轮式装载机湿式驱动桥壳有限元分析及结构改进
轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化设计
轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化设计摘要：利用ANSYS软件中的优化设计模块．建立轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化计算模型，并实现优化迭代计算。
经过优化迭代计算并作局部结构调整后的差速器壳体。
一方面加强了原设计方案的薄弱部位。
另一方面也使得整个结构布局更合理。
优化设计后的差速器壳体重量减轻了13．7％．降低了材料的成本。
关键词：轮式装载机；差速器壳体；有限元分析；优化设计差速器是轮式装载机驱动桥的重要组成部分。
发动机输出扭矩经过变速箱后传递至主传动，然后由差速器与左右半轴进行分开传动．保证装载机驱动桥(见图1)两侧车轮在行程不等时，能以不同速度旋转．从而满足行驶运动学的要求。
差速器壳与半轴通过法兰固定联接．把扭矩传递至两侧的轮边减速机构。
在国内某型号大型轮式装载机驱动桥开发设计中，利用有限元优化分析技术，对驱动桥的差速器壳体(见图2)进行了校核计算与结构优化设计。
1工况与载荷分析轮式装载机采用的是防滑式差速器．根据两侧轮胎处的地面行驶条件．差速器自动调整分配给左右半轴的扭矩比例．从而能保证装载机在不良路面条件下的通过性。
也就是说。
在装载机作业行驶过程中．差速器壳体承受的扭矩是变化的。
取极限作业工况作为差速器壳体的设计校核工况。
即装载机发动机的最大输出扭矩．经过各级传动后．作用在差速器的单侧．也就是说此工况下两侧的轮胎，一边达到最大输出扭矩．另一边输出扭矩为0。
可求出作用在差速器壳体上的最大扭矩式中τmax——发动机输出的最大扭矩；i——从发动机输端至差速器输入端之间的总传动比。
2建立有限元模型与分析在HyperMesh软件中完成差速器壳体网格的划分．通过软件接口将网格模型导入ANSYS中。
与半轴花键联接处施加固定约束。
在法兰安装孔处施加周向集中载荷式中N——法兰螺栓的数量：R——法兰螺栓周向布置半径。
差速器壳体有限元模型参数：单元类型Solid45．单元数量：259403，节点数量：74805。
汽车驱动桥壳的有限元分析和设计方法综述
汽车驱动桥壳的有限元分析和设计方法综述作者：支景锋来源：《中国化工贸易·中旬刊》2017年第11期摘要：驱动桥是为车辆运行提供动力和承载力的主要构件，其桥壳的设计和质量的优劣将影响车辆的安全性和实用性。
本文介绍了汽车驱动桥壳有限元分析的方法，对模型建立、静力学分析、疲劳寿命分析等关键环节进行了阐述，并据此介绍了轻量化设计的方法，提出了汽车驱动桥壳的设计要求和提高桥壳寿命的有效措施。
关键词：驱动桥壳；有限元；ANSYS；分析；设计1 汽车驱动桥壳的有限元模型建立有限元法是一种在工程分析中常用的方法，驱动桥桥壳结构是一个极为复杂的结构，在实际结构的基础上有效地建立简化而正确的有限元模型，是保证有限元分析准确的首要条件。
通常，在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。
由于汽车驱动桥桥壳结构形状较为复杂，包含许多复杂曲面，而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限，难以快速方便地对其建模。
因此，针对较复杂的结构，采用三维CAD软件如UG、SolidWorks、ProE等中建立几何模型，然后在有限元分析软件ANSYS Workbench 中通过输入接口读入实体模型，进而在ANSYS Workbench 中完成前处理等过程。
2 汽车驱动桥壳的静力学分析2.1 最大垂向力工况车辆满载在不平整路面快速行驶时，驱动桥壳同时承受垂向载荷和冲击载荷，此时的桥壳犹如一个简支梁，桥壳通过半轴套管轴承支于轮毂上，半轴套管的支撑点位于车轮的中心线上，垂直载荷取2.5倍满载轴荷，载荷施加在两个钢板弹簧座上，根据软件得到的变形图、应力图分析桥壳是否满足强度和刚度要求。
2.2 最大牵引力工况此工况为汽车满载以最大牵引力作直线行驶时的工况，不考虑侧向力。
此时左右驱动轮除作用有垂向反力外，还作用有地面对驱动车轮的最大切向反作用力。
此時需要得出最大牵引力的计算公式并根据公式进行计算处理。
2.3 最大制动力工况驱动桥壳承受垂向力、制动力和制动力在两板簧座位置引起的转矩。
轮式装载机工作装置的有限元分析
轮式装载机工作装置的有限元分析1、引言装载机是工程机械的主要机种之一，广泛用于建筑、矿山、水电、桥梁、铁路、公路、港口、码头等国民经济各部门。
国外装载机发展迅速，而我国装载机在设计上存在很多问题，其中主要集中在可靠性、结构设计强度等方面[1,2]。
由于采取“类比试凑”等设计方法在一定程度上存在盲目性，容易形成设计中的“人为”应力集中点，造成机构整体强度的削弱甚至破坏。
按这种设计生产出的产品，外观上看上去很强壮、刚性很好，但却有内在的设计缺陷，使用过程中常因工作装置结构强度等原因，产生开焊、甚至断裂等破坏，致使工作装置报废，造成重大经济损失。
本文将以SDZ20型装载机为例，建立有限元模型，在典型工况下用MARC软件进行静态结构分析，获得工作装置整体的应力及变形分布。
其结论对该种结构的优化设计有一定的指导意义。
2、工作装置结构受力破坏与力学特征2.1工作装置的结构工作装置由铲斗、动臂、横梁、支撑、摇臂、拉杆等组成。
各构件之间由铰销联接，有相对转动。
为了增强摇臂、支撑的刚度，在摇臂及支撑之间有筋板连接，在计算时，可以将其视为一体。
动臂上铰点与装载机前车架铰接，中部铰点与举臂油缸铰接；摇臂上铰点与翻斗油缸铰接。
用MARC对其做有限元静力分析中，认为工作装置各铰接处没有相对转动。
动臂是工作装置的主要受力部件，其截面形状为矩形；又因其长、宽方向远大于厚度方向，故可以用板壳元对动臂进行离散。
横梁截面为箱形，为焊接结构。
摇臂和支撑也是焊接结构，其焊接板的截面均为矩形。
考虑各构件的厚度远小于其它两个方向的厚度，可以认为均为板类零件。
2.2结构受力与破坏特征装载机整体结构为对称结构。
分析装载机插入、铲起、举升、卸载等的作业过程可知，装载机载初铲时，工作装置受力最大。
在整个工作过程中受到的外界载荷为不变载荷，主要是物料的重量以及机构自重。
由于物料种类和作业的条件不同，装载机工作时铲斗切削刃并非均匀受载，一般可以简化为两种极端情况：（1）认为载荷沿切削刃均匀分布，并以作用在铲斗切削刃中点的集中载荷来代替均布载荷，称其为对称受载情况；（2）非对称受载情况，由于铲斗偏铲、料堆密集情况不均，使载荷偏于铲斗一侧，通常将其简化为集中载荷作用在铲斗最边缘的斗齿上。
ZL40装载机桥壳断裂原因分析及改进措施
ZL40装载机桥壳断裂原因分析及改进措施第14卷增刊2001年9月石家庄铁道学院JOURNALOFSHIJIAZHUANGRAILWA YINSTITUTEV o1.14Supp.Sep.2001ZL40装载机桥壳断裂原因分析及改进措施张晓炜(石家庄铁道学院院办石宴庄050043).【擒要】针对国产某牌ZL40型装载机所发生的桥壳断裂现象,通过事故分析和强度校核从中发现了一些设计和制造方面存在的问题,提出了桥壳改进的意见.【关键词】轮式装载机桥壳断裂改进【中囝分类号】TH243【文献标识码】A【文章编号】1o06S226(200:)~一0l28—03.璧警窖寞苎誊展,土建工程施工中机械化程度越来越高.其中装载机在施工中的重要性竺竺:薏曼芎机在使用中出现的高故障率,给施工带来了较大的影响,制了;至.警生的桥壳断裂现象,通过事故分析和强度校核,发现了一些矗审存在的问题,提出了桥壳改进的意见和措施.一…………1断裂部位及断面情况.zI轮擎要.驱动桥壳如图1所示.桥壳本体材料为ZG45,轮边支撑轴材料为0C4ra在I,I两处有和桥壳焊接成一体的盘式制动器支架..…一……誓量复塞!兰.A—A,BB剖面.一般情况下断面与桥体轴线垂直,断口整齐,可明显分辩出断面光滑区和粗糙区,光滑区均位于桥壳下部,呈暗褐色,约占整个表面的:…围1装载机桥壳结构示意围一船A-A缸j~J苎,二为一年左右;B--B剖面发生断裂的时问不定,使用工况恶劣时1一般在年之内,工况较好时在两年左右.……………牧稿日期2001—06—20张晓炜男1965年10月出生工程师增刊张晓炜:ZL40装载机挢壳新裂原因分析及改进措施1292桥壳应力计算与强度校核(1)应力计算.驱动桥是装载机的主要受力构件,它同时承受弯矩和扭矩作用,强度计算复杂.通常应计算或考核下列四种典型工况的桥壳载荷和断面应力,各种工况下桥壳A—A,B-B截面上应力计算值见表la表1危险断面的应力计算值注t括号内的值为B--B截面加大后d_=]30ram时的应力(2)强度校校静强度一般按最大铲取牵引力时校核,但施工中一般有25的时间在倾角为l5.的斜坡工作,傲应按该工况校核强度轴的材料4ocTn:500MPa,且rJ—O.58a,;弯曲安全系数一/d一扭转安全系数n=n/～}屈服强度安全系数:,一%?%/lvH+H;当d一120mm时,计算得n=0.9;加大后d.一130ram时,计算得,一1.2.由表1数据显而易见,现行设计B—B截面的静强度不艟满足装载机最大铲取牵引工况的要求.当加大断面直径后,只要装载机在不大于l5.的斜坡横向铲取物料,桥壳就具有足够的静承载能力考虑到轮边支承轴的表面质量,尺寸及应力集中状况等对桥壳强度的影响,以铲取一次为一个应力循环,疲劳强度按最太长期作用载荷来校按,取最大长期作用载为最大峰值载荷的0.5倍,设[n]为疲劳极限的许用安全系数,n为只考虑弯矩作用的安全系数,一为只考虑扭矩作用的安全系数,则:安全系数n一≥]√一+n弯矩安全系数n由弯曲疲劳极限,弯曲切应力的应力幅”,弯曲切应力的平均应力弯曲平均应力折合应力幅的等效系数%,应力集中系数,表面质量系数p,绝对质量影响系数e决定,即:一)扭矩安全系数n由扭转疲功极限r…扭转切应力的应力幅L,扭转切应力的平均应力r-,扭转平均应折合应力幅的等效系数,应力集中系数K表面质量系数,绝对质量影响系数e决定,即:一许)疲劳过程通常发生于构件的局部区域,这些区域往往存在外部荷载引起的高应力与应变.同时,疲劳裂纹常常起始于有最大应力的表面形状或尺寸突变处.AA表面改进焊接工艺,即可满足要求但必须对容易发生事故的B—B剖面进行校核.①B—B剖面直径加大前dl一120ram,r~Tmm,对~120mm,~150rnm轴段进行高频淬火处理.计算得n=1.78.当n<2时,此类动载零件在选到规定寿命之前.使用中将会出现疲劳裂纹乃至断裂,故取[n]一2作为校核界线.②B—B剖面直径加大后130石家庄铁道学院第14卷d=130ram,r7ram,沿轴对~130mm,~150mm轴段进行连续高频淬火表面强化处理.计算得=2.5>[n],符合强度条件,实践证明,可满足有效寿命的工作要求3桥壳断裂原因分析由于作业环境恶劣,最大瞬时载荷产生的应力超过材料的屈服极限时,就会在应力集中处首先产生裂纹,又由于静强度不足会加速裂纹源的产生过程,缩短疲劳寿命的第一阶段,致使断裂时间较短.作业工况较好时,由最大瞬时载荷产生的应力超过材料的屈服极限,桥壳在交变应力的反复作用下,在变截面轴肩处因较大应力集中而产生疲劳源.桥壳下部受拉应力,上部受压应力,故在桥壳下方加工刀痕或圆弧过渡不圆滑处首先形成非常细小的裂纹,疲劳寿命的第一阶段所需时间较长,相应的断裂时闻也较长裂纹源间断的应力集中又促使裂纹继续扩展,使轴的强度削弱,直至强度不足便发生臆性断裂.形成了有光泽的粗糙区}而光滑区则是形成裂缝后两侧不断摩擦造成的,同时因油侵入裂缝中而其呈暗褐色.A—A割面由于焊缝集中,焊后产生残余应力,不可避免地在近裂缝区产生残余应力和徽裂纹.匿此,任何一个焊接映陷的存在,都会使桥壳疲劳寿命的第一阶段发展所需的时间减少由金柑分析证明,因焊接热循环,会引起焊接热影响区金属的韧性下降.冬季焊接时,如焊接工艺不妥,焊后保温不好,形成淬硬组织,冷裂进而造成裂纹源.实践证明,A--A剖面处裂纹源形成较早,故断裂时间一般较早.4改进措施及建议为满足装载机工作时对静强度和疲劳强度的要求,建议将d1由120mm增至130ram.改善B-B剖面处的受力状态,增大轴肩处的圆角r值或加工卸载槽等,以缓解应力集中状况-提高轮边支撑轴的表面质量,同时对圆弧过渡进行高频淬火表面强化处理,提高桥壳疲劳寿命在A_A剖面处,将手工焊改为气体保护焊,焊后用硅酸铅或珍珠岩进行保温处理焊接工艺改进后的桥壳,几年来在A-A剖面处未发生过断裂现象.桥壳的结构缺陷难以避免,因而,为了保证有足够的使用寿命,除对桥壳进行疲劳强度计算外,建议对桥壳杭裂性进行可靠性设计和分析.参考文献Eli(苏)c.B谢联先.机械零件的承载能力和强度计算I-M].北京机械工业出版社,1984.69~138[2】诸文袁.底盘设计EM3.北京:机槭工业出版社,1982.35~89 [3]同济大学等.工程机械底盘构遣与设计[M].北京:中国建筑工业出版杜,]980.121~187[4]扬黎明,黄凯等.机械零件设计手册[M].北京,国防工业出版社,1987.88~188 CauseAnalysisandImprovementMeasuresfor AxesHousingBreakageofZL40LoadersZhangXiaowei(President’soffice,ShijiazhuangRailwayInstitute.Shijiazhuang050043) [Abstract]Axeshousingbreakageoftenoccursinthecaseofcertainbrand0fd ome8ticallymanufacturedZL~0loaders—Inviewofthisphenomenon,throughcaseanal ysisandintensitycorrection. itisfoundOUtthatthereexistsomefaultsinthedesignandmanufacturingofth emachine.Bornepractica1 suggestionsandopinionsforimprovementareputforward. [Keyword]tyreloaderaxeshousingbreakageimprovement (责任垴辑橱建成)。
轮式装载机湿式驱动桥壳有限元分析及结构改进
分 单元 网格 ， 并且 可 以保证 较 高 的计 算精 度 。在 ＡＮＳ ＹＳ中建立 的桥 壳几 何模 型如 图 １ 。 采用 Ｓ ｌ ９ ｏｉ ５单元 对 桥壳划 分 网格 ， ｄ 该单 元是 Ｓ ｌ ４ ｏｉ ５的高 阶形式 ， ｄ 为二 次 等参 单 元 ， 元 的棱边 经 映射 单
投 影后是 抛物 线 ， 有 较高 的几何 边界 模 拟能力 ， 具 能够较 好地 模拟 三维 结构 的应 力及 变形 情况 。划 分 网格后
加载 下 的刚度 ， 衡量 指标 是单 位长 度 （ 桥壳 的最大 变形 不超过 １ ５ｍｍ（ 桥壳 轮距 为 ２ １ ； 其 ｍ） ． 本 ． ５ｍ） 考察 驱
垂直静力弯曲和各常见工况下作 了静 力学分析 ， 得到 了桥 壳的 变形 和应 力场。结果表 明该桥 壳 结构在静 栽荷 下整 体变形较小 ， 符合 刚度要 求 ， 且结构具有相 当的安 全余量 。根 据有 限元分析 结 果， 在桥 壳 满足 强度 和刚度设 计要 求 的前提 下 ， 对桥 壳部分位置 的壁厚和倒 角作 了结构改进 ， 达到桥 壳轻量化设 计的 目标 ， 降低 了桥 壳的生产成本。
１ 桥 壳 有 限元 模 型 的建 立
装载机 驱 动桥壳 主要 由桥 壳体 和 轮 边 支 撑轴 通 过 螺 栓 连 接 构 成 。桥 壳 建 模 采用 ＡＮＳ ＹＳ的 ＡＰ Ｌ语 Ｄ 言 ， 立 的桥壳模 型 能够 较为 方便 地进 行尺 寸修 改 ， 有 良好 的扩 充性 ［ 建 具 引。 桥 壳 的形状 较复 杂 ， 建立 几何 模 型时作 了一些 简化 。 网格 划 分过程 中 ， 在 诸如 倒角 和ｄ Ｆ 等 结构 细节 特 ，Ｌ 征 往往 造成 网格划 分 的 困难 ， 而这些 结构 并不 是桥 壳 的危 险受力 部 位 ， 忽略 这些 结构 ， 故 以利 于 简化建 模 、 划
基于UG的装载机驱动桥壳有限元分析
图 ２ 有限元模型
力【 ｓ ｏｌ ｏ
４ 驱 动桥壳 有 限元分析
４ １ 有限元分析方案 ． 由于前驱动桥壳 是通 过螺栓 与车架刚性联 接 ，而载荷作
用的力 、弯 矩和扭矩 等是经过车轮及 轮边减速器 等传递到桥
壳 的 法 兰端 面 上 。因 此 ，在 桥 壳 有 限 元 分 析 中 ，法 兰 端 面 处
参 数化 结 构 优 化 。从 而 提 高 车辆 驱 动 桥壳 结 构 的 设 计 水平 ，减
（） ４ 参数化优化设计 ：在指定优化 目标、定义 约束和定义
变量 之 后 ，计 算 出最 优 结 果 。
３ 有 限 元模型 的建立
对产 品进 行参数化建模 ，可以用参数建立起 零件 内各特
征 之 间 的 相互 关 系。 同时 ，通 过 设 计 时 设 定 的关 联 参 数 实 现
相关部件 的关 联改变 ，可 以有效地减少设 计改变的时 间及成 本 ，并 维护设 计的完整性。设计软件采用Ｕ ／ Ｇ ＮＸ，基于 自顶
少实际试验研究费用和时间 ，提高设计效率 。
２ Ｇ ｕ 软件简介及有限元分析方法
Ｕ ｉｒｐ ｉ （ ．Ｃ ｎｇ ａ ｈｃ ＵＧ） ＡＤ／ ＡＭ／ ＡＥ系统提供了一个基于 ｓ Ｃ Ｃ
为载荷作用位 置 ，而在变截 面箱形梁 与车架联接处 表面为 固 定约束 面 ，即在约 束面上 的所 有节点 为零位 移点 ，如 图３ 所
松 比为０ ３ ． ，许用应 力为【 ｓ ０ ～７ ９ ｏ］ ０ ８ Ｍ阳 。 ＝４
图 １ 参数化模型
４ ２ 结构静力学分 析 ． ４ ２ １ 满载运行 紧急制动工况 ．．
从图４ 、图５ 可以看 出，桥壳在工况 Ｉ中受力变形 ，其最大 的位 移处于桥壳的法兰端 面，为１ １ ２ ．４ ｍｍ，最小的位 移是被 约束的变截 面箱形梁与车 架联接处表 面地 方。每米轮距 的变 形量 为 １１２ ．４ｍｍ／ ．９ ｍ＝０ ８ １ １３ １ ．２ｍｍ／ ｍ，远小于 国标规定的 １５ ．ｍｍ／ ｍ。根据第四强度理论 ，最大Ｖｏ ｓｓ ｎ ｍｉ 等效应力为 ｅ ３６４ ａ ８ ．ＭＰ ，出现在变截 面箱形梁 约束 处的附近 ，小 于许用应
驱动桥壳有限元结构分析
第1章绪论驱动桥壳是汽车的主要零件之一，作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，它是汽车的主要承载件和传力件，支撑着汽车的荷重，并将载荷传给车轮。
在实际行使中，作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、横向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上的。
同时，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。
因此，合理地设计驱动桥壳，使其具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶平顺性和舒适性。
1.1国内外研究现状过去工程师在对简单机械结构进行分析时，都要进行一系列的简化与假设，再采用材料力学、弹性力学或塑性力学的理论进行分析。
随着工业技术的迅速发展，有越来越多的复杂结构，包括复杂的几何形状、复杂的受力状态等问题需要去分析研究，而在工程实际中，这些复杂的问题往往不能求出它们的解析解。
[1]要解决这些问题通常有两种途径：一是试验法，通过提出一定假设，回避一些难点，对复杂问题进行简化，使之成为能够处理的问题[2]。
然而，由于太多的简化和假设，通常会导致极不准确甚至错误的解答。
因此，另一种行之有效的途径就是尽可能保留问题的实际状况，寻求近似的数值解。
而在众多的数值方法中，有限元分析法因其突出的优点而被广泛地应用。
经过半个多世纪的实践，有限元法已从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题；从静力问题扩展到动力问题、稳定问题和波动问题；从线性问题扩展到非线性问题；从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连续介质领域；从单一物理场计算扩展到多物理场的耦合计算[4]。
它经历了从低级到高级、从简单到复杂的发展过程，目前已成为工程计算最有效的方法之一。
2001年，重庆大学的褚志刚等学者对某后桥壳进行了静强度分析计算，结果表明该后桥壳静态分析的应力分布合理，在实际破坏区域内的静态应力很小，但分析结果与该车在实际道路试验中的破坏不相吻合。
通过模态分析发现，其前九阶频率与路面谱频率范围重合，模态振型尤以后背盖与上下壳体的焊接处、半轴套管内端直径渐变处、上壳体倒圆处的变形较大；当桥壳和弹簧系统在垂直激励作用下时，即通过动态响应分析法，找出桥壳上的动应力集中区，确认破坏的确切位置，与实际情况相吻合。
农用车驱动桥壳的有限元分析与结构改进
重要 的 圆孔ｌ ＿ ２ ］ 。然后பைடு நூலகம்分别对 桥壳 本体 和半轴 套 管进 行
网格 划 分 ， 最终划 分 网格 单元 为 ９ ５ ０ ６ ５个 ， 节 点 为 ３ ０ ５ ２ ７ 个， 简化 后 桥 壳 的有 限元 模 型如 图 １所 示 。对
郭 冬 青 ，张翠 平 ，姚 晓博 ，肖帅 ，张鹏 超 ．农 用 车 驱 动桥 壳 的有 限 元 分 析 与 结 构 改进 ［ Ｊ ］ ．中 国农 机 化 学报 ，２ ０ １ ５ ， ３ ６ （ ５ ） ：１ ９ ８ ～２ ０ ２
Ｇｕ ｏ Ｄｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ，Ｚｈ ａ ｎ ｇ Ｃｕ ｉ ｐ ｉ ｎ ｇ，Ｙａ ｏ Ｘｉ ａ ｏｂ ｏ，Ｘｉ ａ ｏ Ｓ ｈｕ ａ ｉ ，Ｚｈ ａ ｎ ｇ Ｐｅ ｎ ｇｃ ｈ ａ ｏ ．Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ｏ ｆ ａ ｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ
第 ３ ６ 卷 第 ５ 期 ２ ０ １ ５年 ９月
中 国 农 机化 学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｖｏ １ ． ３ ６ Ｎｏ ． ５
Ｓｅ ｐ ． ２ ０ｌ ５
０ 引言
驱动桥壳 是底 盘最 重要 的承载 部件口 ］ ， 作为 主减 速
器及轮边减速器 的装配基体 ， 在使用过程 中承受不同程 度
和 不 同 工况 的交 变 载 荷 ， 因此 极 易 产 生微 观 裂 纹 并 进一 步 扩 展形 成 宏 观 裂 纹 。Ｓ Ｙ ５ ８ １ ５ — ２ Ｎ 型 某 品 牌 农 用 低 速 货 车
轮式装载机前车架的有限元分析与结构优化
轮式装载机前车架的有限元分析与结构优化蔡应强;陈清林;丁旭光【摘要】Taking ZL50 loader as the research object,3D model was created by the Pro/E software.By importing the model to the ABAQUS software,the finite element model was established.Based on the dynamic finite element analysis of the loading-time course,the stress distribution graph of the front frame under typical working conditions was obtained. The results show that the local structural stress peak was too large and stress concentration points were too many under lifting and unloading working conditions.Increasing the reinforcing rib and the transition fillet at the stress concentration points,and optimizing the thickness of the reinforcing rib,the stress status of the front frame was obviously improved. The stress concentration phenomenon was eliminated.The safety coefficient was improved about 200%.%以某 ZL50装载机前车架为研究对象，利用 Pro／E 软件建立三维实体模型，导入 ABAQUS 软件建立有限元模型。
轮式装载机驱动桥壳体的故障与排除
轮式装载机驱动桥壳体的故障与排除作者：朱波王钢来源：《中国新技术新产品》2009年第23期摘要:壳体类零件作为驱动桥各散装零部件的重要支撑体,是驱动桥的基本骨架,其作用不言而喻。
在驱动桥中,壳体类零件主要包括桥壳壳体、主减速器壳体(托架)、差速器壳体、轮边减速器壳体(行星架与轮毂)四类典型壳体。
任何壳体类零件出现微小故障或壳体细微变形均可导致零件间相对位置精度及齿轮间的啮合关系发生改变,从而降低驱动桥的作业效率和使用寿命,影响整机的使用性能和作业能力,因此及时预防和排除各类常见的早期故障就显得极为重要。
下面主要介绍这四类壳体的常见故障的表现与基本诊断排除方法。
关键词:轮式装载机驱动桥壳体;故障;排除通常,驱动桥总成主要由驱动桥壳体、主减速器总成(含差速器)、轮边减速器总成、制动钳以及全浮式左右半轴等部分组成。
总体来说一般可以分为壳体类零件、齿轮类零件、轴类零件、轴承类零件以及密封类零件五大类。
1 桥壳壳体的常见故障表现与基本排除方法1.1 桥壳壳体的常见故障表现驱动桥桥壳是装载机传动系统的主要零件之一,它起着支承装载机荷重的作用,并将载荷传递给车轮。
作用在驱动轮胎上的牵引力、制动力、横向力也是经过桥壳传递到车架安装座以及前后车架上。
因此,桥壳既是承载件又是传力件,同时它又是主减速总成(包括差速器)、轮边减速总成以及驱动车轮等传动装置(如半轴)的安装支承体。
根据国内主要装载机制造商50型驱动桥的故障反馈情况,桥壳的主要故障是前驱动桥壳体产生变形与裂纹,其次是处于桥壳端部的轮边减速支撑轴轴承安装处配合面的磨损。
通常在前后桥壳体相同的情形下,由于铲掘、满载等作业因素影响,装载机前驱动桥壳的工况远比后桥壳恶劣,因而桥壳的开裂几乎全部集中在前桥,因此,作为机器的操作者和管理维护单位应定期检查桥壳外形是否有裂纹或变形,尤其是前桥壳。
作为装载机基础件的驱动桥壳,除了是车架、车轮的承载件以外,在机器行驶、作业、制动等一系列的运输作业过程中,还承受着弯曲、扭曲等多种综合应力,因而容易发生变形。
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效应力为 118 M Pa ,在轴承座台阶处 。
工况 Ⅱ 桥壳的变形主要由桥荷作用下的垂向变形和牵引力作用下的水平方向变形造成 ,整体的变形 如图 7 ,最大变形位置在轮边支撑轴 ,最大变形为 0. 53 mm ,轮距变形为 0. 25 mm/ m 。桥壳的等效应力如图 8 ,最大等效应力在桥壳体的板簧座部位为 196 M Pa ,轮边支撑轴的最大等效应力为 165 M Pa 。
face154 作用在轮边支撑轴与齿圈支承接触的花键上 。
Ⅲ. 侧滑 装载机最大爬坡角为 30°,当车辆沿 30°斜坡侧向行驶时 ,若重心作用线超出支撑面 (较低一
侧车轮与地面的接触面) ,车辆将发生侧翻 。在发生侧翻的临界状态时 ,地面对轮胎的侧滑力和垂向力分别
为 78. 4 、135. 8 kN ,侧滑力对桥壳产生的弯矩为 63. 3 kN ·m 。在有限元模型中 ,桥壳的约束位置为板簧座 ,
383 M Pa ,在轮边支撑轴轴承台阶处 ;桥壳的最大变形为 2. 5 mm 。在轮边支撑轴轴承台阶的应力较高部位
取节点路径 2 (图 2 所示) ,查看该区域应力分布情况 ,
如图 4 。图 4 表明该区域应力集中较明显 ,在结构的局
部区域 ,其应力超过了屈服极限 ,表明该区域已进入塑
性区 ,但塑性区很小 ,未出现严重的塑性变形 。
桥壳受到的外力均作用在单侧轮边支撑轴 ,地面对桥壳的支撑力 、侧滑力和侧滑弯矩均作用在轴承套管表面。
三种工况的有限元计算结果如下 。
工况 Ⅰ 桥壳变形如图 5 ,最大变形位置在轮边支撑轴 ,最大变形为 0. 45 mm ,轮距变形约为0. 21 mm/ m。
桥壳的等效应力如图 6 ,最大等效应力为 159 M Pa ,在桥壳体的板簧座外侧边缘部位 。轮边支撑轴的最大等
底部的壳体和处于中部的桥包在各工况下受力均较
小 ,这是由于板簧座和桥壳体的法兰厚度分别达到
了57 mm和 60 mm ,对整个桥壳的刚度贡献较大 。 可将桥壳按图 11 所示进行结构改进 。板簧座厚度
图 11 桥壳体结构改进方法
从57 mm减为 52 mm ,板簧座底部的桥壳壁厚从 18 mm 减薄为 16 mm ,将桥包的壁厚从 12 mm 减薄为
动工况 ,并分析前桥的受力 。前桥桥壳受到的垂向载
图 4 节点路径 2 的等效应力
荷和制动力分别为 213. 6 、121. 3 kN ,制动扭矩为 97. 9 kN ·m 。在有限元模型中 ,桥壳的约束位置为板簧
座 ,地面对桥壳的支撑力 、制动力均作用在轴承套管表面 ,因制动力产生的扭矩通过表面效应单元 Sur2
3 倍桥荷和 6 倍桥荷 ,约束部位均为左右两侧轮边支撑轴的轴承套管表面 ,左右两侧表面约束其在垂向 ( y
方向) 和水平方向 ( z 方向) 的位移 ,在轴向 ( x 方向) 只约束一侧 ,另一侧无约束 。
经计算 ,得到额定桥荷下桥壳的等效应力 ,桥壳的最大等效应力出现在轮边支撑轴 ,最大值为 238 M Pa ,
1. 5 mm/ m以内 。最大变形位置位于桥包 ,在桥包位置取节点路径 1 (图 2 所示) 查看其变形分布情况如图
3 。桥壳的最大等效应力在轮边支撑轴部位为 601 M Pa ,桥壳体的最大等效应力为 194 M Pa ,均小于对应材
料 (40Cr 和 Q T400218) 的屈服极限 。
在 6 倍额定桥荷下 ,桥壳的最大等效应力为 919 M Pa ,位于轮边支撑轴 ; 桥壳体的最大等效应力为
采用 Solid95 单元对桥壳划分网格 ,该单元是 Solid45 的高阶形式 ,为二次等参单元 ,单元的棱边经映射 投影后是抛物线 ,具有较高的几何边界模拟能力 ,能够较好地模拟三维结构的应力及变形情况 。划分网格后 的桥壳有限元模型如图 2 ,共有 415428 个单元 ,643340 个节点 。
以上分析表明 ,桥壳在垂直弯曲下的有限元模拟试
验的刚度和静强度满足国家标准设计要求 。
2. 2 三种典型工况
分析桥壳在牵引 、制动和侧滑三种典型工况下的结
构强度 ,是桥壳结构设计的重要指标 。由于装载机工作
时重物集中在前部 ,故在典型工况下前桥壳工况比后桥
恶劣 ,本文只对前桥作有限元分析 。
图 3 节点路径 1 的变形
收稿日期 : 2009 - 10 - 09 基金项目 : 浙江省科技厅项目 (2009C11 G2060022) ; 新苗人才计划项目 (2008R40 G2060053) 作者简介 : 史永伟 (1985 - ) ,男 ,江西上饶人 ,硕士研究生 ,主要从事机构学与机械动力学方面的研究 。
432
1 桥壳有限元模型的建立
装载机驱动桥壳主要由桥壳体和轮边支撑轴通过螺栓连接构成 。桥壳建模采用 AN S YS 的 A PDL 语 言 ,建立的桥壳模型能够较为方便地进行尺寸修改 ,具有良好的扩充性[3] 。
桥壳的形状较复杂 ,在建立几何模型时作了一些简化 。网格划分过程中 ,诸如倒角和小孔等结构细节特 征往往造成网格划分的困难 ,而这些结构并不是桥壳的危险受力部位 ,故忽略这些结构 ,以利于简化建模 、划 分单元网格 ,并且可以保证较高的计算精度 。在 AN S YS 中建立的桥壳几何模型如图 1 。
加载下的刚度 ,其衡量指标是单位长度 (m) 桥壳的最大变形不超过 1. 5 mm (本桥壳轮距为 2. 15 m) ;考察驱
动桥壳在 6 倍额定桥荷作用下的静强度 ,其要求是 ,驱动桥壳在 6 倍额定桥荷作用下不发生垂直弯曲失效
(断裂或严重的塑性变形) 。
桥壳在三种垂直静力弯曲情况下的有限元分析中 ,在桥壳的板簧座表面分别施加垂直向下的额定桥荷 、
浙 江 理 工 大 学 学 报
2010 年 第 27 卷
桥壳体材料为 Q T400218 ,轮边支撑轴材料为 40Cr ,根据材料手册 ,其机械性能如表 1 所示 。
表 1 桥壳材料机械性能
材料
弹性模量/ GPa
泊松比
密度/ (kg/ m3 )
屈服极限/ MPa
0. 72 mm/ m , 6 倍额 定桥 荷 下 最 大 等 效 应 力 为 945 M Pa ,未出现大的塑性区和严重的塑性变形 , 桥壳的刚度和强度符合国标要求 。
在相同工况下对改进后桥壳作有限元静力分 析 ,计算结果列于表 2 。
由上述分析可知 ,改进后桥壳的最大应力和 变形相对原桥壳均略有增大 ,但其强度和刚度均 符合设计标准要求 ,达到了桥壳轻量化设计目标 。
桥壳的约束位置为板簧座 ,地面对桥壳的支撑力和牵
引力作用在轮边支撑轴轴承套管表面 ,因牵引力产生
的扭矩通过表面效应单元 Surface154 作用在轮边支
撑轴与齿圈支承接触的花键上 。
Ⅱ. 制动 装载机满载行驶过程中急刹 ,由于制
动减速度形成的惯性力与地面的制动力形成力偶 ,使
前后桥垂向载荷重新分配 ,考察使后轴车轮离地的制
第3期
史永伟等 :轮式装载机湿式驱动桥壳有限元分析及结构改进
433
Ⅰ. 牵引 装载机整机操作质量为 16. 8 t ,额定
载荷为 5 t ,满载时总重为 21. 8 t 。前桥桥荷约为总
质量的 75 % ,即 16. 35 t [4] 。在发动机最大输入扭矩
下 ,前桥最大牵引力可达 61 kN 。在有限元模型中 ,
以上分析表明 ,桥壳在各种典型工况下的变形均较小 ,最大应力均有较大的安全余量 ,可去除应力较小 区域的部分材料 ,减轻桥壳重量 。
3 桥壳结构改进
在桥壳满足各工况下的强度和刚度设计标准要
求的前提下 ,对桥壳体的结构作恰当的改进 ,以减轻
桥壳的整体重量 。
根据原桥壳结构的有限元静力学分析 ,板簧座
史永伟 , 李剑敏 , 项生田 , 张磊涛
(浙江理工大学机械与自动控制学院 , 杭州 310018)
摘 要 : 在有限元分析软件 ANS YS 中采用 A PDL 语言 ,建立了装载机湿式驱动桥壳的有限元模型 。对桥壳在 垂直静力弯曲和各常见工况下作了静力学分析 ,得到了桥壳的变形和应力场 。结果表明该桥壳结构在静载荷下整 体变形较小 ,符合刚度要求 ,且结构具有相当的安全余量 。根据有限元分析结果 ,在桥壳满足强度和刚度设计要求 的前提下 ,对桥壳部分位置的壁厚和倒角作了结构改进 ,达到桥壳轻量化设计的目标 ,降低了桥壳的生产成本 。
强度极限/ MPa
Q T400218
175
0. 28
7 100
250
400
40Cr
210
0. 30
7 800
785
980
2 桥壳结构静力学分析
2. 1 垂直静力弯曲
驱动桥额定桥荷是考虑到材料强度 、轮胎负荷等因素 ,由制造厂家所规定的桥荷能力 。本桥壳的额定桥
荷为 19 t 。按照国家标准 ,除了分析额定桥荷下桥壳的应力与变形外 ,还需要考核驱动桥壳在 3 倍额定桥荷
比较的项目
整体变形/ mm
原桥壳
工况 Ⅰ 工况 Ⅱ 工况 Ⅲ
0. 45 0. 53 0. 42
最大等效应力/ M Pa 桥壳体 轮边支撑轴
159
118
11 mm 。由于桥壳体与轮边支撑轴连接的法兰应力水平相对较高 ,可保留其初始设计的厚度 。分析表明在
侧滑工况下 ,法兰内壁倒角处应力较大 ,可把倒角从 5 mm 改为 8 mm 。原桥壳体的质量为 284 kg ,改进后桥
壳体的质量为 257 kg ,桥壳体质量减少了约 9. 5 %。
改进后桥壳在 3 倍额定桥荷下轮距变形为 表 2 原桥壳与改进后桥壳的变形和应力对比
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Байду номын сангаас
2010 年 第 27 卷
工况 Ⅲ 由于侧滑中 ,桥壳的全部外力均作用在侧滑方向的单侧轮边支撑轴上 ,所以桥壳的变形和应力 都集中在侧滑一侧 ,另一侧基本不受力 。