浅析轮式工程机械平衡箱体的有限元分析及改进

　一、 前言

　　某轮式工程机械采用双后桥，其结构采用后桥架加平衡箱的结构形式(图1)。平衡箱里有齿轮起到减速增扭的作用，其传动路线是液压式传动形式。发动机输出通过主油泵再传送到左右行驶马达，通过马达轴驱动平衡箱里的齿轮，从而驱动车轮行驶。

　　后桥架连在车架上，马达轴的外花键与平衡箱齿轮轴的内花键相啮合(图2)。行驶马达把平衡箱与后桥架连为一体，车轮装在平衡箱上。如果箱体的强度不够，发生变形，就会导致马达轴与齿轮轴不同心。此时马达轴受力很大，马达轴花键容易磨损(图3)，严重会导致马达轴断裂。

　　本文对平衡箱体进行有限元分析，得出结论，然后根据分析的结果对平衡箱体进行加强改进设计。

　　二、 平衡箱体有限元分析

　　1. 建立有限元分析模型

　　建立分析模型，如图4和图5所示。划分网格时，内外轴承座单元尺寸按15mm划分，其余按30mm划分。总节点数共175 572，总单元数92 495。内外轴承座材料为ZG235—450，其余为Q345。

　　2.加载方式及约束条件

　　(1)加载情况。

　　整机重量按15.2t计算，冲击载荷按1.5倍计算，对车轮轴进行受力分析。其中B、C处加轴承载荷127 970N，D、E 处加轴承载荷88 868N，如图6所示。

　　(2)约束情况。

　　如图6所示，A点约束方式为固定。

　　三、平衡箱体有限元结果分析

　　1.求解

　　求出内外轴承座安装面上A～H等8个点在Y和Z方向上的位移，如图7、图8和表1 所示。

　　2.结果

　　作图得出马达与花键套啮合区域左端Y方向位移为-0.317mm，右端为-0.668mm，如图9所示。

　　3.结论

　　平衡箱承受整机15.2t 重量，考虑1.5倍冲击载荷，忽略轴承座变形的情况下，齿轮轴花键套端面向下位移量为0.668mm。

　　四、箱体结构改进方案设计

　　基于整机结构与齿轮的约束，设计4种方案加强平衡箱。原始模型如图10所示。改进方案如图11 所示。

　　对4种改进方案分别进行分析，加载与约束方式不变，评价齿轮轴马达花键啮合区域左右两点在方向上的位移，结果如表2所示。

　　通过分析发现：C方案，加下筋板方案对评价值影响最大;A 方案，加厚连接板方案对评价影响忽略不计。因此，去掉A方案，对B、C和D方案进行组合分析计算，如表3所示。发现B+C+D方案对评价值影响最大，齿轮轴马达花键啮合处左点方向位移为：-0.066mm，右点方向位移为：-0.164mm。可考虑用此方案加强箱体，减少齿轮轴马达花键啮合区域位移。综上得出的改进方案如图12 所示。

　　至此，平衡箱体加强改进结构完成，经论证符合要求。