某轻型越野车门式驱动桥半浮式半轴设计分析

韩明磊 李媛华 黄超 范春利

摘 要：以某轻型越野车门式驱动桥为例，综合考虑实车使用状态及载荷谱数据确定了半浮式半轴的加载工况。对三种不同的轮边结构分别进行了结构分析、应力分析、挠度分析及安全系数计算，提出了一种门式驱动桥用半浮式半轴的计算方法，并通过有限元验证，将结果应用于实际，后期将进行台架试验及道路试验验证。

关键词：半浮式半轴；门式驱动桥；计算方法

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-58-04

Abstract： Taking a light off-road door type drive axle as an example， set up the loading condition of the semi-floating axle shaft by considering the actual vehicle's use state and load spectrum. The structure analysis， stress analysis， deflection analysis and safety coefficient calculation of three different wheel side structures are carried out， and a semi floating semi axle for the door type drive axle is proposed. The finite element method is applied to verify the results， and the results will be verified by bench test and road test.

Keywords： semi-floating axle shaft； door type drive axle； computing method

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-58-04

前言

门式驱动桥由于其独特的优点广泛应用于越野车、低地板客车等对离地间隙要求苛刻的车辆，以某独立悬架越野车为例，门式驱动桥主要由主减速器、轮边驱动轴、轮边减速器等组成。根据轮边半轴的支承型式，轮边减速器可以分为全浮式半轴和半浮式半轴结构，其中全浮式半轴工作中仅承受转矩而不承受弯矩，承载能力高，工作可靠，适用于中型及以上车辆；半浮式半轴结构简单紧凑、总成零件少，但工作中不僅承受转矩而且承受车轮作用的垂向载荷、纵向载荷和侧向载荷，受力比较复杂，主要应用于中型及以下车辆。

某轻型越野车采用独立悬架、门式轮边减速驱动桥，由于主销偏置距对转向回正力矩及整车操控性影响较大，且受到重量及布置空间的限制，整车对主销偏置距和总成重量提出了较严格的要求。全浮式半轴轮边结构和常规半浮式半轴轮边结构均无法满足该轻型越野车的使用要求。

为了满足整车使用要求，进一步减小轮边的轴向空间，某轻型越野车门式驱动桥将从动圆柱齿轮与半浮式半轴做为一体结构，提出三种不同的半浮式半轴结构，见图1～图3。结构一将两个圆锥滚子轴承布置在从动圆柱齿轮两侧作为轮毂轴承，轮毂与半轴采用花键连接；结构二将两个圆锥滚子轴承布置在从动圆柱齿轮外侧作为轮毂轴承；结构三在结构二的基础上增加导向轴承，增加系统刚性。改进后三种结构减少了零件数量，降低了总成重量，大大压缩了轮边减速器的轴向空间，均可满足该轻型越野车对主销偏置距和总成重量的要求。

根据某轻型越野车门式驱动桥的整体布局，考虑驱动桥的使用条件和载荷工况，进行轮边减速器总成设计时，应首先初选半浮式半轴的杆部直径，然后进行强度校核计算。

1 半浮式半轴力学分析

1.1 建立力学模型

以结构三为例，汽车行驶中轮边减速器总成主要承受以下几种力：一是主、从动圆柱齿轮产生的切向力X1、轴向力Y1和径向力Z1，二是轮胎产生的纵向力X2、侧向力Y2和垂向力Z2，如图4所示。其中，主、从动圆柱齿轮力直接作用于半轴上，切向力X1产生汽车行驶的驱动力，切向力X1、轴向力Y1和径向力Z1通过轴承传递到壳体上；轮胎纵向力X2产生汽车行驶的阻力矩，侧向力Y2、垂向力Z2引起的弯矩分别作用在半轴上。由于半浮式半轴受力复杂，对半浮式半轴进行力学分析时应综合考虑各种力及弯矩或转矩对半轴的影响。

1.2 载荷的确定

半浮式半轴理论计算经验较少，文献1提供了一种半浮式半轴的计算方法，提出三种可能的载荷工况：一是纵向力（驱动力或制动力）最大，此时没有侧向力作用；二是侧向力最大（车辆侧滑时），此时没有纵向力作用；三是垂向力最大（车辆高速通过不平路面时），此时不考虑纵向力和侧向力的作用。该方法通过对半轴进行简化求解其弯曲应力，对于整个轮边系统来说可以求解轮毂轴承受力、半轴最大弯矩等，但该计算方法并不能反映半轴的危险点、变形趋势等，且计算工况较少，没有考虑疲劳载荷工况，不能反映越野车半浮式半轴的实际使用状态。根据某轻型越野车使用工况，确定载荷条件时应综合考虑半浮式半轴在极限工况和疲劳工况下承受的力、弯矩以及扭矩。

1.2.1 扭矩

半浮式半轴的最大扭矩及当量扭矩可以按照文献1提供的常规计算方法综合确定。

1.2.2 弯矩

通过对轻型越野车的载荷谱进行转化，确定了其轮边减速器的五种极限工况和三种疲劳工况，见表1和表2。该极限工况和疲劳工况，主要考虑了轮胎传递的载荷，该载荷通过轮毂直接传递给半轴，然后通过轮毂轴承传递给壳体及悬架。这几种工况可以直接移植到半浮式半轴的计算工况，进行静强度和疲劳强度计算，但该载荷条件并没有考虑齿轮的切向力、轴向力和径向力，以及轮胎驱动力或制动力产生的扭矩和弯矩。

（3）弯扭组合

由于表1和表2的加载条件均是基于轮胎载荷的转化，并不能实际反映越野车的实际使用工况，根据越野车使用条件，在以上载荷条件的基础上，增加半浮式半轴的弯扭组合工况：静强度计算时增加越障工况（此时半轴承受最大的扭矩）和紧急制动工况，疲劳强度计算时增加日常行驶工况，见表3和表4。

1.3 受力分析计算

1.3.1 静强度分析

根据材料力学知识，将半轴简化为梁结构，分别对半轴进行受力分析、弯矩分析、扭矩分析和变形分析，计算结果见图5～图7。静强度计算结果表明：

①各工况下三种结构的轴承静安全系数和半轴静安全系数均大于1（半轴安全系数相近，危险点位置不同），能够满足使用要求。

②静强度工况1～工况5均在轮胎处加载，由于悬臂梁的结构，三种结构的危险点位置相近，半轴和轴承安全系数以及最大变形位置均没有较大差别，部分工况下结构三的轴承受力较小。

③静强度工况6在齿轮处和轮胎处同时加载，此时结构三的静不定结构使得轴承的受力更均匀，轴承安全系数大于结构一和结构二，且最大挠度比结构一小32%。比结构二小15%。

④静强度工况2下，三种结构的半轴和轴承的受力均达到最大，危险点位于轮毂与半轴花键连接处，变形也最大，由于结构一的悬臂较长，其最大挠度比结构二和结构三大较多。

⑤弯扭工况（工况6和工况7）下，半轴受力比其他工况大，安全系数较低。

1.3.2 疲劳强度分析

半轴在日常行驶过程中承受周期性的或随机性的交变载荷，疲劳是其最常见的失效方式，对半轴進行疲劳强度计算时，可以根据不同的疲劳工况计算其危险点及应力值，然后根据材料S/N曲线或旋转弯曲疲劳极限预估半轴的安全系数及各轴承的寿命。按照整车20万㎞寿命计算，半轴和轴承的安全系数见图8和图9。疲劳强度计算结果表明：

①疲劳工况下，三种结构的危险点大部分处于轮毂与半轴的连接花键处，结构三的静不定结构能提高系统的刚性，但对系统的疲劳强度贡献不大。

②侧向疲劳工况仍然是最恶劣的工况，该工况下轴承及半轴的安全系数均较低。

③侧向疲劳工况下，结构一中轴承1的安全系数小于1，不满足整车寿命要求，应进行改进。

2 有限元分析

根据以上计算分析，以结构三为例进行有限元分析计算，计算模型见图10，约束转向节上下球头点及转向节臂硬点位置，约束主动圆柱齿轮或轮毂的转动自由度，在轮胎和从动圆柱齿轮分度圆处加载，分别对半轴进行静强度和疲劳强度计算。

半轴最小静安全系数和最小疲劳安全系数见图11和图12，危险点位于轮毂与轴承接触位置。由于有限元计算对半轴与轮毂的相对位置进行了简化，因此计算结果与理论计算基本相符。

3 结论

本文通过对某轻型越野车门式驱动桥进行结构分析，根据整车布置空间及使用要求，提出了三种不同的半浮式半轴轮边结构，并进行了载荷分析、应力分析、挠度分析及安全

系数计算，明确了半浮式半轴的受力状态及加载工况，提出了一种门式驱动桥用半浮式半轴的设计计算方法。该计算方法基于越野车的载荷谱，综合考虑了半轴的强度、变形以及轮毂轴承的使用寿命，计算所得危险截面及安全系数与有限元结果基本相符，后续将在台架试验及道路试验进一步进行验证。

参考文献

[1] 刘惟信.汽车车桥设计[M]北京.清华大学出版社.2004.

[2] 曲琦.独立悬架，门式转向驱动桥及后驱动桥设计分析[J].2009中国汽车工程学会年会论文集，2009，SAE-C2009C120：1331-1340.