姚 健

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

窄體專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)前軸最大承載能力為2t，已不滿(mǎn)足市場(chǎng)發(fā)展，需開(kāi)發(fā)一款適合承載能力強(qiáng)、安全系數(shù)高的2.5t 前軸。前軸是前橋總成中重要的工作部件，其壽命直接影響汽車(chē)可靠性，前軸強(qiáng)度分析是正向設(shè)計(jì)中非常重要的部分，校核前軸的設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足使用要求，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。準(zhǔn)確合理的建立前軸數(shù)學(xué)模型，是前軸強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)。本論文的主要目的就是在經(jīng)初步建立的2.5t 前軸模型基礎(chǔ)上，計(jì)算2.5t 前軸強(qiáng)度是否滿(mǎn)足在各種復(fù)雜工況下的使用要求，為產(chǎn)品后續(xù)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)，從而降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

1 建立二維模型

圖1 2.5t 前軸二維圖

2 前軸強(qiáng)度分析計(jì)算

2.1 前軸強(qiáng)度分析理論計(jì)算所需技術(shù)參數(shù)

對(duì)于2.5t 前軸強(qiáng)度分析，主要計(jì)算前軸中間位置和板簧托板位置截面的工作應(yīng)力，前軸主要承受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。在進(jìn)行前軸強(qiáng)度分析之前首先計(jì)算相應(yīng)截面的抗彎截面模量和抗扭截面模量。

2.1.1 抗彎截面模量的理論計(jì)算

鋼托位置截面參數(shù)：a=25 b=40 c=14 B=130 C=14 h=62 H=90

中間位置截面參數(shù)：a=14 b=74 c=14.5 B=74 C=14.5 h=40 H=69

在計(jì)算抗彎截面模量之前，首先要計(jì)算形心的位置。

鋼托截面形心到下端的距離：

中間截面形心到下端的距離：y1'=34.5

鋼托截面形心到上端的距離：

鋼托截面形心到上端的距離：

計(jì)算垂直方向的慣性矩Iv、Iv'和水平方向的慣性矩Ih、Ih'。

鋼托截面垂直方向的慣性矩Iv：

中間截面垂直方向的慣性矩：Iv'=1631139

鋼托截面水平方向的慣性矩：

中間截面水平方向的慣性矩：Ih'=988438

前軸兩截面處垂直方向的抗彎截面模量Wv、Wv'和水平方向的抗彎截面模量Wh、Wh'。

鋼托截面垂直方向的抗彎截面模量Wv：

中間截面垂直方向的抗彎截面模量Wv'：

鋼托截面水平方向的抗彎截面模量Wh：

中間截面水平方向的抗彎截面模量Wh'：

2.1.2 抗扭截面模量的理論計(jì)算

鋼托截面的抗扭截面模量：

Jk——鋼托截面的極慣性矩，mm4；

δ——鋼托截面的矩形的最大寬度，mm。

根據(jù)受力分析，中間截面處承受扭力較小，此處可忽略不計(jì)算。

2.2 前軸在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的強(qiáng)度分析

根據(jù)前軸的使用條件，應(yīng)力分析計(jì)算主要分為兩種工況：緊急制動(dòng)和側(cè)滑工況。

2.2.1 在制動(dòng)工況下的前軸強(qiáng)度分析

制動(dòng)時(shí)前輪承受的制動(dòng)力Pr和垂向力Z1傳給前軸，使前軸承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。

考慮到制動(dòng)時(shí)汽車(chē)質(zhì)量向前橋的轉(zhuǎn)移，則前輪所承受的地面垂向反力為：

前輪所求受的制動(dòng)力為：

由Z1和Pr對(duì)前軸引起的垂向彎矩Mv和水平方向的彎矩Mh在兩鋼板彈簧座之間達(dá)最大值，分別為：

制動(dòng)力Pr還使前軸在主銷(xiāo)孔至鋼板彈簧座之間承受轉(zhuǎn)矩T：

前軸在鋼托附近危險(xiǎn)斷面處的彎曲應(yīng)力σw和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ (單位均為MPa)分別為：

在制動(dòng)工況下，前軸在中間截面附近危險(xiǎn)斷面處不受扭曲應(yīng)力，僅受彎曲應(yīng)力(單位為MPa)。

前軸采用40Cr 合金鋼制造，硬度為HR241～285。

2.2.2 在側(cè)滑工況下的前軸強(qiáng)度分析

當(dāng)汽車(chē)承受最大側(cè)向力時(shí)無(wú)縱向力作用，左、右前輪承受的地面垂向反力Z1L、Z1R和側(cè)向反力Y1L、Y1R各不相等，可推出前輪的地面反力(單位都為N)分別為

側(cè)滑時(shí)左、右鋼板彈簧對(duì)前軸的垂直作用力為：

汽車(chē)側(cè)滑時(shí)左、右前輪輪轂內(nèi)、外軸承的徑向支承力(單位為N)分別為：

將由式（16）-（19）求得的Z1L、Z1R、Y1L、Y1R代入式（21）-（24）即可求得左、右前輪輪轂內(nèi)軸承對(duì)輪轂的徑向支承力S1L、S1R和外軸承對(duì)輪轂的徑向支承力S2L、S2R，這樣也就求出了輪轂軸承對(duì)輪軸的徑向支承反力。前梁的最大彎矩發(fā)生在側(cè)滑方向一側(cè)拳部的主銷(xiāo)孔處(Ⅰ-Ⅰ剖面處)；而另一例則在板簧座處(Ⅱ-Ⅱ剖面處)，可由下式直接求出：

欲計(jì)算主銷(xiāo)孔處的彎曲應(yīng)力，必須先計(jì)算出Ⅰ-Ⅰ剖面處的抗彎截面模量WI-I：

在側(cè)滑工況下，前軸不受扭曲應(yīng)力，僅受彎曲應(yīng)力，即可計(jì)算出主銷(xiāo)孔的彎曲應(yīng)力σI-I和另一側(cè)鋼托的彎曲應(yīng)力σⅡ-Ⅱ。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)《汽車(chē)非驅(qū)動(dòng)類(lèi)前軸臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)方法》，將試驗(yàn)件模擬整車(chē)狀態(tài)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上。試驗(yàn)加載參數(shù)額定載荷為2.5T，試驗(yàn)力加載載荷下峰值是額定載荷的0.5 倍即1.25T，上峰值是額定載荷的3.5 倍即8.75T。試驗(yàn)臺(tái)作動(dòng)器沿垂直方向?qū)υ囼?yàn)樣件施加上下循環(huán)試驗(yàn)力，試驗(yàn)頻率為3Hz。

對(duì)三根前軸進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，編號(hào)為1#、2#、3#。試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1 前軸臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

汽車(chē)非驅(qū)動(dòng)類(lèi)前軸疲勞壽命同時(shí)達(dá)到B5 不小于30 萬(wàn)次（或B10 不大于38 萬(wàn)次）和B50 不小于70 萬(wàn)次雙指標(biāo)的為合格品，故根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，三根樣件全部合格。

4 結(jié)論

本論文主要研究2.5t 前軸在制動(dòng)和側(cè)滑工況下受力情況。

（1）在緊急制動(dòng)工況下，主要分析中間截面和鋼托截面的彎曲應(yīng)力和抗扭應(yīng)力。

（2）在側(cè)滑工況下，主要分析主銷(xiāo)孔和鋼托截面的彎曲應(yīng)力。

通過(guò)理論校核和試驗(yàn)結(jié)果2.5t 前軸滿(mǎn)足使用要求。