某矿用车驱动桥桥壳可靠性分析

郭正阳 陈琳

摘 要：为验证矿用车驱动桥桥壳的可靠性，利用静力学计算和有限单元法来对各工况下驱动桥桥壳进行模拟分析，得到桥壳的应力和应变分布情况。结果表明，该矿用车驱动桥桥壳满足各工况下的设计要求。

关键词：矿用车;驱动桥桥壳;可靠性分析

中图分类号：U463.218.5;TH123 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0070-03

Reliability Analysis of Drive Axle Housing of Mine Truck

GUO Zhengyang CHEN Lin

（School of Automotive Engineering， Henan Mechanical and Electrical Vocational College，Zhengzhou Henan 451191）

Abstract： In order to verify the reliability of the driving axle housing of mine truck， the static calculation and finite element method were used to simulate and analyze the driving axle housing under various working conditions， and the stress and strain distribution of the axle housing were obtained. The results show that the axle housing of the driving axle meets the design requirements under various working conditions.

Keywords： mining vehicle;drive axle housing;reliability analysis

1 研究背景

礦用车后桥一般为车辆驱动桥，而驱动桥桥壳是汽车上的主要零部件，支撑车架及其上的各种质量，承受由车轮传来的路面反作用力和力矩。驱动桥同时又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳。因此，驱动桥应具有足够的强度和刚度来保证内部零件的拆装调整[1]。

基于《汽车理论》等相关书籍，为确保驱动桥工作的安全可靠，驱动桥桥壳在设计过程中应保证强度和刚度要求[1]。因此，对车桥桥壳进行相应的应力、应变分析，在保证车桥可靠性方面具有非常重要的工程实际意义。但是，在实际验证计算过程中，驱动桥桥壳运行状况随路面状况、行驶条件等千变万化，加之桥壳外形复杂，导致简单的力学方法在精确计算桥壳各处应力方面存在较大困难，驱动桥桥壳主要承受悬挂传来的垂直载荷，同时又承受车轮传来的驱动力及策划转矩，因此对其强度、抗冲击性、可靠性有很高的要求[2-3]。为准确获得车桥各处应力、应变情况，引入有限单元法对车桥桥壳进行合理分析，可以得到准确的分析结果，因此可以用来验证所设计车桥桥壳的安全可靠性。本文采用工程分析软件ANSYS对某单位所设计的矿用车驱动桥桥壳进行分析，并验证其可靠性。

2 驱动桥桥壳强度计算

在对车桥进行力学强度计算之前，对桥壳进行相应的模型简化（模型简化依据刘惟信的《汽车车桥设计》），图1为矿用车驱动桥桥壳三维模型图。

对驱动桥桥壳受力情况进行相应简化，整车质量通过相应的连接杆件传递到车桥桥壳上，地面支撑力则通过轮胎传递至桥壳上面。具体受力情况如图2所示。

驱动桥的危险截面通常位于驱动桥桥壳与车架连接处，即图2所示等效载荷集中A、B两断面处。

A、B两断面之间的弯矩为：

其中：[G2]为矿用车满载静止水平路面驱动桥对地面载荷;[gw]为后轮重力，由于较小可忽略不计;[B]为驱动车轮轮距为，2 800 mm;[S]为驱动桥两等效加载点距离，为1 010 mm。

基于上文所述，车轮重力远远小于整车满载重力，故在计算过程中忽略不计。

驱动桥桥壳A、B两危险截面处相应的静弯曲应力为：

其中：[Wv]为危险截面处驱动桥桥壳垂向弯曲截面系数，所分析车桥桥壳，[Wv]=1 872 917.5 mm3。

矿用车承载与尺寸情况如表1所示。

由式（2）可得A、B两断面处静弯曲应力为126.1 MPa。

矿用车驱动桥桥壳所用材料为ZG35SiMn，材料强度为640 MPa。基于参照标准《汽车驱动桥台架试验方法》（QC/T 533—1999）的规定，当被试车辆作为载货车使用时，按该驱动桥载货的满载轴荷2.5倍计算，静力学分析结果满足设计要求。

桥壳的受力分析与静强度计算，只给出了弹簧座附近一个单一的静强度验证，不能得到完整的车桥桥壳应力分布情况。因此，为对车桥桥壳进行精确评估，需要利用有限元分析验证本桥壳设计的合理性。

3 三维模型的建立

常规有限元分析时，首先需要建立三维模型。建立模型时通常要将研究对象理想化，在进行车桥有限元分析时所做的假设为：第一，不考虑焊接处材料特性的变化;第二，桥壳结构的材料为均质材料且各向同性。

利用Workbench数据输入接口，导入实体模型，之后对相应模型进行网格划分，本文在Workbench中进行网格划分。

4 驱动桥桥壳各工况分析

基于驱动桥桥壳工作的路况、气候条件及车辆运营状态，完全计算矿用车所有工况下驱动桥桥壳的应力和应变情况十分困难。鉴于此，世界各国对驱动桥安全性能评判标准不一。我国规定，驱动桥桥壳评判标准是将桥壳复杂的受力状况简化成三种典型的计算工况，即当车轮承受最大铅垂力时（当汽车满载并行使于不平路面受冲击载荷）;当车轮承受最大切向力时（当汽车满载并以最大牵引力行驶和紧急制动时）;当车轮承受最大侧向力时（当汽车满载侧滑时）。只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在各行驶条件下是可靠的[4]。接下来分别对此三种工况进行分析。