基于有限元分析及理论计算的驱动桥轴头改进设计

曹艳子 刘娟娟 李旭明 李灵亮

摘 要：文章主要介绍了某驱动桥焊接轴头开裂的改进设计过程。开裂位置为桥壳中段与轴头焊接处。通过分析讨论确定为轴头与中段焊接处壁厚较小且截面变化较大引起应力集中，从而导致焊接处剪切应力过大引起的开裂现象。改进方法为加大焊接处壁厚及将过渡处改为平缓结构。最后，通过Hyper mesh分析改进方案前后轴头焊接处应力，并根据第4强度理论对危险截面进行应力计算，对比现有定型产品，最终确定改进方案。

关键词：Hyper mesh分析;结构设计;强度校核

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）04-87-03

Automobile Driving Axles Shaft Head Optimize based on Finite ElementAnalysis and Theoretical Calculation

Cao Yanzi， Liu Juanjuan， Li Xuming， Li Lingliang

（ Shanxi Hande Axle Co.， Ltd.， Shaanxi Xian 710201 ）

Abstract： This paper mainly introduces the improved design process of a drive axle welded axle head cracking. The cracking position is the welding place between the middle part of the brige shell and the axle head. Through analysis and discussing， it was determined that the wall thickness at the welding of shaft head and middle section was small and the change of section at the cracking site was large， which caused stress concentration and resulted in the cracking phenomenon caused by excessive shear stress at the welding site. The improved method is to increase the wall thickness at the welding place and change the transition place into flat structure. Finally， Hypermesh was used to analyze the stress at the welding of the axle head of the model before and after the improved scheme， and the stress calculation and comparison of the dangerous section were conducted according to the fourth strength theory， and the improved scheme was finally determined.

Keywords： Hyper mesh analysis; Tructure design; Intensity checking

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）04-87-03

前言

某驱动桥在使用过程中出现桥壳开裂现象，开裂位置在驱动桥桥壳中段与轴头焊接位置附近，经过分析判断，轴头与桥壳焊接处截面过渡不够平缓造成局部应力集中是引起开裂的主要原因。为快速准确的优化设计，现通过理论计算与有限元分析相结合，对焊接处的桥壳应力进行计算分析，并对比现有大批量销售产品的结构确定改进方案。

橋壳开裂实物如图1所示，图1（a）（b）为贯通驱动桥开裂截图，如图所示，开裂位置均在轴头与桥壳中段焊接位置附近（即焊缝热影响区）。

1 理论计算校核

1.1 设计输入

（1）现有25t定型产品轮距L为2252，两端轴头焊接距离S为1590。某驱动桥的满载载荷G为30t，轮距L为2452，两端轴头焊接距离S为1856。根据分析原因，主要改进方向有两点：一是加大轴头与桥壳中段焊缝结构尺寸;二是更改桥壳中段与轴头焊接处的截面过渡结构，使焊缝与桥壳中段截面过渡平缓，降低应力集中带来的影响。桥壳现有结构及改进结构方案见图2。

根据车辆使用工况取2.5倍的安全系数计算垂向载荷下焊缝处的应力。

焊缝处弯矩为：

焊缝处截面为环形截面，抗弯截面系数为：

则焊缝处应力：

根据公式（1）～（3）计算的各个方案焊缝处应力值如表1所示：

2 有限元分析校核

对现有结构及各改进结构分别建立有限元分析模型，采用車辆前进坐标系，x轴指向车辆前进方向，y轴指向前进方向的左侧，z轴竖直向上。采用mm，s，t有限元常用单位制。采用四面体单元划分实体网格，网格大小为6。在钢板弹簧座中心处分别施加载荷（Z方向载荷）;在左侧车轮中心处施加约束（第1、3、5、6自由度），并在右侧车轮中心施加约束（第1、3、5、6自由度）。桥壳中段及轴头的材料属性如表2所示：

根据额定轴荷计算2.5倍垂向工况下的桥壳受力为：

根据公式（4）计算：

开裂驱动桥30t桥壳受力：

现有定型产品25t桥壳受力：

加载后模型如图3所示：

运行加载后模型得到有限元分析应力云图，如图4所示：

对比表1及图4应力值可以看出根据强度理论计算出的焊缝应力值与有限元分析得出的焊缝应力值大小相当，均可作为焊缝应力计算结果。

3 结论

综上所述：

（1）根据理论计算结果及有限元分析结构均可看出改进方案二中焊缝应力最小，相比改进之前，焊缝应力减小了约38%。

（2）根据计算结果和应力云图可以看出改进方案2轴头焊缝处应力均小于现有已经大批量销售的定型产品。

（3）桥壳母材的的许用应力270MPa，取安全系数1.8，则焊缝处许用应力[σ]=180MPa，可以看出改进方案理论计算

及有限元分析焊接处应力均满足整桥载荷需求，则方案二为最终改进方案。

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] 林慕义，张福生.车辆底盘构造与设计[M].北京：冶金工业出版社， 2014.

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[4] 王为，王愚山，贺永波.基于HyperMesh的某转向桥轴头优化设计[J].汽车实用技术，2015.