胡鐵牛

（河北省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)校，河北 石家莊 052100）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展及汽車產(chǎn)業(yè)的壯大，我國汽車擁有量越來越多.大力發(fā)展汽車工業(yè)成為必然趨勢.汽車驅(qū)動橋是汽車的重大總成，在整車中十分重要.它承載著汽車的滿載簧載重量及地面經(jīng)車輪、車架及承載式車身經(jīng)懸架給予的鉛垂力、縱向力、橫向力及其力矩，以及沖擊載荷；驅(qū)動橋還傳遞著傳動系中的最大轉(zhuǎn)矩[1].同時，橋殼還承受著反作用力矩.汽車驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計參數(shù)不僅對汽車的可靠性與耐久性有重要影響外，還對汽車的行駛性能如動力性、經(jīng)濟(jì)性、平順性、通過性、機動性和操動穩(wěn)定性等有直接影響.設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉的驅(qū)動橋殼，能降低整車生產(chǎn)的總成本，提高我國汽車的競爭力.

在汽車設(shè)計中，將驅(qū)動橋殼視為簡支梁，基于幾種特定工況，對幾個關(guān)鍵截面進(jìn)行應(yīng)力值校核，并根據(jù)選定的安全系數(shù)來確定工作應(yīng)力[2].而且多采用圖解法，其計算精度比較低，費時費力，局限性大.如能將模塊化、參數(shù)化建模及計算機可視化技術(shù)用于汽車驅(qū)動橋設(shè)計中，再以有限元為工具進(jìn)行滿載荷力學(xué)分析、模態(tài)分析和參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，會大大提高車輛驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平.

本文以輕型貨車的后驅(qū)動橋殼（滿載后軸重為5.5 t，簧距880 mm，輪距1 540 mm，板簧座表面面積7 000 mm2，橋殼本體材料選用09siVL鋼板）為例，對其進(jìn)行了建模分析研究，取得了滿意的效果.

1 驅(qū)動橋總成簡介

汽車驅(qū)動橋位于傳動系的末端.其基本功用首先是增扭，降速，改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向，即增大由傳動軸或直接從變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩合理的分配給左右驅(qū)動車輪；其次，驅(qū)動橋還要承受作用于路面或車身之間的垂直力，縱向力和橫向力，以及制動力矩和反作用力矩等[3].驅(qū)動橋一般由主減速器，差速器，車輪傳動裝置和橋殼組成.

驅(qū)動橋殼大致可分為可分式、整體式和組合式3種形式.本文以整體式橋殼為例進(jìn)行研究.

2 驅(qū)動殼三維建模

本文基于UG軟件對殼體進(jìn)行了實體參數(shù)化建模，構(gòu)造出零件內(nèi)各特征之間的相互拓?fù)潢P(guān)系.通過設(shè)計時設(shè)定的關(guān)聯(lián)參數(shù)，實現(xiàn)了部件間的關(guān)聯(lián)改變.設(shè)計過程采用自頂向下(Top-Down)原則.然后以無縫鏈接方式導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行機構(gòu)運動分析、模態(tài)分析和實驗仿真[4-5].

根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)和UG/WAVE技術(shù)建立起零部件之間的幾何和位置的相關(guān)性[6].其參數(shù)化模型如圖1所示.

圖1 建立的驅(qū)動橋殼實體模型Fig.1 The solid mode1 of drive axle housing

在完成實體建模后，在有限元軟件中構(gòu)建了力學(xué)分析模型，首先根據(jù)有限元建模策，對原部件進(jìn)行了主從分析，刪除了對變形影響小的微細(xì)結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)工程經(jīng)驗以函數(shù)形式進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，添加了約束條件；最后根據(jù)工況添加了接點載荷.

3 橋殼有限元靜力學(xué)分析及模態(tài)分析

3.1 靜力學(xué)分析

本文采用的橋殼數(shù)據(jù)：驅(qū)動橋滿載后軸重5.5 t，簧距880mm，輪距1540mm，板簧座表面面積7000mm2，橋殼本體材料為09siVL-8.為保證后橋設(shè)計的可行性和工作的可靠性，對其在實際工況下的應(yīng)力分布、變形等進(jìn)行了校核.主要包括：1）汽車后橋殼體在垂直方向受力彎曲時力學(xué)性能的計算；2）后橋總成在不同工況下動力學(xué)析，后橋殼總成的固有頻率及振型的分析計算.

根據(jù)工程經(jīng)驗，垂直載荷均取橋殼滿載負(fù)荷的2.5倍，即9.625 MPa.

計算橋殼的垂直彎曲剛度和強度的方法是將后橋兩端約束，在彈簧座處施加載荷，對橋殼兩端實施全自由度約束.

基于上述有限元模型，以NASTRAN軟件為工具，對橋體總成2.5倍滿載荷條件下的力學(xué)特性就能行了分析解算.分析得到的結(jié)果如圖2、圖3所示.

有限元分析結(jié)果表明：汽車驅(qū)動橋體在垂直方向的最大位移量僅為2.3mm，滿載下最大應(yīng)力面位于半軸套管受約束位置，最大應(yīng)力值為644 MPa，輪距的單位長度變形量為1.493 mm/m，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo).

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，利用有限元對驅(qū)動橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，可得出各振型的固有頻率，對驅(qū)動橋殼的設(shè)計和制造有很大的指導(dǎo)意義.

圖2 滿載荷條件下的位移云圖Fig.2 Displacement under the full load

圖3 滿載荷條件下的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress under the full load

表1 驅(qū)動橋殼體固有頻率Tab.1 Natural frequency of Drive axle housing

本次設(shè)計利用 UG NASTRAN軟件分別對厚度為8mm、7 mm、6 mm的驅(qū)動橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，得出了10階約束模態(tài)振型，固有頻率結(jié)果如表1（單位Hz）.

從表1可以看出，在厚度降低時，橋殼的低階固有頻率是在不斷地增加的，說明降低橋殼的厚度可以提高其低階固有頻率，從而提高橋殼剛度.

部分振型如圖4、圖5.

圖4 1階模態(tài)云圖Fig.4 The first modal Nephogram

圖5 2階模態(tài)云圖Fig.5 The second modal Nephogram

3.3 驅(qū)動橋殼的優(yōu)化

驅(qū)動橋殼的優(yōu)化設(shè)計是以重量最小化為定義目標(biāo)，定義約束為許可應(yīng)力.把橋殼厚度定為設(shè)計變量[3]，其最大值定為8mm，最小值定為6mm，然后利用UG電子表格，繪制優(yōu)化圖，選出最優(yōu)值.

經(jīng)過迭代計算，得到一個最優(yōu)點，即在接近7mm殼厚時，驅(qū)動橋殼也滿足強度和剛度要求.

綜上分析，橋殼本體厚度從8mm降到了7mm，不僅在質(zhì)量上實現(xiàn)了輕量化，而且也滿足驅(qū)動橋殼強度和剛度的要求.

圖6 橋殼優(yōu)化圖Fig.6 Optimization parameters of axle housing

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了輕型汽車驅(qū)動橋殼三維模型，并利用UG NASTRAN軟件對驅(qū)動橋殼進(jìn)行了2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強度和剛度的計算，進(jìn)行了模態(tài)分析和參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后得出了不同厚度下驅(qū)動橋殼的各階固有頻率，確定了最優(yōu)的驅(qū)動橋殼厚度.

[1]周中堅，盧耀祖.機械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析 [J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，1997，28（3）：42-46.

[2]王斌.汽車驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)強度與模態(tài)的有限元法分析 [J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，34（4）：24-28.

[3]朱崢濤，丁成輝.不同厚度驅(qū)動橋橋殼有限元分析 [J].現(xiàn)代制造工程，2006（11）：55-58.

[4]鄭燕萍.汽車驅(qū)動橋殼的有限元動態(tài)分析 [J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2004，32（11）：21-24.

[5]鄭燕萍，羊玢.汽車驅(qū)動橋殼臺架試驗的有限元模擬 [J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，28（4）：50-53.

[6]蘇恩生.汽車驅(qū)動橋殼的有限元建模與分析 [J].吉林大學(xué)學(xué)報，2005，42（5）：43-46.