某越野车驱动桥承载能力设计

李文博 陈传增 居刚

摘 要：文章以某越野商用车驱动桥设计为例，阐述了驱动桥承载能力的设计及验证过程。驱动桥作为汽车的核心部件之一，接受由变速箱传来的发动机扭矩，再由齿轮系和半轴将转矩传递至轮端，使得车辆可以正常行驶；同时，桥壳承载了来自车身的重力，那么驱动桥就同时起到了承重和承扭的作用；在越野车辆上，驱动桥还要接受来自转向器的转矩，将其转化为轮端的摆动，从而起到转向的作用。因此，越野车驱动桥的设计与普通车辆并无本质不同，但是也有较大的差别，尤其对于越野商用車而言，合理的设计其驱动桥的承重能力，才能使其更好的发挥作用。

关键词：驱动桥；越野车；载荷；力矩；有限元分析

中图分类号：U462 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）12-70-04

Abstract： This paper describes the design and verification of the loading capacity of axle for an off-road vehicle.As an important part of a truck， axle converts engine torque from the gearbox to the wheel end， this allow the vehicle to run normally. At the same time， the shell of axle carries gravity from the body， axle acts as both load bearing and torsion bearing. Axle of off-road vehicle also bears the torque from the steering gear to steer the vehicle. So the axle of an off-road vehicle is not fundamentally different from that of an ordinary vehicle， but it is also quite different. Especially for off-road commercial vehicles， we need to choose the right model and structure， in order to save cost and get the axle work better.

Keywords： axle； off-road vehicle； load； moment； finite element analysis

CLC NO.： U462 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-70-04

引言

随着汽车行业的发展，汽车具备了众多用途，普通汽车多用于各级公路行驶，也可在恶劣路况下使用，但是出现故障的几率极高，导致无法保障出勤率。这里就体现出对越野车辆的需要，越野车具备很多优点，如通过性好，底盘离地间隙大，在越过沟壕或凹凸路面时，不至于因底盘损伤而无法行驶；可靠性好，可以适应不同气候、地形条件下各种路面上的行驶需要；能够适应多种路况，在较差路况甚至是无路的情况下行驶，那么驱动桥的匹配和设计开发过程中要求就会增多，本文即是以某品牌8×8越野车（下文称本车）所用驱动桥开发过程为例，对越野车驱动桥承载能力相关的设计内容进行相应的探讨。

1 概述

越野车辆使用环境复杂，某品牌8×8全驱越野车采用发动机前置、非独立悬架、分动器水平中置的方式进行了总体布置，该种布置形式综合考虑了车辆的承载能力、通过性能、机动性能等方面，整车爬坡度达到60%，并能在越野路以平均时速22km/h快速通过，在各种路段保持了充足的动力性和通过性，满足多种野外作业需要。

2 驱动桥简介

驱动桥可按照多种形式进行分类，如按照桥壳的形式分类，有断开式和整体式，断开式多配置于独立悬架的乘用车，整体式多用于商用车，这里的选择主要基于成本和功能的平衡，同等承载能力下，采用独立悬架的成本要远高于非独立悬架；按照其减速形式来区别，可以分为单级减速桥、双级减速桥，其中，双级减速桥有的是在主减处采用齿轮系形成二级减速，有的是在主减和轮边设计齿轮系形成二级减速，单级桥多用于公路高速行驶车辆，双级桥多用于承载较大、速度较低的车辆，而一般越野商用车综合成本、通过性、承载能力的考虑，多采用双级桥。根据有无转向作用，还可以分为转向驱动桥和一般的驱动桥，越野商用车根据需要，在全驱车辆上也会采用转向驱动桥，这同时兼顾了车辆的越野能力和承载能力。

3 越野车驱动桥的承载能力设计

3.1 驱动形式的选择

本车的驱动形式取决于整车的载荷分配，如本车因适应特殊使用需求，整车前段分配的载荷较大，因此选用的双前桥形式承载；然后整车后段因需要满足承载和牵引两种需求，所以配置了双后桥用于承载后段载荷；另外，本车定位长期进行野外作业，车辆可能通过多种复杂的地形，如通过泥泞、涉水、坑洼地段，这就需要车辆在单个或多个车轮处于悬空或打滑状态下，仍然可以保持车辆有足够的动力脱离该区域，基于该条件要求，采用了全驱形式，即前桥为转向驱动桥，后桥为双联驱动桥，该种配置可以保证车辆在恶劣路况条件下顺利通过。

3.2 驱动桥吨位的选择

由式①、②、③得出一二轴及双后轴轴荷。理论计算轴荷通常作为参考使用，由于现实情况下材质的不均匀性及各项组装误差，需要在完成样车生产时，进行整车质心试验确定较为准确的质心位置，从而核算整车上下坡时各轴轴荷及上装翻转时的理论轴荷，确保整车不会出现翻侧的情况，此处不做赘述。

本车首先根据上述理论计算确定了理论轴荷，并根据理论轴荷进行了样车匹配，然后结合样车实际秤测最终确定的各轴轴荷，满载时各项数据分别为8200、7500、8310、8160（单位：kg），由此数据判断，采用9t桥基本可满足使用需要，但考虑到本车属于长期野外作业车辆，为确保驱动桥在反复的冲击功作用下可以保持良好的质量水平，在此按10t桥进行了开发匹配。

3.3 驱动桥桥壳承载能力校核

完成驱动桥轴荷计算及相应的桥壳结构设计后，需要确定桥壳的承载能力，保证驱动桥在受各向力时，尽量减少变形量，参照QC/T534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》要求，驱动桥每米变形量不得超过1.5mm。应力集中区域也是校核过程中需要关注的方面，否则产品在受到大载荷及反复冲击下，容易在应力集中区域出现异常变形，甚至会出现弯曲、断裂，过去这一过程需要在试验台架上进行模拟测试或者在样车上进行道路试验确定产品强度，周期长、成本高，而随着计算机技术的发展，这一过程可以通过计算机模拟技术实现，如果条件允许，可以结合预期用途采集路谱进行更为精准的模拟。

本车在设计过程中按照QC/T534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》对承载能力进行了相应分析，模拟过程采用HYPERWORKS、Abaqus软件。

分析过程：

桥壳材料：ZG35CrMo，采用铸造加工方式，主要为本车驱动桥桥壳结构更为适合铸造加工。桥壳采用SOLID单元，螺栓和焊缝采用RBE2单元模拟，分析输入参数如表1。

结论：

在工况一下刚度分析：由后桥最大位移云图来看，后桥桥壳最大变形为1.003mm，最大变形/轮距为0.48mm/m，小于目标值1.5mm/m，最大应力175MPa，安全系数为屈服强度除以最大应力等于2.5，该安全系数数值大于1.5，满足设计要求。

载工况二下强度分析：由后桥最大应变云图来看，后桥桥壳最大塑性应变值为0.49%，小于目标值2%，消除倒角最大应力，桥壳的最大应力373MPa小于450MPa，满足设计要求。

3.4 转向节承载能力校核

本车所配置的一二桥为转向驱动桥，那么在一二桥上就安装了转向节，转向节也是转向驱动桥上主要受力件之一，不同于桥壳，转向节受力较为复杂，因此其主要载荷的加载采用惯性释放法进行计算，无约束。综合成本、加工工艺方面影响，选用35CrMo材质，采用铸造加工。

模拟过程中，转向节采用SOLID单元，螺栓和焊缝采用RBE2单元模拟，分析使用的软件有HYPERWORKS、Nastran。

即转向节产品的强度满足要求且具备一定的安全系数，从图9-图13来看，在不同工况下的应力情况也未出现影响产品寿命的程度，可以应用至该驱动桥上。

3.5 桥壳承载能力试验

桥壳的承载能力经过理论计算及模拟校核后，为了进一步确定产品的实际承载能力，应对其进行试验验证，这里通过台架试验及道路试验进行了确定，其中台架试验过程如下：

试验项目：垂直弯曲疲劳寿命检测、垂直弯曲刚性检测

试验输入条件：

满载轴荷：PN=10T 轮距：L1=2159mm 簧距：L2=1089mm

试验参数：检测最大载荷Pmax =300 kN，检测最小载荷Pmin=100kN，检测脉冲频率4.5Hz

试验执行及判定标准：根据QC/T533-1999《汽车驱动桥台架检测方法》、QC/T534-1999《汽车驱动桥台架检测评价指标》要求。

试验结果：样件变形量为1.17mm、0.98mm，最低疲劳寿命为116.4万次，中值疲劳寿命为116.6万次。

试验验证结论：试验项目符合试验判定要求。

4 结论

本文通过对越野车驱动桥设计过程中驱动桥在越野车承载能力上的设计过程进行了相应的探讨，形成以下开发过程：

（1）针对用途选取驱动形式，越野车辆以全驱为优先；

（2）综合成本、性能、通过性等方面选取驱动桥类别，本车即以非断开式驱动桥作为首选；

（3）结合理论与样车承载数据设计驱动桥吨位；

（4）采用FAE分析确定驱动桥桥壳承载能力和应力分布状况，完成理论校核；

（5）通过台架试验及道路试验最终确定产品的承载能力。

当然，理论的设计过程主要在于产品样车试制前，使其在理论上满足用途要求，而完成理论校核及试验验证后，理想状态下需对整车进行道路试验对理论分析进行验证，同时也是对零部件水平进行实际测试，本车在完成驱动桥开发后，于越野路行驶6000km，未出现承载能力失效问题，证明对产品承载能力方面的设计过程是较为完善的。

参考文献

[1] 胡迪青，梁高福，胡于进，李成刚.重型越野车驱动桥智能设计系统[J].华中理工大学学报，1999，

[2] 胡迪青，易建軍，胡于进，李成刚.基于模块化的越野汽车驱动桥方案设计及性能综合评价[J].机械设计与制造工程，2000.

[3] 高梦熊.地下装载机驱动桥壳强度计算[J].工程机械，2002，

[4] 曲补和.地下矿车用驱动桥的国产[J].山西机械，1999，

[5] 陈家瑞.汽车构造（上册） [M].北京：机械工业出版社，2000.

[6] 陈家瑞.汽车构造（下册） [M].北京：机械工业出版社，2000.