自卸车驱动桥壳结构分析与改进设计

　矿用汽车主要运行于各种矿山和建筑施工场地，道路级别低，车辆的起动、制动和转向非常频繁，再加上负荷大，路面冲击严重，故其工作条件十分恶劣。驱动桥是汽车总成中的主要承载件之一，其强度的大小将直接影响汽车的有效使用寿命，局部应力集中将导致桥壳的局部开裂甚至断裂。因此，驱动桥壳必须具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，同时应尽量减小其质量，以减小驱动桥簧下质量，从而减小地面冲击力，提高汽车平顺性和舒适性。  
　　1、 驱动桥壳有限元建模 
　　矿用汽车的载重量比较大，为了保证有足够的承载能力，SGA3550矿用汽车的驱动桥壳采用了铸造整体式桥壳，同时后悬架采用非独立悬架的形式，驱动桥壳总成简图如图1所示。 
　　A形架主要施加或承受车架和后桥之间的纵向水平作用力，保持车架和后桥前后位置的相对稳定，同时也承载一部分簧上质量。横拉杆主要承受车架和后桥之间的横向水平作用力，保持车架和后桥横向位置的相对稳定。 
　　A形架在SGA3550驱动桥中与桥壳的关系十分紧密，它们共同承担了汽车的后轴载荷，并且车架和后桥之间的纵向水平作用力也是通过A形架来传递的。因此，可以将A形架和驱动桥壳作为一个整体来进行研究和分析。 
　　桥壳的实际结构和材料特性比较复杂，在建立其有限元模型时通常都要进行一些合理的简化和假设。本文在建模和进行有限元分析时做以下假设：不考虑焊接处材料特性的变化；桥壳及A形架的材料为均质材料且各向同性。 

图1 驱动桥壳总成简图 
　　1．1 驱动桥壳的三维几何模型 
　　首先应用Unigraphics软件建立A形架和驱动桥壳的几何模型，以及其装配模型(见图2)。 
　　1．2 网格划分 
　　ANSYS Workbench是ANSYS公司推出的一款专用的“现代CAE应用程序开发平台”。其用户界面直观高效，提供了强劲的CAD集成、网格自动划分功能、模型参数接口和高级ANSYS功能接口。 
　　将图2所示的装配模型导人ANSYS Workbench，系统自动在A形架和桥壳连接面处建立接触域。对于线性分析，接触类型采用“Bonded’’，即认为A形架和桥壳始终紧密结合在一起。在接触域，相互间没有任何的相对滑动和分离。 

图2 A形架和驱动桥壳的装配模型 
　　在指定单元大小及需要进行网格细化的区域后，利用Workbench的网格自动划分功能对模型进行网格划分。装配有限元模型中共有3173585个节点，单元101094个。 
　　2．3 关于载荷和约束 
　　汽车在实际行驶过程中的工况极其复杂，本文选取汽车满载时在不平路面上行驶并紧急制动的极限工况进行有限元分析。汽车处于这种工况，受两类动载作用，即垂直动载荷以及纵向动载荷。 
　　垂直载荷即为后悬架和A形架承受的簧上质量，施加在各自的轴承孔上。纵向载荷由A形架承受，作用在A形架的轴承孔上。以上载荷的施加方式均为“螺栓载荷”。 
　　根据相关文献，垂直动载荷取后桥满载负荷的2.5倍，即取动载系数为2.5。水平动载荷由A形架提供，其值取后单轮所受制动力大小的1.5倍。 
　　给定桥壳两端轮毂连接处的圆柱面的位移约束为(0，0，0)，即这两个面在三个方向上均不能有位移。施加载荷和约束后的桥壳有限元模型如图3所示。 
　　2、 驱动桥壳的有限元分析结果 
　　计算得A形架和桥壳的应力图如图4所示。 

图3 载荷和约束 

图4 应力分布云图 
　　从计算结果可以看出，驱动桥壳的空心梁和轴套管部分的最大应力约等于110 MPa，远小于材料的许用应力，而在悬架支座与桥壳连接处却出现了明显的应力集中区域，最大应力为259 MPa，而桥壳材料的屈服极限为270 MPa，故其安全性较差。 
　　最大位移处于A形架轴承支座最前端，最大变形量为2.43 mm。 
　　3、 桥壳结构的改进设计 
　　因为桥壳空心梁和半轴套管部分的应力和变形量都非常小，桥壳的强度和刚度安全系数很大，说明材料富余较大，可以在保证足够的强度和刚度的条件下将桥壳的厚度减薄。经过几次尝试性的计算后最终确定将桥壳的厚度由原来的30 mm减为20mm，减薄后桥壳空心梁和半轴套管部分的应力比原来增大了约20 MPa，最大变形量几乎没有变化，而桥壳质量比原来约减小了20％。 
　　为减小悬架支座与桥壳连接处的集中应力，笔者设计了两种改进方案(如图5所示)。在相同的载荷和约束条件下分别对两种改进后的桥壳进行有限元分析，应力分布云图如图6、图7所示(下边为悬架支座局部放大图)。 

图5 改进后悬架支座的结构形式 
　　计算结果显示，按两种方案改进后的桥壳的应力分布更为均匀、合理，最大应力均大为减小，其中方案一由原来的259 MPa降为165 MPa，最大应力的位置没有改变。方案二由原来的259 MPa降为144 MPa，且最大应力的位置发生了改变，出现在轮毂连接处，悬架支座与桥壳连接处的最大应力减小为96 MPa； 

图6 按方案一改进后桥壳的应力分布云图 

图7 按方案二改进后桥壳的应力分布云图 
　　方案二虽然能更大幅度地减小集中应力，但是其结构形式可能会导致液压缸与悬架支座的运动发生干涉，因此还须要对液压缸重新进行设计，而方案一只需改变支座的结构形式，不需要做任何其它的改变。因此，建议选择方案一作为最终改进方案。 
　　4 、结束语 
　　对A形架和驱动桥壳的装配模型进行结构分析的结果表明，桥壳的应力分布不够合理，空心梁和半轴套管部分的应力富余较大。由于悬架支座的结构原因导致了应力集中区域的应力值较大，形成了桥壳的危险点。对此，本文提出了相应的结构改进方案，并进行了分析计算，计算结果显示改进后桥壳的应力分布更为均匀、合理，最大应力大大降低，桥壳的质量也得到了明显的减小，因此该方案是可行的。