某UTV 全地形越野车后桥箱体结构分析

杨方媛，李 冬，王利娟

（1.重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆400041；2.中国电建集团成都电力金具有限公司，成都610100；3.重庆理工大学 车辆工程学院，重庆400054）

0 前言

UTV（（Utility Vehicles），即全地形越野车。最开始UTV 是以农业和林业生产使用为主，目前多为越野爱好者使用。其结构属于半封闭式驾驶室，有方向盘，后部有开放式车箱，相比以前，现在的车型在动力和安全性上都有所提升，包括增加了防滚架、赛车座椅、多点式安全带等。同时，也进一步提高了舒适性。但是，由于目前UTV 户外娱乐使用较多，工作环境多为山区丛林、沙滩等，较为恶劣，常常会出现箱体出现裂纹等情况，给用户体验带来了危险，因此本文通过有限元法对箱体结构进行分析，研究其应力分布情况，从设计初期对结构进行加强。

1 有限元模型建立

UTV 工作条件较为恶劣，发动机传输动力到箱体，箱体内部通过复杂的齿轮对传动，将动力传输至轴，最后通过轴将动力传输至后桥。由于箱体内部包含齿轮、轴承以及轴等传动零件，并使它们保证正常的运动关系及运动精度，此外，箱体内部结构设计还必须能够储存润滑剂，同时保证密封性，因此箱体结构复杂，常见的箱体结构如图1 所示。

图1 箱体结构图

在建模之前对模型进行合理的简化十分必要[1]。有限元模型的准确度将会对求解速度和分析结果的精度产生很大的影响[2，3]。比如，将螺栓联接简化为梁单元，通过后箱体输入扭矩进行传动计算，求解出齿轮受力分析，再根据机械设计中轴承设计理论计算轴承所受载荷，将其加载至箱体中轴承支承面。在本文中，其中网格单元类型选择四面体单元，前后箱体的材料均为ZL108，该材料抗拉强度σb= 255 MPa，考虑疲劳强度，许用应力值取50 MPa。结构强度合格的判断依据为：结构最大应力材料许用应力[4，5]。

本研究中，发动机曲轴最大扭矩为55.6 N·m/4 500 r/min，综合考虑CVT（无极变速器Continuously Variable Transmission）及主副轴的传动效率（CVT 的传动效率取85%），根据UTV 的后驱运行工况，得出：后箱体的输入扭矩为547 N·m，前箱体的输入扭矩为273.5 N·m。前后箱体的齿轮参数如表所示：

表1 弧齿锥齿轮的基本参数表

建立的箱体FE 模型如图2 所示：

图2 箱体FE 模型

2 箱体齿轮与轴承受力计算

前后箱体中采用的齿轮是弧齿锥齿轮。弧齿锥齿轮的齿面有凸齿面及凹齿面，工作面不同，轮齿所受的作用力也不同。在本模型中，驱动齿轮采用的是左旋（L）小齿轮，被动齿轮采用的是右旋（R）大齿轮。前后箱体中齿轮的旋转方向及轮齿的受力分析如图3、表2、表3 所示。

图3 弧齿锥齿轮的旋转方向及轮齿受力分析图

表2 箱体的齿轮受力分析表

表3 后驱工况下齿轮受力分析计算表

后驱工况下正常行驶时，主动轴逆时针旋转，驱动小齿轮左旋（L），轮齿面凸面啮合，CVT 发动机有四个档位，L（加力档）、H（前进档）、N（空档）、R（倒档），前进时最大扭矩应该用L 档减速比计算，倒车时应该用R 档减速比计算，主动轴及从动轴轴承的受力分析计算如表4 所示。

表4 后驱工况下前进时轴承的受力分析计算表

后驱倒车工况时，主动轴顺时针旋转，驱动小齿轮左旋（L），轮齿面为凹面啮合，主动轴及从动轴轴承（轴承为标准件，在箱体中仅起到支撑轴的作用，本文分析对象为箱体壳体结构，故在图1 中给出箱体结构）的受力分析计算如表5 所示。

表5 后驱工况下倒车时轴承的受力分析计算表

3 分析结果

后驱工况下只有后轮驱动，箱体的输入扭矩为547 N·m，故后驱时对后箱体进行强度分析。分析结果如图4 与图5 所示。

图4 前进时后箱体分析结

图5 倒车时后箱体分析结果

图4 中关中重部位的最大应力值为80 MPa，且安装孔附近的应力值达210 MPa，图5 中关重最大应力值为62 MPa，且安装孔附近的应力值达200 MPa，大于许用应力值50 MPa，强度不合格。

4 优化方案

针对以上箱体分析结果，对箱体结构进行局部加强筋设计，具体优化方案如图6 所示。

图6 后箱体优化方案

图6 中，左边图中加强筋布置位置如图红色圈内所示，加强筋厚度为4 mm，右边图中加强筋改进方案为将图示中加强筋延长至安装孔端面，并且加强筋厚度由2.8 mm 增加至4 mm。优化分析结果如图7 所示。

与原结构箱体应力值相比，图7 中关中重部位的最大应力值由80 MPa 下降为55 MPa，且安装孔附近的应力值由210 MPa 下降至170 MPa，图8 中关重最大应力值由62 MPa 下降为47 MPa，且安装孔附近的应力值由200 MPa 下降为111 MPa，比原结构应力值大幅度下降，表明优化方案合理。

图8 优化倒车时分析结果

5 结束语

本文采用有限元数值模拟方法，对UTV 全地形越野车后桥箱体在后驱工况下进行了结构分析，并基于分析结果对原结构进行结构优化，总结如下：

（1）UTV 全地形越野车工作环境较为复杂，需要对后驱与四驱工况均进行评价，本文只考虑了后驱前进与倒车两个工况，需要进一步改进。

（2）后驱前进与倒车两个工况下，箱体应力值大于许用应力，箱体强度不合格。

（3）对箱体结构进行局部加强，优化方案分析结果表明，应力集中区域应力值减小，优化方案合理。