效應(yīng)變與最大應(yīng)力處于相同位置，最大應(yīng)變?yōu)?.56×10-4。后橋橋殼的最大變形量位于兩彈簧底座之間的前端面的邊緣位置，該部位此時(shí)的最大形變位移為0.27 mm，經(jīng)相關(guān)公式計(jì)算得每米變形為1.5×10-1mm。根據(jù)《指標(biāo)》可知，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 最大驅(qū)動(dòng)力工況下橋殼等效應(yīng)變云圖

2.3.3 最大制動(dòng)力工況下的強(qiáng)度分析

當(dāng)貨車以最大制動(dòng)力行駛時(shí)，軸荷具有向前移動(dòng)的趨勢，此工況下后軸橋殼的受力有所減小。橋殼此時(shí)受到自身及載重的垂直壓力、驅(qū)動(dòng)車輪沿著輪緣的切向牽引力以及后軸傳遞轉(zhuǎn)矩過程中的反力矩作用橋殼上的力。此工況下垂向載荷為90 kN，兩端彈簧底座上分布載荷各為45 kN。

圖7為最大制動(dòng)力工況下橋殼應(yīng)力分布云圖，后橋橋殼的最大等效應(yīng)力位于半軸套筒與后橋橋殼主體部分連接處，最大應(yīng)力值為96 MPa，遠(yuǎn)小于橋殼材料的屈服極限值620 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 最大制動(dòng)力工況下橋殼等效應(yīng)力云圖

圖8為最大制動(dòng)力工況下橋殼等效應(yīng)變云圖。由圖8可得橋殼最大等效應(yīng)變位于半軸套筒與橋殼主體的過渡連接處，最大應(yīng)變?yōu)?.17×10-4。后橋橋殼的最大變形位于兩彈簧底座之間的前端面邊緣位置，最大形變位移0.32 mm，經(jīng)相關(guān)公式計(jì)算得每米變形為1.78×10-1mm。由《指標(biāo)》可知，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 最大制動(dòng)力工況下橋殼等效應(yīng)變云圖

2.3.4 最大側(cè)向力工況下的強(qiáng)度分析

當(dāng)貨車處于最大側(cè)向力行駛工況下，橋殼受到載貨重量的垂向作用力、自重和驅(qū)動(dòng)輪的切向牽引力。此工況下垂向載荷為100 kN，作用于單側(cè)彈簧底座上。

圖9為最大側(cè)向力工況下橋殼等效應(yīng)力云圖，由圖9可知，橋殼的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在半軸套筒與后橋橋殼主體部分連接處和單側(cè)的鋼板彈簧座附近，此時(shí)最大應(yīng)力值為135 MPa，小于橋殼材料的屈服極限值620 MPa，滿足要求。

圖9 最大側(cè)向力工況下橋殼等效應(yīng)力云圖

圖10為最大側(cè)向力工況下橋殼等效應(yīng)變云圖。由圖10可知，最大驅(qū)動(dòng)力工況下橋殼等效應(yīng)變最大值位于半軸套筒與橋殼主體的過渡連接處，最大應(yīng)變值為1.17×10-3。后橋橋殼的最大變形位置處于單側(cè)鋼板彈簧座處，最大位移為0.9 mm，經(jīng)相關(guān)公式計(jì)算得每米變形為5.1×10-1mm。由《指標(biāo)》可知，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 最大側(cè)向力工況下橋殼等效應(yīng)變云圖

3 結(jié)論

本文校核了驅(qū)動(dòng)橋殼4種典型工況下的強(qiáng)度狀況。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)橋殼在四種典型工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布狀況均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足使用需求。同時(shí)，貨車驅(qū)動(dòng)橋殼的最危險(xiǎn)位置多處于半軸套筒和橋殼主體的連接位置，因此在設(shè)計(jì)此類驅(qū)動(dòng)橋殼時(shí)，應(yīng)該側(cè)重對(duì)此位置進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。