趙麗娟

(遼寧曙光汽車集團股份有限公司，遼寧 丹東 118001)

0 引言

作為主減速器、差速器和半軸的裝配基體，驅動橋殼是汽車的主要零件之一，非斷開式驅動橋的橋殼起著支承汽車荷重的作用，并將載荷傳給車輪。作用在驅動車輪上的牽引力、制動力、橫向力，也是經過橋殼傳到懸掛及車架或者車廂上的。因此，驅動橋殼不僅是承載件還是傳力件，它的使用壽命直接關系到汽車的有效使用壽命。所以，合理地設計驅動橋殼，使其在動載荷下具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性，減少橋殼的質量，有利于降低動載荷，提高汽車行駛平順性和舒適性。

根據(jù)汽車設計理論，為保證車橋工作的安全性和可靠性，驅動橋殼設計時應滿足應力和變形要求，局部應力集中不應導致橋殼的斷裂或塑性變形。因此對驅動橋殼進行應力、變形分析，提高工作可靠性具有非常重要的意義。但汽車驅動橋殼形狀復雜，且汽車的行駛條件千變萬化，利用傳統(tǒng)方法很難精確計算橋殼各處的應力及變形大小。然而利用有限單元方法對其進行計算和分析可以得到較為準確的分析結果。下面即采用工程通用有限元分析軟件ANSYS，對某重型貨車整體式橋殼進行應力場和位移場分析，并對其進行合理優(yōu)化。

1 驅動橋殼受力分析及強度計算

橋殼可視為一空心橫梁，兩端經輪轂軸承支撐于車輪上，在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷，而沿左右輪項目胎中心線，地面給輪胎以反力(雙胎時則沿雙胎之中心)，橋殼承受此力與車輪重力之差［1］。

對橋殼進行強度分析時，將橋殼復雜的受力狀況簡化成3種典型的計算工況，即:車輪承受最大鉛垂力(當汽車滿載并行駛于不平路面，受沖力載荷);車輪承受最大切向力(當汽車滿載并以最大牽引力行駛和緊急制動);車輪承受最大側向力(當汽車滿載側滑)。只要在這4種載荷計算工況下橋殼的強度得到保證，就可認為該橋殼在汽車各種行駛條件下是可靠的，計算如下:

(1)橋殼承受最大垂向力工況

此工況為汽車滿載并通過不平路面，受沖擊載荷的工況，這時不考慮側向力和切向力。此時的橋殼猶如一個簡支梁，橋殼通過半軸套管軸承支承于輪轂上，半軸套管的支撐點位于車輪的中心線上，取2.5倍滿載軸荷，載荷施加在2個鋼板彈簧座上，最大垂向力為:

式中:G為后驅動橋殼滿載軸荷。

(2)橋殼承受最大制動力工況

此工況為汽車滿載緊急制動時的工況，不考慮側向力。汽車緊急制動時，左右驅動車輪除作用有垂直反力外，還作用有地面對驅動車輪的制動力，最大制動力大小為:

式中:G為汽車滿載靜止于水平路面時驅動橋給地面的載荷;

m′為汽車制動時的質量轉移系數(shù)，對載貨汽車后驅動橋一般取0.75～0.95;

φ為驅動車輪與路面的附著系數(shù)，計算時取0.75～0.8。

(3)橋殼承受最大側向力工況

當汽車滿載、高速急轉彎時，會產生一個作用于質心處的很大的離心力，即側向力。當它達到地面給輪胎的側向反作用力的最大值即側向附著力時，汽車處于側滑的臨界狀態(tài)，側向力一旦超過側向附著力，汽車就側滑?？紤]此臨界狀態(tài)，此時驅動橋的全部載荷由側滑方向一側的驅動車輪承擔，驅動橋承受的側向力為:

式中:P為驅動橋承受的側向力，N;

G為汽車滿載靜止據(jù)橋殼模型和劃分的網(wǎng)格的特點，對載荷的加載方式是按照集中力于水平路面時驅動橋給地面的載荷，N;

φ1為輪胎與地面的側向附著系數(shù)，取1.0。

(4)橋殼承受最大牽引力工況

此工況為汽車滿載以最大牽引力作直線行駛時的工況，不考慮側向力。此時左右驅動輪除作用有垂向反力外，還作用有地面對驅動車輪的最大切向反作用力(即牽引力)，最大牽引力大小為:

式中:Temax為發(fā)動機最大轉矩，N·m;

igI為變速器，擋傳動比;

i0為驅動橋的主減速比;

ηT為傳動系的傳動效率;

rr為驅動車輪的滾動半徑，m。

2 有限元模型的建立

常規(guī)有限元分析時，通常要將研究對象理想化，在對橋殼進行有限元分析時:(1)認為半軸套管和橋殼本體是一體，即不考慮焊接處材料特性的變化;(2)橋殼的材料為均質線彈性材料。

在建立有限元模型時，對驅動橋橋殼實體進行簡化。略去擋油盤座環(huán)、后制動底板固定法蘭、襯環(huán)、油管支架、通氣孔、擋油罩、注油螺塞、放油螺塞，以及各處螺紋孔和一些較小的倒角等?？紤]到橋殼存在不規(guī)則曲面，先利用三維實體建模軟件Pro/E進行實體建模，然后利用有限元分析軟件ANSYS中數(shù)據(jù)輸入接口讀入實體模型。每個節(jié)點有6個自由度:x、y、z方向的平動和繞x、y、z方向的轉動。對整個橋殼結構采用分塊劃分的原則進行有限元網(wǎng)格劃分。根據(jù)上述原則，得出如圖1橋殼網(wǎng)格模型，整個模型共生成9934個節(jié)點和29529個單元。

3 橋殼有限元模型分析

設計載貨汽車滿載軸荷為10 t，橋殼主體材料采用16Mn鋼，材料的屈服極限強度為345 MPa;外端焊接的輪轂軸管材料為45#鋼，材料的屈服極限強度為355 MPa。兩種材料具有相同的泊松比，其值為:泊松比π=0.3。16Mn的彈性模量E=2.1 ×105MPa，45#鋼的彈性模量 E=2.06 ×105MPa［2－3］。

各工況下橋殼的靜力分析如下。

3.1 最大垂向力工況

汽車后橋滿載軸荷10 t(10000 kg)，按照2.5倍動載荷加載到橋殼上，橋殼只承受最大垂向力，橋殼的等效應力和總體變形如圖2和3所示。

從圖2可以看出，橋殼最大變形量發(fā)生在中間部分，其值為0.000627 mm，每米輪距變形量為0.000627/1.822=0.00034 mm，如《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》規(guī)定滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5 mm/m，可見該型橋殼的每米輪距變形量符合國家標準，故其垂直彎曲剛度滿足要求。因為此模型為左右對稱式橋殼，故左右兩邊的應力分布和變形均一樣，因此橋殼中間位置處計算結果偏大。

3.2 最大制動力工況

此工況按驅動車輪與地面的附著系數(shù)為0.8計算，制動時制動器能使車輪在地面上滑動。橋殼主要承受垂向力和最大制動力，橋殼的應力分布和變形如圖4和5所示。

最大制動力工況下，橋殼在兩鋼板彈簧座的外側部分還承受制動力所引起的制動轉矩，其最大應力發(fā)生在橋殼開口部分的內側處，如圖5、6所示，最大應力值為60 MPa，小于許用強度。最大變形量出現(xiàn)在左端輪轂軸管的端部，最大等效位移值為0.003 mm，則每米輪距變形量為0.0016 mm/m，符合國家標準。

3.3 最大側向力工況

此種工況下，汽車所承受的側向力達到地面給輪胎的側向反作用力的最大值即側向附著力，汽車處于側滑的臨界狀態(tài)。此時，驅動橋的全部荷重由側滑方向一側的車輪承擔，橋殼這種極端情況對驅動橋的強度極其不利，應避免發(fā)生。此時，橋殼主要承受垂向力和最大側向力，橋殼的應力分布和變形如圖6和7所示。

由ANSYS分析計算可知，最大側向力工況下的最大應力發(fā)生在位于側滑方向一側的輪轂軸管的臺階面上，其最大值為72.58 MPa，小于許用應力，如圖7所示，該圖一定程度上反映了內側軸承圓角處的應力集中。這種工況下的應力，主要由側滑時外側軸承處的垂向力引起的。此模型沒有考慮內側軸承處的圓角，實際上在圓角處會產生應力集中，圓角處的應力將比72.58 MPa大。最大變形量出現(xiàn)在位于側滑方向一側的輪轂軸管的端部，其值為0.725830 mm，則每米輪距變形量為0.3988 mm/m，符合國家標準。

3.4 最大牽引力工況

此工況下，汽車滿載，發(fā)動機以最大轉矩工作，也為最大啟動工況。橋殼主要承受垂向力和最大牽引力。橋殼的應力分布和變形如圖8和9所示。

最大牽引力工況下，各危險點處的應力如圖8所示。其中，最大等效應力點發(fā)生在左半部分的輪轂軸管上，最大應力值為85.46 MPa，如圖9所示。最大變形量出現(xiàn)在左端輪轂軸管的軸端，其最大變形量為0.00198 mm，則每米輪距變形量為0.0011 mm/m，符合國家標準。

4 驅動橋橋殼結構優(yōu)化設計

方案1:根據(jù)設計要求，將驅動橋橋殼的厚度減少1 mm。再次用Pro/E進行建模，將建立好的模型導入到ANSYS中去，定義材料屬性參數(shù)，進行有限元網(wǎng)格劃分，施加位移約束、載荷約束，建立參數(shù)化的驅動橋殼有限元模型，然后進行計算，完后進入后處理模塊。得出最大牽引力工況下應力圖和變形圖。

最大牽引力工況下，各危險點處的應力如圖10所示。其中，最大等效應力點發(fā)生在右半部分的輪轂軸管的臺階面上，最大應力值為327.137 MPa，如圖11所示。最大變形量出現(xiàn)在橋殼中間偏右處，其最大變形量為0.112 mm，則每米輪距變形量為0.061 mm/m，符合國家標準。

因此將驅動橋殼去掉1 mm的厚度是可行的，這樣做可以減輕驅動橋橋殼的重量，去除了大約3.5 kg的質量。

方案2:采用鋁合金ZL104，材料參數(shù)為:彈性模量E=69 GPa，泊松比π=0.34，材料抗拉強度σb=145 MPa，抗壓強度σc＞430 MPa。再次用Pro/E進行建模，將建立好的模型導入到ANSYS中去，定義分析單元類型和材料屬性參數(shù)和厚度參數(shù)，進行有限元網(wǎng)格劃分，施加位移約束、載荷約束，建立參數(shù)化的驅動橋殼有限元模型，然后進行計算，完后進入后處理模塊。得出最大牽引力工況下應力圖和變形圖。

最大牽引力工況下，各危險點處的應力如圖12所示。其中，其最大應力發(fā)生在橋殼的中間部分，最大應力值為398.4 MPa，如圖13所示。所以其危險點最大應力小于其許用應力。滿足條件。

由于方案2使用的鋁合金材料較之16Mn貴，在實際生產中會增大企業(yè)的生產成本，不利于降低生產成本的要求。因此，選擇方案1。

5 結論

對汽車驅動橋橋殼的仿真研究表明，通過利用CAD軟件Pro/E建立3D參數(shù)化模型進行轉化建立汽車零部件的有限元計算模型，在CAE軟件ANSYS中進行仿真計算和分析，可降低設計開發(fā)成本，減少試驗次數(shù)，縮短設計開發(fā)周期，從而節(jié)省設計成本、提高產品質量，使得汽車在輕量化、抗振性、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進和提高，具有非常重要的指導作用和實際意義。

【1】陳家瑞．汽車構造(下)［M］．3版．北京:人民交通出版社，2005．

【2】陳效華，劉心文．基于有限元方法的微型汽車驅動橋結構分析［J］．中國制造業(yè)信息化，2003(32):65 －67．

【3】鄭燕萍．汽車驅動橋殼的有限元動態(tài)分析．林業(yè)機械與木工設備，2004，32(11):22 －25．