基于仿生学理论的自卸车驱动桥桥壳优化设计

肖鸿飞，范春利，许可，黄超，张娜

摘 要：以某型自卸车驱动桥桥壳设计为例，基于仿生学理论对桥壳后盖进行轻量化设计，实现降重并提高了桥壳中部离地间隙;桥壳内腔流线设计，降低铸造难度，提高零件质量;板弹簧座及反作用杆上支架的优化设计减少加工面积，降低能耗。采用Pro/E对桥壳进行三维建模，通过有限元计算与优化前现有模型进行对比分析，优化后的桥壳安全系数满足使用要求。

关键词：桥壳;仿生学;轻量化;优化设计

中图分类号：U463.218+.5  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）23-94-03

Optimization Design of Dump Truck Drive Axle Housing Based on Bionics Theory

Xiao Hongfei， Fan Chunli， Xu Ke， Huang Chao， Zhang Na

（ Commercial Vehicle Development Institute of FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Jilin Changchun 130011 ）

Abstract： Taking the structural design of the driving axle housing of a dump truck as an example， the back cover of the axle housing is lightweight designed based on bionics method， which realizes weight reduction and improves the clearance between the middle and the ground of the axle housing; streamline design of the inner cavity of the axle housing reduces the difficulty of casting and improves the quality of the parts; optimization design of the support on the plate spring seat and reaction bar reduces the increase. Work area， reduce energy consumption. Pro/E is used to build the three-dimensional model of the axle housing. By comparing the finite element calculation with the existing model before optimization， the safety factor of the optimized axle housing meets the requirements of use.

Keywords： Drive axle housing; Bionics; Lightweight; Optimal design

CLC NO.： U463.218+.5  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）23-94-03

前言

國家交通部门按照标准对车辆重量进行严格管制，超载情况减少，车辆趋于轻量化设计。轻量化车辆利于油耗降低、利于多装货物。驱动桥作为整车主要动力总成有必要进行轻量化设计，桥壳作为主要的承载件在轻量化设计时一定要保证其可靠性。本文在保证承载可靠的前提下对自卸车铸造桥壳基于仿生学理论进行优化设计，实现轻量化，达到降低厂家生产成本及用户用车成本的目的。

1 仿生桥壳设计方法

众所周知，具有曲线的外形、厚度又很薄、主要承受压力的结构在建筑上叫薄壳结构，鸡蛋就是典型的薄壳结构，见图1，人用一只手掌不借助外力很难将鸡蛋捏碎，当鸡蛋均匀受力时，可以承受34.1kg的力，其具有如此大的承受力，是与它特有的蛋形曲线有关。均匀的力来捏鸡蛋时，通过拱形蛋壳对力的传导，作用在鸡蛋壳上的大部分力是蛋壳自身之间的纵向挤压力，而它能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。

图1  典型薄壳结构的鸡蛋

图2  桥壳后盖外形设计

本文将利用鸡蛋所具有的相似的形状和分布状态，开展基于仿生学理论的驱动桥桥壳优化设计。

2 仿生桥壳轻量化设计

以某型自卸车驱动桥桥壳为例，桥壳中部上下截面采用类似蛋形的椭圆形设计，内腔采用椭球形和椭圆形设计，见图3和图4。在保证可靠性的前提下，使壁厚尽量减薄。桥壳壁厚均匀变化，中部最薄，满足铸造工艺。内腔流线形状好，利于铸造时铁水流动和清沙，壁厚分布均匀变化。从内腔优化前后状态对比来看，优化后的桥壳布局均匀，有效减少应力集中的影响，见图5和图6。

图3  桥壳中部外形设计      图4  桥壳中部内腔设计

图5  桥壳内腔优化前状态图   图6  桥壳内腔优化后状态图

桥壳钢板弹簧座取消内部减重处理，外部进行了优化，减少桥壳加工面积，反作用杆上支架处理方法一致，方断面壁厚进行减薄处理，整桥优化后模型实现降重约25kg，见图7。

图7  优化设计后桥壳

3 仿生桥壳有限元计算对比分析

在台架、垂直、侧向、制动几个工况中，台架工况最恶劣，以台架工况进行计算，相关参数见表1。

表1  零件材料属性

边界条件：

轴荷为16T，轮距1882mm，簧距1040mm，轮胎滚动半径527mm。

约束：与台架试验支撑方式一致，一段简支，一段滑动支撑，同时桥壳在垂直面内不转动。

载荷：在钢板弹簧座施加压力，大小16T，动载系数2.5。

关键位置示意图见图8，变形分布、安全系数分布云图见图9。

图8  关键位置示意图

图9  桥壳变形分布、安全系数分布云图

表2  各关键位置应力计算结果

表3  台架试验状况下桥壳的刚度

表4  各关键位置疲劳安全系数计算结果

由表2、表3和表4对比分析可以看出，桥壳在台架工况下垂直刚度及满载时每米轮距最大变形均满足要求，且桥壳刚度较原始模型有较大提升。

4 结论

本文基于仿生学理论对桥壳进行优化设计，可以实现桥壳轻量化设计。本次优化的桥壳部分属于材料为铸铁的整体桥壳本体，该方法也适用于铸钢桥壳及铸造插管结构桥壳的轻量化设计。

参考文献

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