徐杨坤;李晚霞;华林;朱向洪
【摘 要】建立重型牵引车驱动桥壳的参数化有限元模型,研究了板簧中心距的变化与驱动桥壳模态性能之间的关系,并在疲劳分析软件FE-SAFE中,研究了板簧中心距的变化对驱动桥壳疲劳寿命的影响,为驱动桥壳的设计和板簧座的布置提供了依据.
【期刊名称】汽车桥壳《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》
【年(卷),期】2014(038)005
【总页数】5页(P1045-1049)
【关键词】板簧中心距;驱动桥壳;模态性能;疲劳寿命;有限元
【作 者】徐杨坤;李晚霞;华林;朱向洪
【作者单位】武汉理工大学汽车工程学院 武汉430070;现代汽车零部件技术湖北省重点实验室
武汉430070;武汉理工大学汽车工程学院 武汉430070;现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 武汉430070;武汉理工大学汽车工程学院 武汉430070;现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 武汉430070;湖北三环专用汽车有限公司 十堰442012
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.218+.5;TH122
0 引 言
近年来，一些学者和科研机构对驱动桥壳的模态性能和疲劳寿命进行了研究.文献［1-5］对驱动桥壳进行模态分析，得到了驱动桥壳的模态振型和固有频率；文献［6-9］对驱动桥壳进行疲劳分析，得到了驱动桥壳疲劳破坏的危险部位，并预测了驱动桥壳的疲劳寿命.虽然文献［10-16］对驱动桥壳的模态性能和疲劳寿命进行了研究，但是所研究的驱动桥壳的板簧中心距都是某一固定值，没有研究板簧中心距的变化与模态性能之间的关系，以及板簧中心距的变化对驱动桥壳疲劳寿命的影响.
重型牵引车的钢板弹簧安装在板簧座上，板簧座安装在驱动桥壳上.车架传给钢板弹簧的力通
过板簧座施加到驱动桥壳上，结构示意图见图1.板簧座的安装位置是驱动桥壳的重要受力部位.板簧座的安装位置不同，驱动桥壳的受力部位就不同，所受的力矩就不同，驱动桥壳的强度和刚度就不同，疲劳寿命也不同.因此，研究板簧中心距（2个板簧座中心线之间的距离）的变化与驱动桥壳模态性能之间的关系以及对疲劳寿命的影响具有重要的意义.
图1 结构示意图
1 重型牵引车驱动桥壳有限元模型的建立
所研究的重型牵引车驱动桥壳总长2 100mm、轮距1 860mm、板簧中心距1 030mm、桥壳本体厚度和半轴套管厚度均为16mm，具体几何模型见图1.驱动桥壳由2种材料构成，桥壳本体所用材料为16Mn，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，许用应力为390 MPa；半轴套管所用材料为40Cr，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，许用应力为785MPa，2种材料密度均设为7 850kg／m3.用APDL编程语言定义初始化变量，包括板簧中心距，并建立驱动桥壳参数化几何模型.驱动桥壳的桥壳本体和半轴套管均采用3D 实体单元，对驱动桥壳几何模型进行网格划分，得到81 210个单元，113 449个节点，见图2.
图2 驱动桥壳有限元模型1-半轴套管；2-板簧座；3-桥壳本体
2 驱动桥壳模态性能分析
采用如图2所示的驱动桥壳有限元模型，在有限元分析软件ANSYS 中利用Block Lanczos方法对驱动桥壳进行模态分析.由于振型和固有频率都是驱动桥壳的固有特性，与所受到的外力无关，故可以忽略外部载荷的作用，只对驱动桥壳半轴套管轮距平面所有节点约束其x，y，z3个方向的平动自由度.低阶振型决定了驱动桥壳结构的动力学性能，并且低阶振型对结构的动力学性能的影响程度比高阶振型大得多，因此文中利用有限元软件ANSYS 提取驱动桥壳的前6阶振型和固有频率.当板簧中心距为1 030mm 时，驱动桥壳的前6阶固有频率和振型描述见表1.
表1 板簧中心距为1 030mm 时，驱动桥壳1～6阶固有频率及振型描述
所研究的重型牵引车驱动桥壳板簧中心距的变化范围为1 000～1 260mm，当板簧中心距在此范围内变化时，按照以上约束条件和求解方法，分别求出驱动桥壳的前六阶模态振型和固有频率.从有限元分析软件ANSYS的求解结果可以看出，其振型描述均如表1所列；驱动桥壳前六阶固有频率随板簧中心距变化曲线见图3.
驱动桥壳所受的激励主要来自于路面，重型牵引车在路面上正常行驶时由路面产生的激励一般在0～50Hz的范围内.由图3可见，当板簧中心距在1 000～1 260mm 的范围内变化时，驱动桥壳的前六阶固有频率的最小值都在100 Hz左右，均大于重型牵引车正常行驶时由路面产生的0～50Hz的激励，说明驱动桥壳不会发生共振现象，驱动桥壳的结构设计合理.
图3 驱动桥壳前六阶固有频率随板簧中心距变化曲线
3 板簧中心距的变化对驱动桥壳疲劳寿命的影响
根据驱动桥壳台架试验方法［17］，对驱动桥壳进行疲劳寿命分析.采用如图2所示的驱动桥壳有限元模型，根据驱动桥壳台架试验工况，对驱动桥壳半轴套管轮距平面所有节点约束其x，y，z 3个方向的平动自由度；根据台架试验方法，在左右两个板簧座表面上施加垂直向下的频率为5 Hz的正弦波载荷，其最大值为重型牵引车满载轴荷的2.5倍，最小值为最大值的10%.所研究的重型牵引车满载轴荷为13t，故正弦波载荷的最大值Fmax为
式中：F 为重型牵引车满载轴荷，F＝130kN.可得，Fmax＝325kN.
正弦波载荷的最小值Fmin为
可得，Fmin＝32.5kN.
正弦波载荷曲线如图4所示.
图4 正弦波载荷
在有限元分析软件ANSYS中对板簧座施加初始载荷，即当t＝0s时的载荷，其值为F0＝178.75kN.当板簧中心距为1 030 mm 时，驱动桥壳的位移分布图如图5所示，驱动桥壳的应力分布图如图6所示.
图5 板簧中心距为1 030mm时，驱动桥壳位移分布图
图6 板簧中心距为1 030mm 时，驱动桥壳应力分布图
由图5可见，当板簧中心距为1 030mm 时，驱动桥壳的最大变形发生在其中间部分，最大位移量为1.257mm；由图6可见，当板簧中心距为1 030mm 时，驱动桥壳的最大应力发生在轮距平面处，最大应力为264 MPa.
当板簧中心距在1 000～1 260mm 的范围内变化时，按照以上约束条件、加载方式和求解方
法对驱动桥壳进行有限元分析.得到驱动桥壳的最大变形量随板簧中心距的变化曲线见图7，驱动桥壳的最大应力随板簧中心距的变化曲线见图8.
由图7～8可见，随着板簧中心距的变化，驱动桥壳的最大变形量和最大应力均发生较大的变化，说明板簧中心距对驱动桥壳的强度和刚度有着重要的影响.由图7 可见，当板簧中心距在1 000～1 260 mm 范围内变化时，驱动桥壳的最大变形量均小于2mm，满足刚度要求.从图8可以看出，当板簧中心距为1 030～1 040mm 时驱动桥壳的最大应力最小.
图7 驱动桥壳的最大变形量随板簧中心距变化曲线
图8 驱动桥壳的最大应力随板簧中心距变化曲线
使用疲劳分析软件FE-SAFE，读取有限元分析软件ANSYS中rst格式的结果文件，对驱动桥壳进行疲劳分析.由于FE-SAFE 软件的材料库中没有40Cr的疲劳参数，不能直接使用.但是材料的疲劳参数可以在软件中通过Seeger算法近似计算得到，该算法估算精度比较高，适用于普通碳素钢、合金钢等多种材料.在FE-SAFE 软件的材料库中输入半轴套管材料40Cr的抗拉强度σb＝980MPa和弹性模量E＝206GPa，便可以通过Seeger算法得出材料的疲劳参数：疲劳强化系数，循环应变强化指数b＝-0.087，疲劳延性系数，疲劳延性指数c＝-0.58.
在疲劳分析软件FE-SAFE 中对板簧座施加图4所示的正弦波载荷，并设定驱动桥壳的粗糙度Ra的范围为16～40μm，对驱动桥壳进行疲劳寿命分析.当板簧中心距为1 030mm 时，驱动桥壳的对数疲劳寿命分布图见图9.
图9 驱动桥壳的对数疲劳寿命分布图
由图9可见，当板簧中心距为1 030mm 时，驱动桥壳的的疲劳寿命薄弱位置在轮距平面处，其疲劳寿命为106.11次，即128.8万次，高于标准中要求的80万次的要求.
当板簧中心距在1 000～1 260mm 的范围内变化时，按照以上约束条件、加载方式和求解方法对驱动桥壳进行疲劳寿命分析.得到驱动桥壳的最小对数循环次数随板簧中心距的变化曲线如图10所示.其中，横坐标x 表示板簧中心距，纵坐标y 表示对数循环次数（以10为底数取对数后得到的结果）.即当横坐标x 为1 030mm 时，纵坐标y为6.11，循环次数为106.11次，也即循环次数为128.8万次.
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