转向驱动桥轴叉结构设计及计算分析

窦 聪，孔 豪，张朝阳，郝 恒

转向驱动桥轴叉结构设计及计算分析

窦 聪，孔 豪，张朝阳，郝 恒

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

轴叉是转向驱动桥中的关键零部件之一，其结构的合理性直接影响到整桥的转向及承载性能。文章从一款18 t转向驱动桥轴叉的结构设计、材料选择、运动校核和计算分析等方面，详细阐述了轴叉的设计分析过程，并通过有限元分析从模拟仿真方面确定了设计产品的可行性，为相似产品的设计及分析提供了方法和理论支撑。

转向驱动桥；轴叉结构设计；轴叉轮廓；计算分析

多轴起重机或特种车辆对其匹配桥型要求较高，需部分桥总成具备转向和驱动功能，通常解决此类问题的方案是使用断开式主销和准等速万向传动轴，因此，关键零部件（轴叉）的设计就尤为重要。轴叉上下端需装配主销，内腔需与双联万向传动轴配合，而双联万向传动轴在转向过程中存在左右窜动和位置变化，因此，轴叉在设计过程中需详细设计内腔及外廓尺寸，本文针对一款18 t转向驱动桥，根据客户需求及整桥结构对轴叉进行了详细设计。

1 轴叉结构设计方案

1.1 常用结构及材料

轴叉型式多样，最常用的轴叉型式如图1所示，其结构为开放式，制造简单、应用广泛，常用材料为30Mn2[1]。

图1 轴叉结构

1.2 结构设计过程

依据相配件的结构及运动关系，对轴叉进行建模设计[2]，在设计过程中需重点关注以下两类间隙变化。

1）轴叉与转向节在转向过程中的设计间隙随转角的不同会发生变化[3]，而在极限转角时轴叉外轮廓与转向节相对间隙最小，具体的间隙如图2、图3所示，经分析最小间隙为8 mm，符合要求。

图2 转角为0°时轴叉与转向节的相对位置

图3 极限转角时轴叉运动姿态及间隙

2）同样，轴叉与万向传动轴在转向过程中的间隙也是变化的，极限转角时，轴叉内轮廓与万向节间隙相对最小，具体如图4、图5所示。经分析最小间隙为14 mm，符合要求。

图4 转角为0°时轴叉与传动轴相对位置

图5 极限转角轴叉运动姿态及间隙

2 计算分析过程

2.1 计算参数和有限元分析

依据客户要求，此款18 t转向驱动桥匹配的车型为六轴起重机，具体计算参数如表1所示。

表1 分析计算参数表

项目参数 额定扭矩输出/(Nm)88 000 制动力矩/(Nm)100 000 车轮滚动半径/m0.721

轴叉选用的材料为30Mn2，调质硬度为22～32 HRC，可知其许用应力为420 MPa。经对轴叉进行有限元分析[4]，其约束模型如图6所示。

图6 分析模型

经过分析，两种工况下应力的具体结果如图7所示。

图7 分析结果

由图7可知，垂向工况和驱动工况的轴叉应力均已超过许用应力，其风险较大，需进一步进行结构优化。

2.2 改进分析

基于上述分析结果，轴叉上端应力较大，而连接上下端主销的轮廓为变截面设计，与下端相比，上端连接处稍显薄弱，若需降低应力，应在此处结构设计上进一步优化。而改进优化完后需重新按照本文1.2小节相关内容重新核对配合间隙。

依据轴叉应力分布，对轴叉应力较大处进行结构优化[5]，优化轮廓变截面厚度分布，结合转向运动关系，保持内腔轮廓不变，仅增加上端外轮廓直径，具体的优化前后的轴叉数模如图8所示。

图8 优化前后轴叉轮廓对比

对优化后的轴叉进行空间校核分析，由于优化轴叉仅变更其轮廓外径，其余部分并未进行任何改动，因此，需重点核对在极限转向时优化处与转向节的间隙，依据上文1.2小节进行校核，具体核对结果如图9所示，优化处与转向节间隙较大，也不是轴叉与转向节的最小间隙。综上所述，从结构设计来讲，此优化方案可行。

图9 轴叉优化处与转向节间隙

同时，对优化后的轴叉再次进行有限元分析，具体结果如图10所示。

图10 优化后轴叉分析结果

依据图10结果可知，轴叉计算应力小于许用应力，优化轴叉符合设计要求，可进行试制验证。

3 结论

转向驱动桥轴叉的运动较为复杂，在设计建模过程中，需充分考虑其与转向节、双联万向传动轴的运动间隙，同时，通过有限元分析从模拟仿真方面确定设计产品的可行性，此方法可进一步提升设计产品的成功率，减少开发时间和成本。

[1] 约森·莱姆佩尔.悬架元件及底盘力学[M].北京:吉林科学技术出版社,2000.

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[5] 连文香.汽车门把手结构优化设计[J].汽车实用技术, 2022,47(3):95-99.

Structural Design and Computational Analysis of Shaft Fort for the Steering Drive Axle

DOU Cong, KONG Hao, ZHANG Zhaoyang, HAO Heng

( Shaanxi Hande Axle Company Limited, Xi'an 710201, China )

The shaft fork is one of the key components in the steering drive axle, and its structure rationality directly affects the steering and bearing performance of the whole axle.From the structural design, material selection, motion check and calculation analysis of an 18t steering drive axle shaft fork, the paper expounds the design and analysis process of the shaft fork in detail, and determines the feasibility of the design product from the simulation aspect through finite element analysis,which provides the method and theoretical support for the design and analysis of similar products.

Steering drive axle; Shaft fork structural design;Shaft fork outline;Computational Analysis

U463.218+.7

A

1671-7988(2023)12-77-03

窦聪（1987－），女，硕士，工程师，研究方向为车桥开发，E-mail:doucong_8790@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.015