肖鴻飛，范春利，許可，黃超，張娜

摘 要：以某型自卸車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼設(shè)計(jì)為例，基于仿生學(xué)理論對(duì)橋殼后蓋進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)降重并提高了橋殼中部離地間隙;橋殼內(nèi)腔流線(xiàn)設(shè)計(jì)，降低鑄造難度，提高零件質(zhì)量;板彈簧座及反作用桿上支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)減少加工面積，降低能耗。采用Pro/E對(duì)橋殼進(jìn)行三維建模，通過(guò)有限元計(jì)算與優(yōu)化前現(xiàn)有模型進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化后的橋殼安全系數(shù)滿(mǎn)足使用要求。

關(guān)鍵詞：橋殼;仿生學(xué);輕量化;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.218+.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(guó)家交通部門(mén)按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)輛重量進(jìn)行嚴(yán)格管制，超載情況減少，車(chē)輛趨于輕量化設(shè)計(jì)。輕量化車(chē)輛利于油耗降低、利于多裝貨物。驅(qū)動(dòng)橋作為整車(chē)主要?jiǎng)恿偝捎斜匾M(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，橋殼作為主要的承載件在輕量化設(shè)計(jì)時(shí)一定要保證其可靠性。本文在保證承載可靠的前提下對(duì)自卸車(chē)鑄造橋殼基于仿生學(xué)理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化，達(dá)到降低廠(chǎng)家生產(chǎn)成本及用戶(hù)用車(chē)成本的目的。

1 仿生橋殼設(shè)計(jì)方法

眾所周知，具有曲線(xiàn)的外形、厚度又很薄、主要承受壓力的結(jié)構(gòu)在建筑上叫薄殼結(jié)構(gòu)，雞蛋就是典型的薄殼結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1，人用一只手掌不借助外力很難將雞蛋捏碎，當(dāng)雞蛋均勻受力時(shí)，可以承受34.1kg的力，其具有如此大的承受力，是與它特有的蛋形曲線(xiàn)有關(guān)。均勻的力來(lái)捏雞蛋時(shí)，通過(guò)拱形蛋殼對(duì)力的傳導(dǎo)，作用在雞蛋殼上的大部分力是蛋殼自身之間的縱向擠壓力，而它能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個(gè)部分。

圖1 ?典型薄殼結(jié)構(gòu)的雞蛋

圖2 ?橋殼后蓋外形設(shè)計(jì)

本文將利用雞蛋所具有的相似的形狀和分布狀態(tài)，開(kāi)展基于仿生學(xué)理論的驅(qū)動(dòng)橋橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 仿生橋殼輕量化設(shè)計(jì)

以某型自卸車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼為例，橋殼中部上下截面采用類(lèi)似蛋形的橢圓形設(shè)計(jì)，內(nèi)腔采用橢球形和橢圓形設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3和圖4。在保證可靠性的前提下，使壁厚盡量減薄。橋殼壁厚均勻變化，中部最薄，滿(mǎn)足鑄造工藝。內(nèi)腔流線(xiàn)形狀好，利于鑄造時(shí)鐵水流動(dòng)和清沙，壁厚分布均勻變化。從內(nèi)腔優(yōu)化前后狀態(tài)對(duì)比來(lái)看，優(yōu)化后的橋殼布局均勻，有效減少應(yīng)力集中的影響，見(jiàn)圖5和圖6。

圖3 ?橋殼中部外形設(shè)計(jì) ? ? ?圖4 ?橋殼中部?jī)?nèi)腔設(shè)計(jì)

圖5 ?橋殼內(nèi)腔優(yōu)化前狀態(tài)圖 ? 圖6 ?橋殼內(nèi)腔優(yōu)化后狀態(tài)圖

橋殼鋼板彈簧座取消內(nèi)部減重處理，外部進(jìn)行了優(yōu)化，減少橋殼加工面積，反作用桿上支架處理方法一致，方斷面壁厚進(jìn)行減薄處理，整橋優(yōu)化后模型實(shí)現(xiàn)降重約25kg，見(jiàn)圖7。

圖7 ?優(yōu)化設(shè)計(jì)后橋殼

3 仿生橋殼有限元計(jì)算對(duì)比分析

在臺(tái)架、垂直、側(cè)向、制動(dòng)幾個(gè)工況中，臺(tái)架工況最?lèi)毫樱耘_(tái)架工況進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ?零件材料屬性

邊界條件：

軸荷為16T，輪距1882mm，簧距1040mm，輪胎滾動(dòng)半徑527mm。

約束：與臺(tái)架試驗(yàn)支撐方式一致，一段簡(jiǎn)支，一段滑動(dòng)支撐，同時(shí)橋殼在垂直面內(nèi)不轉(zhuǎn)動(dòng)。

載荷：在鋼板彈簧座施加壓力，大小16T，動(dòng)載系數(shù)2.5。

關(guān)鍵位置示意圖見(jiàn)圖8，變形分布、安全系數(shù)分布云圖見(jiàn)圖9。

圖8 ?關(guān)鍵位置示意圖

圖9 ?橋殼變形分布、安全系數(shù)分布云圖

表2 ?各關(guān)鍵位置應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 ?臺(tái)架試驗(yàn)狀況下橋殼的剛度

表4 ?各關(guān)鍵位置疲勞安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2、表3和表4對(duì)比分析可以看出，橋殼在臺(tái)架工況下垂直剛度及滿(mǎn)載時(shí)每米輪距最大變形均滿(mǎn)足要求，且橋殼剛度較原始模型有較大提升。

4 結(jié)論

本文基于仿生學(xué)理論對(duì)橋殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)橋殼輕量化設(shè)計(jì)。本次優(yōu)化的橋殼部分屬于材料為鑄鐵的整體橋殼本體，該方法也適用于鑄鋼橋殼及鑄造插管結(jié)構(gòu)橋殼的輕量化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉惟信.汽車(chē)車(chē)橋設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社.2003：203-205.

[2] 樓益強(qiáng)等.動(dòng)態(tài)載荷下的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析[J].機(jī)電工程， 2009：63-64.

[3] 趙韓等.基于A(yíng)NSYS的汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2005：13-15.