试论矿用重型卡车的驱动轮改进和发展

朝鲁

摘 要：重型卡车驱动桥壳是车辆中重要的安全部件。本文针对重型汽车的实际使用工况展开研究，利用有限元分析软件，对桥壳的强度刚度及寿命进行分析，找出了桥壳的几个危险工作部位，对于桥壳的优化设计及驱动桥的合理使用，具有重要的理论和实际意义。

关键词：重型卡车 驱动轮 改进和发展

随着我国物流领域的不断成熟，货物运输的社会化分工逐渐明显，重型卡车在我国的需求量逐渐增多，据资料显示，从2002年起，我国重型卡车的产销量开始超过了中型卡车的产销量。在我国，大量重型卡车的使用环境恶劣，载重量大，并且经常处于超载状态。这对重卡的工作部件损坏较大，尤其对于驱动桥的损伤更为明显。汽车的驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一，是几何形状较为复杂的零件，它是主减速器、差速器、半轴的装配基体，主要功用是支承汽车重量，并承受由车轮传来的路面反力和反力矩，并经悬架传给车架（或车身）。其性能直接影响运输车辆的安全性和可靠性，应具有足够的强度和刚度，并且要求尽量减小质量以提高汽车行驶的平顺性。

本文针对重型卡车在不同工况下，驱动桥壳的强度，刚度，疲劳寿命进行分析，找出相对薄弱的部分，以及其上的应力，变形，失效寿命，为重型卡车的驱动桥壳的优化设计及整车的合理使用提供了正确的依据和参考。

1、 重型卡车驱动桥壳的总体结构

本文主要研究单轴载重量为13t的重型汽车的驱动桥壳，此重型汽车额定承载时的总质量为320kN，车轮滚动半径为476mm，轮距为1895mm，质心高度为1300mm。所研究的驱动桥带有圆柱行星齿轮式轮边减速器，装备了强制锁止式差速器的驱动桥，本驱动桥的桥壳结构为铸造整体式桥壳。

汽车在满载静止于水平路段时，驱动桥壳可视为一空心梁，两端经轮毂轴承支撑于车轮上，在钢板弹簧座处桥壳支撑簧上载荷，而沿两侧轮胎中心线，地面给轮胎以反力G2/2。

2、 基于UG的驱动桥壳数字建模

利用图解法进行车辆驱动桥壳的设计，计算量大且很复杂，精度不高。而应用计算机的可视化技术和参数化造型及建模能力，在车辆的设计阶段进行三维实体建模，可以用参数建立起零件内各特征之间的相互关系。同时，通过设计时设定的关联参数，实现相关部件的关联改变，可以有效地减少设计改变的时间及成本，并维护设计的完整性。驱动桥壳的模型的建立，首先要仔细分析桥壳的构成特点，把桥壳划分成几个不同的几何特征区域，根据不同的几何特征规划建模方法和建模过程，建立了驱动桥壳的几何模型。建模的步骤为：创建半轴套管，创建螺栓固定板，创建轴套，创建过渡部分，主体部分建模，创建中间突起部分，求和，边倒圆，抽壳，创建中间大圆孔，创建加强肋，创建完整车桥。

3 、ANSYS典型分析步骤

ANSYS可以进行各种各样的分析，从简单的线性、静态分析，到复杂的非线性、瞬态分析等，但无论是那种分析，都应遵循以下步骤。

3.1 建立有限元模型 建立有限元模型的步骤如下：①指定工作文件名和标题名；②定义单元类型；③定义材料属性；④创建有限元模型。

3.2 加载和求解 在这个步骤中，可进入SOLUYION处理器来完成求解类型定义，分析选项设置，施加载荷，载荷步选项设置，并最终求解。加载和求解步骤可细分为：①定义分析类型和设置分析选项；②施加载荷；③设置载荷步选项；④求解。

3.3 结果后处理 在完成步骤二即有限元计算后，需要查看计算结果。此时，要用后处理器来完成这项工作。

通过对驱动桥壳进行有限元分析，得到以下结论：①桥壳的总体等效应力分布对称。②壳体、锥体以及半轴套管的等效应力和轴向应力都集中分布在上下表面，且等效应力大小在上下表面对称，而下表面的轴向应力比上表面略大，但是基本还是对称分布。③等效应力最大的部位发生在锥体部分，其中越接近壳体和法兰盘的部位等效应力越大；轴向应力最大的部位发生在半轴套管靠近法兰盘的部位。在额定载荷13t、载荷20t、载荷30t工况下，最大等效应力值分别为146MPa，225MPa，338MPa，最大轴向应力为149MPa，229MPa，345MPa，在许用应力范围300～500MPa之内，可以满足使用要求。④桥壳在载荷为30t时的变形量最大，为4.46mm，其挠度值为1.12mm/m，小于国家标准。各工况均无残余变形。

4、 驱动桥壳疲劳寿命分析

4.1 额定载荷（13t）工况桥壳疲劳寿命分析 此种工况下，F0=130KN，分别取动载系数2、2.5和3进行寿命分析。壳体下端加强肋处、半轴套管连接椎体处及半轴套管与壳体装配处为桥壳的三个易损伤部位。

通过计算得出对数疲劳损伤和对数寿命的最大值与最小值，如表1所示。

相关国家标准：根据中华人民共和国汽车行业标准QC/T534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》，驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验评价指标，取其中值寿命不低于80×104次，最低寿命不得低于50×104次。国家标准要求的疲劳寿命采用的试验为脉动应力循环（即r=0），对应的最大载荷为2.5倍额定载荷，转换成r=-1的对称应力循环时对应的最大载荷为1.875倍额定载荷，按此加载进行有限元分析，最小对数寿命为6.02，即为104.71万次，满足国家标准要求。

4.2 载荷为20t时桥壳疲劳寿命分析 此种工况下，F0=200KN，由于随载荷的增大，外力对桥壳的冲击力相对减小，此时，分别取动载系数1、1.5和2进行寿命分析。

与载荷13t时的分析相同，在壳体下端加强肋处、半轴连接椎体处及半轴套管与壳体装配处为本桥壳的三个易损伤部位。通过计算，得出对数疲劳损伤和对数寿命的最大值与最小值，如表2所示。

4.3 载荷为30t时桥壳疲劳寿命分析 此种工况下，F0=300KN，分别取动载系数1和1.5进行寿命分析，桥壳对数疲劳损伤云图如图2所示。

与载荷13t时的分析相同，在壳体下端加强肋处、半轴套管连接椎体处及半轴套管与壳体装配处为本桥壳的三个易损伤部位。通过计算，得出对数疲劳损伤和对数寿命的最大值与最小值。本文以额定载重13t的驱动桥壳为例，针对汽车通过不平路面的工况，利用大型有限元分析软件ANSYS对其疲劳寿命进行了分析和计算，得出以下结论：一是由疲劳寿命分析可知：载荷F0越大，同一部位的对数疲劳损伤就越大，对数寿命就越短。对数寿命与轴荷成线性关系。二是由疲劳寿命分析可知：对数疲劳损伤最大的部位发生在半轴套管连接锥体处。三是最大载荷为1.875倍额定载荷下对称应力循环（相当于最大载荷为2.5倍额定载荷下的脉动应力循环）的最小对数寿命为6.02，即为104.71万次，满足国家标准要求。

5、 结论

本文以单轴额定载重13t重型卡车的驱动桥壳为例，利用建模软件UG对驱动桥壳进行了数字化建模，并利用大型有限元分析软件ANSYS，对桥壳强度、刚度及疲劳寿命进行了计算和分析，为驱动桥壳优化设计提供了理论依据，为驱动桥壳生产提供了可靠的参考。

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