某汽车底盘2.5t 前轴强度分析

姚 健

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

窄体专用车底盘前轴最大承载能力为2t，已不满足市场发展，需开发一款适合承载能力强、安全系数高的2.5t 前轴。前轴是前桥总成中重要的工作部件，其寿命直接影响汽车可靠性，前轴强度分析是正向设计中非常重要的部分，校核前轴的设计是否满足使用要求，为后续设计提供依据。准确合理的建立前轴数学模型，是前轴强度分析的基础。本论文的主要目的就是在经初步建立的2.5t 前轴模型基础上，计算2.5t 前轴强度是否满足在各种复杂工况下的使用要求，为产品后续设计及改进提供理论依据，从而降低产品设计风险。

1 建立二维模型

图1 2.5t 前轴二维图

2 前轴强度分析计算

2.1 前轴强度分析理论计算所需技术参数

对于2.5t 前轴强度分析，主要计算前轴中间位置和板簧托板位置截面的工作应力，前轴主要承受弯曲应力和扭转应力。在进行前轴强度分析之前首先计算相应截面的抗弯截面模量和抗扭截面模量。

2.1.1 抗弯截面模量的理论计算

钢托位置截面参数：a=25 b=40 c=14 B=130 C=14 h=62 H=90

中间位置截面参数：a=14 b=74 c=14.5 B=74 C=14.5 h=40 H=69

在计算抗弯截面模量之前，首先要计算形心的位置。

钢托截面形心到下端的距离：

中间截面形心到下端的距离：y1'=34.5

钢托截面形心到上端的距离：

钢托截面形心到上端的距离：

计算垂直方向的惯性矩Iv、Iv'和水平方向的惯性矩Ih、Ih'。

钢托截面垂直方向的惯性矩Iv：

中间截面垂直方向的惯性矩：Iv'=1631139

钢托截面水平方向的惯性矩：

中间截面水平方向的惯性矩：Ih'=988438

前轴两截面处垂直方向的抗弯截面模量Wv、Wv'和水平方向的抗弯截面模量Wh、Wh'。

钢托截面垂直方向的抗弯截面模量Wv：

中间截面垂直方向的抗弯截面模量Wv'：

钢托截面水平方向的抗弯截面模量Wh：

中间截面水平方向的抗弯截面模量Wh'：

2.1.2 抗扭截面模量的理论计算

钢托截面的抗扭截面模量：

Jk——钢托截面的极惯性矩，mm4；

δ——钢托截面的矩形的最大宽度，mm。

根据受力分析，中间截面处承受扭力较小，此处可忽略不计算。

2.2 前轴在制动和侧滑工况下的强度分析

根据前轴的使用条件，应力分析计算主要分为两种工况：紧急制动和侧滑工况。

2.2.1 在制动工况下的前轴强度分析

制动时前轮承受的制动力Pr和垂向力Z1传给前轴，使前轴承受转矩和弯矩。

考虑到制动时汽车质量向前桥的转移，则前轮所承受的地面垂向反力为：

前轮所求受的制动力为：

由Z1和Pr对前轴引起的垂向弯矩Mv和水平方向的弯矩Mh在两钢板弹簧座之间达最大值，分别为：

制动力Pr还使前轴在主销孔至钢板弹簧座之间承受转矩T：

前轴在钢托附近危险断面处的弯曲应力σw和扭转应力τ (单位均为MPa)分别为：

在制动工况下，前轴在中间截面附近危险断面处不受扭曲应力，仅受弯曲应力(单位为MPa)。

前轴采用40Cr 合金钢制造，硬度为HR241～285。

2.2.2 在侧滑工况下的前轴强度分析

当汽车承受最大侧向力时无纵向力作用，左、右前轮承受的地面垂向反力Z1L、Z1R和侧向反力Y1L、Y1R各不相等，可推出前轮的地面反力(单位都为N)分别为

侧滑时左、右钢板弹簧对前轴的垂直作用力为：

汽车侧滑时左、右前轮轮毂内、外轴承的径向支承力(单位为N)分别为：

将由式（16）-（19）求得的Z1L、Z1R、Y1L、Y1R代入式（21）-（24）即可求得左、右前轮轮毂内轴承对轮毂的径向支承力S1L、S1R和外轴承对轮毂的径向支承力S2L、S2R，这样也就求出了轮毂轴承对轮轴的径向支承反力。前梁的最大弯矩发生在侧滑方向一侧拳部的主销孔处(Ⅰ-Ⅰ剖面处)；而另一例则在板簧座处(Ⅱ-Ⅱ剖面处)，可由下式直接求出：

欲计算主销孔处的弯曲应力，必须先计算出Ⅰ-Ⅰ剖面处的抗弯截面模量WI-I：

在侧滑工况下，前轴不受扭曲应力，仅受弯曲应力，即可计算出主销孔的弯曲应力σI-I和另一侧钢托的弯曲应力σⅡ-Ⅱ。

3 试验验证

依据《汽车非驱动类前轴台架疲劳寿命试验方法》，将试验件模拟整车状态安装在试验台架上。试验加载参数额定载荷为2.5T，试验力加载载荷下峰值是额定载荷的0.5 倍即1.25T，上峰值是额定载荷的3.5 倍即8.75T。试验台作动器沿垂直方向对试验样件施加上下循环试验力，试验频率为3Hz。

对三根前轴进行台架试验，编号为1#、2#、3#。试验结果如下：

表1 前轴台架试验结果

汽车非驱动类前轴疲劳寿命同时达到B5 不小于30 万次（或B10 不大于38 万次）和B50 不小于70 万次双指标的为合格品，故根据实验结果可知，三根样件全部合格。

4 结论

本论文主要研究2.5t 前轴在制动和侧滑工况下受力情况。

（1）在紧急制动工况下，主要分析中间截面和钢托截面的弯曲应力和抗扭应力。

（2）在侧滑工况下，主要分析主销孔和钢托截面的弯曲应力。

通过理论校核和试验结果2.5t 前轴满足使用要求。