轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋軸叉結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析

竇 聰，孔 豪，張朝陽，郝 恒

轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋軸叉結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析

竇 聰，孔 豪，張朝陽，郝 恒

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

軸叉是轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中的關(guān)鍵零部件之一，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到整橋的轉(zhuǎn)向及承載性能。文章從一款18 t轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋軸叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、運動校核和計算分析等方面，詳細闡述了軸叉的設(shè)計分析過程，并通過有限元分析從模擬仿真方面確定了設(shè)計產(chǎn)品的可行性，為相似產(chǎn)品的設(shè)計及分析提供了方法和理論支撐。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋；軸叉結(jié)構(gòu)設(shè)計；軸叉輪廓；計算分析

多軸起重機或特種車輛對其匹配橋型要求較高，需部分橋總成具備轉(zhuǎn)向和驅(qū)動功能，通常解決此類問題的方案是使用斷開式主銷和準等速萬向傳動軸，因此，關(guān)鍵零部件（軸叉）的設(shè)計就尤為重要。軸叉上下端需裝配主銷，內(nèi)腔需與雙聯(lián)萬向傳動軸配合，而雙聯(lián)萬向傳動軸在轉(zhuǎn)向過程中存在左右竄動和位置變化，因此，軸叉在設(shè)計過程中需詳細設(shè)計內(nèi)腔及外廓尺寸，本文針對一款18 t轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，根據(jù)客戶需求及整橋結(jié)構(gòu)對軸叉進行了詳細設(shè)計。

1 軸叉結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

1.1 常用結(jié)構(gòu)及材料

軸叉型式多樣，最常用的軸叉型式如圖1所示，其結(jié)構(gòu)為開放式，制造簡單、應(yīng)用廣泛，常用材料為30Mn2[1]。

圖1 軸叉結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

依據(jù)相配件的結(jié)構(gòu)及運動關(guān)系，對軸叉進行建模設(shè)計[2]，在設(shè)計過程中需重點關(guān)注以下兩類間隙變化。

1）軸叉與轉(zhuǎn)向節(jié)在轉(zhuǎn)向過程中的設(shè)計間隙隨轉(zhuǎn)角的不同會發(fā)生變化[3]，而在極限轉(zhuǎn)角時軸叉外輪廓與轉(zhuǎn)向節(jié)相對間隙最小，具體的間隙如圖2、圖3所示，經(jīng)分析最小間隙為8 mm，符合要求。

圖2 轉(zhuǎn)角為0°時軸叉與轉(zhuǎn)向節(jié)的相對位置

圖3 極限轉(zhuǎn)角時軸叉運動姿態(tài)及間隙

2）同樣，軸叉與萬向傳動軸在轉(zhuǎn)向過程中的間隙也是變化的，極限轉(zhuǎn)角時，軸叉內(nèi)輪廓與萬向節(jié)間隙相對最小，具體如圖4、圖5所示。經(jīng)分析最小間隙為14 mm，符合要求。

圖4 轉(zhuǎn)角為0°時軸叉與傳動軸相對位置

圖5 極限轉(zhuǎn)角軸叉運動姿態(tài)及間隙

2 計算分析過程

2.1 計算參數(shù)和有限元分析

依據(jù)客戶要求，此款18 t轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋匹配的車型為六軸起重機，具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 分析計算參數(shù)表

項目參數(shù) 額定扭矩輸出/(Nm)88 000 制動力矩/(Nm)100 000 車輪滾動半徑/m0.721

軸叉選用的材料為30Mn2，調(diào)質(zhì)硬度為22～32 HRC，可知其許用應(yīng)力為420 MPa。經(jīng)對軸叉進行有限元分析[4]，其約束模型如圖6所示。

圖6 分析模型

經(jīng)過分析，兩種工況下應(yīng)力的具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 分析結(jié)果

由圖7可知，垂向工況和驅(qū)動工況的軸叉應(yīng)力均已超過許用應(yīng)力，其風險較大，需進一步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.2 改進分析

基于上述分析結(jié)果，軸叉上端應(yīng)力較大，而連接上下端主銷的輪廓為變截面設(shè)計，與下端相比，上端連接處稍顯薄弱，若需降低應(yīng)力，應(yīng)在此處結(jié)構(gòu)設(shè)計上進一步優(yōu)化。而改進優(yōu)化完后需重新按照本文1.2小節(jié)相關(guān)內(nèi)容重新核對配合間隙。

依據(jù)軸叉應(yīng)力分布，對軸叉應(yīng)力較大處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]，優(yōu)化輪廓變截面厚度分布，結(jié)合轉(zhuǎn)向運動關(guān)系，保持內(nèi)腔輪廓不變，僅增加上端外輪廓直徑，具體的優(yōu)化前后的軸叉數(shù)模如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后軸叉輪廓對比

對優(yōu)化后的軸叉進行空間校核分析，由于優(yōu)化軸叉僅變更其輪廓外徑，其余部分并未進行任何改動，因此，需重點核對在極限轉(zhuǎn)向時優(yōu)化處與轉(zhuǎn)向節(jié)的間隙，依據(jù)上文1.2小節(jié)進行校核，具體核對結(jié)果如圖9所示，優(yōu)化處與轉(zhuǎn)向節(jié)間隙較大，也不是軸叉與轉(zhuǎn)向節(jié)的最小間隙。綜上所述，從結(jié)構(gòu)設(shè)計來講，此優(yōu)化方案可行。

圖9 軸叉優(yōu)化處與轉(zhuǎn)向節(jié)間隙

同時，對優(yōu)化后的軸叉再次進行有限元分析，具體結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后軸叉分析結(jié)果

依據(jù)圖10結(jié)果可知，軸叉計算應(yīng)力小于許用應(yīng)力，優(yōu)化軸叉符合設(shè)計要求，可進行試制驗證。

3 結(jié)論

轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋軸叉的運動較為復雜，在設(shè)計建模過程中，需充分考慮其與轉(zhuǎn)向節(jié)、雙聯(lián)萬向傳動軸的運動間隙，同時，通過有限元分析從模擬仿真方面確定設(shè)計產(chǎn)品的可行性，此方法可進一步提升設(shè)計產(chǎn)品的成功率，減少開發(fā)時間和成本。

[1] 約森·萊姆佩爾.懸架元件及底盤力學[M].北京:吉林科學技術(shù)出版社,2000.

[2] 余紀邦.淺談輕型載貨汽車車架開發(fā)的幾個問題[J].汽車實用技術(shù),2021,46(18):67-70.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4] 田萌.多材料結(jié)構(gòu)汽車車身的輕量化設(shè)計研究[J].汽車實用技術(shù)[J].2021,46(17):134-136.

[5] 連文香.汽車門把手結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].汽車實用技術(shù), 2022,47(3):95-99.

Structural Design and Computational Analysis of Shaft Fort for the Steering Drive Axle

DOU Cong, KONG Hao, ZHANG Zhaoyang, HAO Heng

( Shaanxi Hande Axle Company Limited, Xi'an 710201, China )

The shaft fork is one of the key components in the steering drive axle, and its structure rationality directly affects the steering and bearing performance of the whole axle.From the structural design, material selection, motion check and calculation analysis of an 18t steering drive axle shaft fork, the paper expounds the design and analysis process of the shaft fork in detail, and determines the feasibility of the design product from the simulation aspect through finite element analysis,which provides the method and theoretical support for the design and analysis of similar products.

Steering drive axle; Shaft fork structural design;Shaft fork outline;Computational Analysis

U463.218+.7

A

1671-7988(2023)12-77-03

竇聰（1987－），女，碩士，工程師，研究方向為車橋開發(fā)，E-mail:doucong_8790@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.015