10.16638/jki.1671-7988.2018.18.030
基于有限元的某矿用车桥桥壳结构优化设计
丁炜琦，苏武，郑小艳，巩占峰
（陕西汉德车桥有限公司，陕西西安710200）
摘要：文章主要对国内某矿用车驱动桥桥壳在设计工况下的可靠性进行有限元分析，并结合售后故障对该驱动桥壳进行结构优化。采用非线性静力有限元方法，考虑加工与铸造工艺，对桥壳进行多轮结构优化后，桥壳结构最大应力明显下降，从而降低了桥壳售后故障率，有效的提高了整桥可靠性。
关键词：桥壳；有限元分析；结构优化；可靠性
中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)18-87-03
Structural Optimization Design of A Mining Axle Housing Based on
Finite Element Method
Ding Weiqi, Su Wu, Zheng Xiaoyan, Gong Zhanfeng
( Shaanxi Hande Axle Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )
Abstract: Finite element analysis was performed on the reliability under design conditions of a mining drive axle housing, and structural optimization was performed with the after-sale fault. Using nonlinear static finite element method, structure optimization of the Mining Axle Housing were performed with the machining and casting process. After the structural optimization design, the maximum stress and the failure rate of the axle housing are significantly reduced, and the reliability of the axle is effectively improved.
Keywords: Axle Housing; Finite Element Analysis; Structural Optimization; Reliability
CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)18-87-03
前言
矿用自卸车一般主要在矿区使用，行驶路面差，且行驶工况主要为低速重载，驱动桥作为整车的关键零部件总成，在整车行驶过程中有着承载、驱动、制动等重要功能，因此，驱动桥桥壳的结构可靠性关系到整个矿用车的使用性能。
目前，国内对于车桥研究主要集中在重卡和客车驱动桥方面，而对矿用车驱动桥的研究并不多见。丁炜琦[1]等人应用有限元分析方法对国内某重型车桥的强度进行了系统的分析，结合有限元结果对该桥壳结构进行优化；何维聪[2]等人对国内某轮边电机驱动桥结构强度进行了有限元分析，并对该驱动桥进行了结构优化，提高该桥壳可靠性。本文建立了某矿用车驱动桥桥壳总成有限元分析模型，应用非线性有限元分析方法，计算桥壳在重载、驱动、制动工况下的强度。通过与桥壳售后失效模式对比，验证本次有限元分析方法的正确性，并将售后失效模型与有限元结果紧密结合起来，对该桥壳结构进行优化设计，提高整桥的可靠性，降低该桥壳的售后故障率。
1 有限元法简介
有限元法是分析解决各种结构问题的强有力工具，它是伴随着计算机技术的突破而发展出来的一种数值分析方法。其主要是利用数学模型对真实物理系统进行仿真，将复杂问题简化成数学模型再进行求解。目前，有限元方法在对复杂
作者简介：丁炜琦，就职于陕西汉德车桥有限公司。
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汽车实用技术
88 结构问题分析和优化方面，是一种最成功、最有效、最广泛的近似分析方法，成为工程人员进行结构设计、产品结构优化、科学研究等不可缺少的重要手段。
2 建立矿用桥壳有限元模型
该矿用桥壳结构为实体结构，桥壳采用四面体单元、螺栓采用六面体结构划分[3]。桥壳材料性能见表1。
表1  该矿用桥壳材料性能
将桥壳、减壳导入有限元软件中进行网格划分，得如图1该矿用车桥壳网格划分后的有限元模型，共包括1796375个单元。
图1  桥壳结构有限元模型
3 矿用桥壳的有限元分析
该矿用自卸车行驶路面复杂，多为山区和矿区，以低速重载、长距离上坡、频繁制动等为主，所以分析时，考虑一般路重载、驱动（上坡）、制动（下坡）三种工况，各工况施加载荷计算和加载方法参见文献[4][5][6]。
图2  重载工况应力云图
图3  制动工况应力云图
图4  驱动工况应力云图
模型中各零件之间采用螺栓连接，在定义约束和施加载
荷时，将板簧、推力杆等连接件简化为RBE2、RBE3等单元，提交有限元求解器，进行非线性静力学计算，得到各工况下的应力云图如图2、图3、图4所示。
表2给出了各设计工况下结构的最大应力值。
表2  优化前桥壳结构最大应力
4 矿用桥壳结构优化
经过对该型号矿用车桥壳故障模式经过分析，该驱动桥桥壳气室支架安装凸台与后盖过渡处漏油（如图5）占整个桥壳故障模式80%以上，经过与有限元结果对比后桥壳漏油位值与驱动工况下桥壳最大应力位置相同，从而验证了有限元算分析的准确性，所以桥壳结构优化主要对桥壳漏油位置结构强度进行优化，提高桥壳的安全系数。
图5  桥壳故障位置
4.1 优化后结构
基于有限元计算结果，结合整桥售后失效模式，同时考虑工艺性对桥壳结构进行优化设计，优化前后结构对比如图6。
图6  优化前后桥壳结构对比
4.2 优化前后应力对比
将优化后的该矿用桥壳结构进行有限元建模，按照前述工况进行有限元分析。
优化前、后的结构强度对比如下表2。
表3  优化前后强度对比
综上所述，优化后桥壳最大应力在各个工况下分别降低
16%、37%、15%，桥壳安全系数显著提高。可以说，桥壳结
丁炜琦 等：基于有限元的某矿用车桥桥壳结构优化设计
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构优化后可有效降低该型号矿用车桥壳售后故障率。 4.3 优化后桥壳市场验证
将该桥壳优化后的结构进行市场验证，到目前为止，整车行驶10万公里桥壳无故障发生，验证了用有限元方法对桥壳结构强度分析和本次桥壳优化方法的正确性。
5 结论
汽车桥壳本文应用有限元方法对桥壳结构强度进行分析，最大应力位置与实际售后故障位置一致，验证了该有限元分析方法的准确性。结合有限元分析结果对该矿用驱动桥桥壳结构进行结构优化设计，优化后，桥壳各个工况下最大应力均有明显下降，从而提高了桥壳强度，同时经过市场验证后，有效的降低该桥壳售后故障率。本文的桥壳结构优化方法可应用
于对类似零件进行有限元分析和结构优化设计。
参考文献
[1] 丁炜琦等.基于拓扑优化的某重型车桥桥壳轻量化设计[J].汽车实
用技术,2011(Z2).
[2] 何维聪等.基于有限元的某轮边电机驱动桥结构优化设计[J].汽车
实用技术,2017(10):23-24.
[3] 丁炜琦等. 基于拓扑优化的某重卡轮毂轻量化设计[J].汽车实用
技术,2013(10):22-24.
[4] 竺延年.最新车桥设计，制造，质量检测及国内外标准实用手册.北
京：中国知识出版社,2005.
[5] 刘维信.汽车车桥设计[M].北京：清华大学出版社,2004.1. [6] 赖姆佩尔.悬架元件及底盘力学[M].吉林：吉林科学技术出版社,
1991.
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第一，有限元模态分析系统划分的网格数量远远大于试验所设定的自由度；第二，有限元分析单元点与试验设置点的差异性；第三，分析方法的差异性；第四，有限元模型与实际模型的误差；第五，试验信
号处理及测量的误差。
5 结论
（1）通过分块兰索斯法（Block Lanczos ），选取直联驱动桥桥壳的前六阶固有频率及振型，其固有频率在为75Hz ～475Hz 之间，未与路面激励产生共振现象，分析其振型结果未产生突变。设计满足要求。
（2）通过LMS 软件选取锤击法对直联驱动桥桥壳实体模型进行模态测试，并将试验测试结果与有限元模态进行对比，其误差均在6.5%合理范围以内，进一步验证了模型的有效性。
（3）本文所采用的方法及研究成果对后续驱动桥桥壳的改善提供了有力依据，对于动态特性具有一定实际指导作用。
参考文献
[1] 杜全辉，胡平，马云辉.全方位优化电动汽车的控制策略技术[J].汽
车工程学报,2010(2):89-91.
[2] 胡铁牛.轻型汽车驱动桥建模与模态分析[J].河北工业大学学
报,2013(1):211-216.
[3] 王晖云，吕宝占，朱思洪.基于ANSYS 的轻型载货汽车车架模态分
析[J].煤矿机械,2007,3(28):59- 61.
[4] 刘为，薛克敏，李萍等.汽车驱动桥壳的有限元分析和优化[J].汽车
工程,2012,34(6):523-527.
[5] 马迅，赵幼平.轻型客车车身结构刚度与模态的有限元分析[J].机
械科学与技术,2002,21(1):86-88.
[6] 高伟，宋萌.汽车驱动桥壳静动态有限元分析[J].农业装备与车辆
工程,2011(9):42-45.
[7] 陈国荣，唐绍华.汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析[J].机
械设计与制造.2010(2):42-43.
[8] 王统.纯电微型客车同轴直联车桥动态特性分析[D].硕士论文,
2017:35-36.