山林越野车用转向驱动桥壳轻量化设计

作者:马长城;王丰元;王伟;邓娟; 刊名:农业装备与车辆工程 上传者:薛迎红

【摘要】利用有限元分析软件对山林越野车用转向驱动桥壳进行了不同工况下的有限元分析,并根据分析结构对桥壳进行了优化设计,优化后桥壳重量减轻了12.6%,轻量化效果十分显著,同时经台架试验验证了结构设计的合理性.

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0引言转向驱动桥壳作为汽车的重要元件,肩负着承载和转弯双重作用。特别是在复杂的山林地区,路面大多是土渣铺成,路况恶劣、弯路多、爬坡困难,汽车行驶经过坑洼路面时,将承受车轮传来的冲击载荷[1]。如果桥壳结构不合理,桥壳会发生断裂的危险。同时,为了满足轻量化需求以节约成本,本课题选取多种典型综合工况,通过有限元软件对该转向驱动桥壳进行了强度分析和研究,根据分析结果,对桥壳进行了优化设计,并根据国家相关标准进行了台架试验验证,进一步验证了桥壳设计的合理性及有限元分析的可靠性。1桥壳三维模型的建立传统的转向驱动桥壳壳体和桥拳是焊接在一起的,考虑到该转向驱动桥使用路况复杂,桥壳受力工况恶劣。本课题将桥壳壳体、桥拳、后盖设计为整体变截面式铸造桥壳。该桥壳结构如图1所示。2桥壳有限元分析2.1材料属性设置假设本文研究的桥壳系统的材料是均匀且各向同性的,各零部件所涉及的材料参数如表1。2.2网格划分本文铸造结构均采用四面体单元,销、螺栓等结构采用六面体单元,对分析关注及影响载荷传递的图1转向驱动桥壳Fig.1Steeringdriveaxlehousing表1桥壳系统材料参数表Tab.1Materialparametersofaxlehousing零件材料弹性模量/Pa泊松比密度/(kg/m3)屈服强度/MPa抗拉强度/MPa桥壳QT500-71.62E+110.2937.00E+03320500转向节42CrMo2.12E+110.2807.85E+039301080图4桥壳质量随迭代次数变化曲线Fig.4Thecurvesofaxlehousingmasswiththenumberofiterations140120100806040200质量/kg1234567891011121314151617迭代步连接部位均建立自动接触关系[2],划分的网格如图2。为了更真实地模拟桥壳在汽车上的受力情况,将转向驱动桥装配在整车车架简化模型中,对各种行驶状况进行分析,分析模型如图3所示。2.3约束与加载本文研究的转向驱动桥主要应用于东南亚地区,该地区多为丘陵、山地区域,工况恶劣、坡度大、转弯多,路况较为复杂。故本章选取制动+冲击、制动+转弯、冲击+转弯、制动+冲击+转弯等4种工况对桥壳进行了受力分析,表2给出了各工况下施加的载荷大小。将计算的各工况下的垂向力、纵向力、侧向力施加到桥壳的钢板弹簧座处,制动力矩施加到轮毂上,约束加在车轮中心线处,对两端进行全约束处理[3-4]。2.4转向驱动桥壳优化前后分析结果本文利用有限元软件对该转向驱动桥壳进行计算分析,分析结果显示应力集中在桥壳端部立筋处,因此需要对其进行结构优化设计,降低最大等效应力。(1)设计变量为了保证桥壳端立筋处的应力条件,将该区域的上壁厚t1及下壁厚t2、侧壁厚t3以及筋的宽度t4设为设计变量T,即T=[t1,t2,t3,t4]为节省计算迭代次数和时间,根据设计经验,对设计变量的探寻范围进行限制,见表3。(2)目标函数结构优化的目标函数就是桥总成的总质量。而桥质量和体积紧密相连的,体积为厚度的函数,因此桥质量也是厚度的函数[5],则优化目标为W=minf(t)(3)约束条件将桥壳材料的屈服强度作为应力约束条件,即320MPa,则s.t.g(t)=-3200综上,建立该桥壳的最优化数学模型如下:W=minF(t)T=t1,t2s.t.g(t)0(4)优化结果经过17次迭代,优化过程结束。从设计结果序列中可知最佳设计序列为第12次。此时整个桥壳的质量约为84kg,节点最大等效应力为318MPa。目标函数随迭代次数

参考文献

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