基于HyperWorks的平衡轴轴壳有限元分析

2018-12-29杨毅

机械工程师 2018年1期

关键词：芯轴整车螺栓

杨毅

（安徽安凯金达机械制造有限公司，合肥 230051）

基于HyperWorks的平衡轴轴壳有限元分析

杨毅

（安徽安凯金达机械制造有限公司，合肥 230051）

平衡轴总成作为重型卡车关键零部件，在整车中传递较大的载荷。由于超载和使用环境较差，导致平衡轴总成上的轴壳开裂。通过三维建模后，使用HyperWorks软件对轴壳进行有限元分析，通过分析结果和市场故障对比，寻找一种有效可靠的有限元分析方法。该方法对可指导轴壳结构的设计并缩短整车开发周期。

轴壳；三维建模；有限元分析；优化

0 引言

平衡轴总成作为重型卡车关键零部件，传递着并平衡中桥和后桥之间的载荷，目前平衡轴总成上的轴壳开裂故障率比较高，尤其是在矿山上使用的8×4自卸车，由于路况差、超载严重，极易引起轴壳开裂。国内各商用车厂家在整车开发中尤为重视平衡轴总成的结构设计。以往验证轴壳的设计强度是否合格，通常通过试验场强化路测速和市场验证两种方法，整个验证周期长，验证费用巨大。目前可通过CAE软件对产品结构进行分析，验证并优化产品结构，可以大大缩短整车开发周期。

1 平衡轴轴壳以往市场的失效模式

平衡轴轴壳的常见故障为开裂如图1，该平衡轴轴壳使用在8×4自卸车上，核定的载重不超过60 t。但是通过市场调查，由于该类车使用环境特殊，整车满载工况下普遍在80 t以上，尤其是在装载砂石、铁矿等高密度货物时载荷超过100 t，在路况较差的矿山上行驶时，平衡轴轴壳将承受2倍以上的冲击载荷，该种工况下验证轴壳的设计有效性尤为必要。

图1 平衡轴轴壳的开裂故障

图2 平衡轴轴壳实体三维模型

2 模型建立

图3 平衡轴总成

使用UG NX 8.5软件能快速有效地建立平衡轴轴壳三维模型如图2，并使用该软件对小特征进行处理。为了提高平衡轴轴壳的CAE分析精度，将平衡轴轴壳放置在平衡轴总成上分析，轴壳与总成的关系如图3。

3 受力分析

平衡轴总成是保证车轮（或车桥）与汽车车架之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的系统，其在整车中的结构如图4。

图4 平衡轴在整车中的结构位置

平衡轴支架与车架相连，平衡轴支架与轴壳之间通过芯轴连接，板簧两端固定在中桥和后桥上，中间部分通过骑马螺栓固定在轴壳上，整车载荷通过平衡轴支架、芯轴、轴壳板簧传递到中后桥上。

因此简化模型后可得到平衡轴受力图如图5，G1和G2是整车分布在后桥上的载荷，F1、F2、F3、F4是轮胎等连接机构通过骑马螺栓传递给平衡轴轴壳的力，做静力分析时各力存在以下关系：G1=G2;F1=F2=F3=F4，且G1+G2=F1+F2+F3+F4。

图5 平衡轴悬挂有限元模型

4 有限元分析

4.1 有限元模型

为有效模拟平衡轴轴壳受力特点需进行平衡轴总成整体建模，建立的有限元模型中有平衡轴支架、平衡轴轴壳，芯轴采用四面体单元，省略板簧、中后桥、骑马螺栓等原件，在平衡轴轴壳骑马螺栓孔圆心处建立单点约束，限制X、Y、Z方向的平移和转动自由度，整车载荷用集中质量点表示，载荷点通过RBE2均匀分布到支架上平面中，如图6所示。