关于驱动桥半轴结构优化的有限元分析研究

迟豪德 孙瑞峰

摘 要：本文利用有限元分析软件指导了一款半轴产品的改进设计，优化了半轴结构，为半轴及其他相似零件产品的设计提供了参考，为其他零部件产品的设计及改进提供了思路。

关键词：汽车驱动桥;全浮式半轴;有限元分析; 结构优化

1 现状说明

有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，利用有限元分析校核产品结构的可靠性、优化产品结构、指导产品设计是当下产品设计的主流思想。

半轴位于汽车传动系统的末端，它将差速器的半轴齿轮与车轮轮毂连接起来。半轴根据其车轮端的支承方式不同，可分为半浮式、3/4浮式和全浮式三种形式。单级减速重卡驱动桥的半轴型式均为全浮式半轴，全浮式半轴只承受传动系的转矩而不承受弯矩。作为车桥传动系统的保险丝，一般将半轴设计为传动系统内最薄弱的零部件，但若半轴故障过于频繁，则应考虑半轴能力不足。

某平台驱动桥全浮式半轴断裂故障频繁，故障模式为花键过渡部位断裂。为降低该半轴故障率，利用有限元分析软件对该半轴结构进行优化，并对各个优化方案进行对比分析，得出符合设计要求的方案。

2 半轴受力计算说明

正车时，力矩由半轴齿轮传递至半轴，再带动轮毂转动，故需计算半轴齿轮传递给半轴的扭矩，其计算转矩按发动机最大转矩配以传动系最低挡传动比时和驱动车轮在良好路面上开始滑转时这两种情况下半轴齿轮作用在半轴上的转矩的较小值作为半轴的计算转矩。常规计算时，可使用桥总成额定输出扭矩的0.6倍作为半轴的计算应力。因该半轴配以不同主机厂，故发动机及轮边参数难以收集并统一，故采用桥总成额定输出扭矩乘以0.6的差速器转矩分配系数得出半轴的计算扭矩。

已知该平台驱动桥额定输出扭矩50000N·m，则半轴的扭矩为：50000×0.6=30000N·m。

3 创建有限元模型并求解

半轴材料性能参数如表1所示：

使用三维建模软件建立四种方案的三维模型，并对模型进行进一步简化，去掉不必要的倒角及圆角后导入到有限元仿真软件中设置好材料属性后，再进行网格划分，该半轴结构较规则，采用以六面体为主的网格划分方式，网格尺寸为5mm，得到了网格单元66347个，节点241831个，检查网格质量合格后，对半轴与轮毂接触的法兰面进行全约束，并在花键处加计算扭矩。如图1所示。

4 结论及建议

从分析结果可以看出：

（1）各方案关键部位的表面应力均未超出材料表面的抗拉强度极限;

（2）花鍵尾部有铣刀圆角结构的方案1及方案3花键与杆部过渡区处的等效应力相较于花键尾部没有铣刀圆角结构的原状态及方案2下降约6%，说明花键尾部有铣刀圆角的结构比无铣刀圆角的结构强度高;

（3）方案1、方案2其杆部与盘部之间无圆柱凸台结构，仅为R500过渡圆角结构，分析结果证明该结构较原方案及方案3的杆部与盘部之间带有直径为64的圆柱凸台结构的强度低;

（4）方案3中半轴杆部与盘部之间带有直径为64的圆柱凸台结构，花键尾部又有铣刀圆角的结构，应力分布更加均匀。

由此可知，半轴杆部在靠近法兰盘处最好设计一直径比杆部直径稍粗的圆柱凸台，用于加强法兰盘根部强度，花键尾部建议带有一定半径的铣刀圆角，有利于降低花键与杆部之间过渡区的故障率。

5 结束语

本文通过建立多个方案的半轴三维模型，通过有限元分析软件对各个方案进行静力结构分析，得到了不同优化方案对半轴的应力分布结果的影响。通过对各个结果进行对比分析，找到产品结构优化的方向，为半轴及其他产品的优化设计提供了很好的依据。

参考文献：

[1]刘惟信.汽车车桥设计[M].北京：清华大学出版社，2004：284.

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004（01）：73-88.

[3]张洪武，关振群.有限元分析与CAE技术基础[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]杜平安.有限元法——原理、建模及应用[M].北京：国防工业出版社，2006.