微卡驅(qū)動(dòng)橋橋殼的設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：U463.218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0103-03

Research on the Designof the Axle Shell of Micro Truck Drive Axle

Jiang Shuna，Zhang Junjia

（Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476Ooo，China）

【Abstract】This paper conducts a systematic study on thedesign and strength verification of theaxle housing of micro-truck drive axles.Through theoretical calculation and mechanicalanalysis，the stress distributionand load-bearing capacityof theaxlehousing under static load，dynamic impact，maximum traction force，emergency braking and lateral forcear comprehensively evaluated.The steel plate stamping and welding process was adopted，combined with the section optimization（circular pipe with an outer diameter of 8Omm and an inner diameter of 60mm ），to calculate the staticbending stress（82.16MPa）and dynamiccombined stress（maximum179.29MPa）of thebridge housing at the dangeroussection，andverify that itmees theallowable stress standard（bending stress≤5ooMPa）.Torsional stress≤ 300MPa.The study quantifies the bending moment，torque and combined stress under diferent working conditions by introducing thedynamic loadcoeffcient（2.5）andthemasstransfercoeficient（1.2/0.85）.Theresultsshow thatthis designachievesabalancebetweenlightweight（improvedmaterialutilizationrate）and high strength，meetsthe requirementsof processability，economyand safety，and provides theoreticalsupport forthe engineering designof micro truck drive axle shell.

【Key words】 drive axle shell； strength calculation；steel plate stamping and welding；dynamic load

0 引言

汽車的質(zhì)量主要依賴于驅(qū)動(dòng)橋殼的核心作用。非斷開式驅(qū)動(dòng)橋的外殼不只是為了支撐汽車的質(zhì)量，它還承擔(dān)著將這些質(zhì)量傳遞給車輪的任務(wù)，為車輪施加路面上的反力矩和反作用力，隨后這些力通過(guò)懸掛系統(tǒng)傳遞至車身1]。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)。

1）為了保障主減速器內(nèi)齒輪的正常嚙合以及防正半軸產(chǎn)生額外彎曲應(yīng)力，在操作過(guò)程中必須確保足夠的強(qiáng)度和剛度。

2）在不損害車輛的強(qiáng)度和剛性的基礎(chǔ)上，致力于減輕其質(zhì)量，以提高駕駛體驗(yàn)的流暢性。

3）確保有充足的車身與地面之間的空隙。4）該結(jié)構(gòu)具有良好的工藝性和較低的成本。5）確保傳動(dòng)系統(tǒng)部件的安全，并避免泥水的滲透。6）易于拆卸、調(diào)整和保養(yǎng)。

1橋殼的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算

為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊，整體質(zhì)量更輕，因此采用了鋼板沖壓焊接的工藝。在明確了橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)其進(jìn)行深入的力學(xué)分析，確定其斷面尺寸，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算。

1.1橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算

在進(jìn)行橋殼的靜態(tài)載荷計(jì)算時(shí)，需考慮到兩塊

鋼板之間彈簧座受到的彎曲力矩：

式中： G₂ ——作用在彈簧座上的總垂直載荷，N;（204號(hào) g_w ——車輪總重力，N； B ——驅(qū)動(dòng)車輪輪距， 1.65m ：—兩個(gè)鋼板彈簧座之間的中心距離， 1.1m 。代人數(shù)據(jù)，得：

而靜彎曲應(yīng)力 σ_wj 則為：

式中： W_i ——橋殼在危險(xiǎn)斷面位置（靠近鋼板彈簧座）的縱向彎曲截面系數(shù)的詳細(xì)數(shù)值。

對(duì)于大型汽車車橋而言，由于采用了許多先進(jìn)技術(shù)，使設(shè)計(jì)變得更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理。整體式橋殼是利用鋼板沖壓焊接技術(shù)制造的，在彈簧座附近的區(qū)域，其截面通常呈現(xiàn)為圓形管道的端部，截面形狀及截面系數(shù)如表1所示，外徑 D 、內(nèi)徑 d 分別為 80mm 、 60mm 。

垂向及水平彎曲截面系數(shù)：

所以， σ_wj=82.16MPa 0

1.2在不平路面沖擊載荷作用下橋殼的強(qiáng)度計(jì)算

隨著車輛載重的增加和路面品質(zhì)的提升，車橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜。當(dāng)車輛通過(guò)橋時(shí)，其荷載主要來(lái)自車輪對(duì)鋼軌的壓力。在這種情境下，橋殼在受到動(dòng)態(tài)載荷影響時(shí)，其彎曲應(yīng)力表現(xiàn)為：

σ_wd=k_dσ_wj

式中： σ_wj ——橋殼在靜態(tài)載荷下的彎曲應(yīng)力，82.16MPa； k_d ——對(duì)于載貨汽車，動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)設(shè)定為2.5。

所以， σ_wd=205.39MPa 。

1.3汽車以最大牽引力行駛時(shí)的橋殼的強(qiáng)度計(jì)算

為了提高承載能力，在滿足強(qiáng)度要求條件下還應(yīng)盡可能減小質(zhì)量，因此對(duì)該橋殼進(jìn)行優(yōu)化分析和研究。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，側(cè)向力并未被納人考慮。圖1展示了汽車在最大牽引力作用下橋殼所受的力。由于車輛處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間又存在一個(gè)由彈簧懸掛的平衡軸，所以車橋是同時(shí)產(chǎn)生相對(duì)位移的。此刻，左右驅(qū)動(dòng)車輪上存在兩個(gè)方向的反作用力，即切向和垂向。這種力是由于車輛轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)而產(chǎn)生的橫向作用力。左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)車輪所經(jīng)受的最大切向反作用力是一致的[2]。

左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)車輪所經(jīng)受的最大切向反作用力為：

經(jīng)計(jì)算， P_max=19719.28N 。

如圖1所示，在兩塊金屬板的彈簧支撐之間，背部傳動(dòng)橋殼所承受的豎直彎曲力矩為：

式中： m₂ 在汽車加速過(guò)程中，其質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)本次設(shè)定為1.2。

在行駛過(guò)程中，常規(guī)的圓錐齒輪差速器作為驅(qū)動(dòng)橋可能會(huì)受到車輪產(chǎn)生的最大切向反作用力的影響，這可能導(dǎo)致橋殼在水平方向上承受彎矩。在汽車以最大牽引力行駛下，橋殼需要能夠有效地承受水平方向的彎曲力，對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋的穩(wěn)定運(yùn)作尤為關(guān)鍵。橋殼在兩個(gè)彈簧之間所承受的水平彎矩為：

由于驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較高，因而會(huì)產(chǎn)生很大的扭矩，使支承于其上的兩板彈簧也會(huì)受到較大沖擊和振動(dòng)。此刻，橋殼位于兩個(gè)板簧座的中間，所承受的扭矩是：

由于車橋懸臂段鋼板彈簧座附近斷面形狀或具有圓形特征，因此所述斷面之綜合彎矩可據(jù)之確定：

該危險(xiǎn)斷面處的合成應(yīng)力 σ_σΣ 為：

1.4汽車緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，汽車橋殼在兩個(gè)鋼板彈簧座之間所受到的垂直和水平方向上的彎矩有所不同。

垂直方向：

水平方向：

式中： m ——質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，0.85； ? —驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù)， 0.85 經(jīng)計(jì)算， M_v=2399.56N?m M_h=2039.63N?m 。

在兩個(gè)鋼板彈簧的外部區(qū)域，橋殼也同時(shí)承載了由制動(dòng)力產(chǎn)生的扭矩：

求得：

彎曲應(yīng)力：

扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：

橋殼的許用彎曲應(yīng)力 σ_w 最大值范圍是 300～ 500MPa ，而充許的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 τ 則是 150～400MPa ，鍛鑄鐵橋殼時(shí)取最小值，鋼板沖壓焊接橋殼時(shí)取最大值，因此其設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.5汽車受最大側(cè)向力時(shí)橋殼的強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)汽車滿載且在高速急轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的離心力，這種離心力作用在汽車的質(zhì)心位置。由于汽車是靠車輪和路面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得牽引力，所以如果車身與地面之間有較大的間隙，就容易發(fā)生側(cè)傾現(xiàn)象，從而造成事故。汽車可能會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的因素而受到側(cè)向力的影響。如果行駛速度過(guò)快或路面狀況不良，都會(huì)使車輛失去穩(wěn)定性3。

彎曲應(yīng)力：

取值 ，輪胎與地面的側(cè)向附著

系數(shù) φ₁=1 ，則扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：

地面給車輪的側(cè)向反作用力：

Y_2R=Z_2R?φ₁=20842.1N

驅(qū)動(dòng)車輪的支承反力：

在載貨汽車的設(shè)計(jì)中，常取值 則合成應(yīng)力：

由于該橋殼設(shè)計(jì)為鋼板沖壓焊接，故半軸套管位置的應(yīng)力不應(yīng)超出 490MPa ，同時(shí)對(duì)于橋殼的許用彎曲應(yīng)力、許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分別為 500MPa 、 300MPa 因此設(shè)計(jì)是符合規(guī)定的。

2結(jié)論

本文對(duì)微卡驅(qū)動(dòng)橋殼采用不同的工況通過(guò)力學(xué)分析及參數(shù)計(jì)算，系統(tǒng)檢驗(yàn)了微卡驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性，經(jīng)過(guò)靜態(tài)載荷、不平路面沖擊、最大牽引工況運(yùn)行、制動(dòng)、側(cè)翻工況下的綜合工況，橋殼的合成應(yīng)力均未超限（彎曲應(yīng)力不超過(guò) 500MPa ，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不超過(guò) 300MPa ，表明鋼板沖壓焊接方法和截面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是合適的。載荷系數(shù)的引入及合成彎矩的求取，為復(fù)雜工況受力分析提供了正確方法，經(jīng)過(guò)減重的橋殼不但自身輕量化，其承載能力和疲勞壽命也能夠滿足工藝及成本要求。本文為橋殼的通用化設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化提供一些參考意見和借鑒，后期還可以結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及多材料復(fù)合等手段提高橋殼性能適應(yīng)性及滿足性。

注：本文為工學(xué)院2023年度校級(jí)科研項(xiàng)目（2023KYXM19）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1]袁帥帥.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)分析和輕量化研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2021.

[2]曲賡泰.重卡驅(qū)動(dòng)橋殼柔性生產(chǎn)線研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2020.

[3]岳峰麗，孫小婷，陳大勇，等.驅(qū)動(dòng)橋殼一體化結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（上）[J].鍛造與沖壓，2023（2）：48-50.

（編輯楊凱麟）