郭 強 鄭燕萍

(南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院， 南京 210037)

1 驅(qū)動橋殼的發(fā)展現(xiàn)狀

驅(qū)動橋殼是汽車總成中的主要承載件之一[1-2]，它既是傳動系的組成部分，也是行駛系的組成部分。 驅(qū)動橋殼分為分段式橋殼、組合式橋殼、整體式橋殼[3]。

分段式橋殼一般分為2段，因而易于鑄造加工；但檢修及拆卸很不方便，而且橋殼的強度和剛度比較低，過去主要用于輕型商用汽車，目前較少采用。

組合式橋殼的鑄件尺寸較小，因此橋殼質(zhì)量較輕；但它還不具備將主減速器及差速器總成調(diào)整好后再裝入橋殼的優(yōu)勢，而是需要邊安裝邊調(diào)整。組合式橋殼對加工精度的要求較高，其整個橋殼的剛度與整體式相比較差[4]。

整體式橋殼使用較廣泛。整體式橋殼具有較高的強度和剛度，便于主減速器的裝配、調(diào)整和維修；但其形狀復雜，應(yīng)力計算相對較困難[5]。整體式橋殼按照成形方式又可分為鑄造橋殼、沖焊橋殼、機械脹形橋殼和內(nèi)高壓成形橋殼，各有其優(yōu)缺點(見表1)[4]。

表1 各類整體式橋殼的對比

早期的中重型車以鑄造橋殼為主。鑄造橋殼可以保證足夠的壁厚和承載能力，但缺點是自重較大，而且常會出現(xiàn)制造砂眼等問題。2002年，一汽集團開始在中重型車中采用沖焊橋殼。與鑄造橋殼相比，沖焊橋殼具有重量輕、工藝性好、成形效率高、成本低等優(yōu)點。沖焊橋殼的熱成型不僅有效降低了成形力，而且基本解決了回彈問題，使產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提升。但一些卡車制造商已經(jīng)開始采用抗疲勞性能更好的管坯脹形橋殼[6]。

在關(guān)于驅(qū)動橋殼強度和剛度考核的研究中，以往我國主要采用臺架試驗和整車行駛試驗的方法，或采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測方法。但這些方法都是在有橋殼樣品的情況下才能采用[7]，研究成本較高。為了節(jié)約研發(fā)成本，目前國內(nèi)很多橋殼生產(chǎn)廠家依照經(jīng)驗來修改主要部件的參數(shù)，往往只校核一般靜態(tài)工況下的強度、剛度，對動態(tài)特性的研究較少。汽車實際行駛中的工況比較復雜，驅(qū)動橋需要承受各種復雜工況所產(chǎn)生的動態(tài)載荷，而這些動態(tài)載荷所產(chǎn)生的動應(yīng)力往往比靜態(tài)應(yīng)力高出很多倍；因此，動態(tài)荷載才是真正導致橋殼破壞的危險因素[8]，按照經(jīng)驗修改參數(shù)的方法存在較大局限性。隨著汽車智能化技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的舒適性、安全性要求也不斷提高。國內(nèi)外汽車專業(yè)研究人員投入了大量的時間和精力來分析研究驅(qū)動橋殼總成，研究新材料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、改進工藝等，并取得了階段性的成果。研究中主要運用了有限元法，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，降低成本[9]。

2 驅(qū)動橋殼的研究缺陷

根據(jù)汽車設(shè)計理論，傳統(tǒng)的驅(qū)動橋殼設(shè)計方法包括分析模型簡化法、圖解法、實驗法等。這些方法主要是將橋殼簡化成一簡支梁并校核典型計算工況下的特定最大應(yīng)力值，再考慮一個安全系數(shù)來確定許用的工作應(yīng)力[10]。這些方法均存在一定缺陷[11]。許多廠家在實際設(shè)計過程中，往往只是根據(jù)經(jīng)驗和類比，設(shè)計出汽車驅(qū)動橋殼，然后進行試產(chǎn)，并通過驅(qū)動橋殼臺架試驗對設(shè)計方案進行修正。這是一個反復修改和調(diào)整的過程，費時費力[12]。目前國內(nèi)驅(qū)動橋殼制造工藝技術(shù)水平仍相對較低，零件材料性能、制造工藝水平不足，存在整體重量與體積較大、可靠性差、使用壽命短等缺陷，而且用于指導生產(chǎn)的設(shè)計理念較滯后。國內(nèi)研究設(shè)施相對落后，科研力量較弱[13]。同時隨著整車性能的不斷提高，市場對包括驅(qū)動橋殼在內(nèi)的各總成要求也逐漸提高。特別是對于重型卡車而言，大噸位和復雜路況都對橋殼的性能提出了挑戰(zhàn)，其動態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響整車的安全性、舒適性及平穩(wěn)性[14-15]。驅(qū)動橋殼設(shè)計缺陷體現(xiàn)在以下幾方面。

2．1 橋殼的CAE建模方面

為了便于進行有限元分析，目前橋殼CAE建模時將驅(qū)動橋殼和半軸套管視為一個整體，將沖壓部分的橋殼看做是均勻、等厚的[16]。將實體模型導入有限元分析軟件中，選用具有較高剛度及計算精度的四面體單元對整體進行網(wǎng)格劃分[17]；為了提高計算速度，也可將非承載部件采用六面體單元劃分網(wǎng)格。這些均勻等厚模型以及網(wǎng)格劃分的建模方法，并沒有考慮到實際沖壓工藝過程和焊縫精度對橋殼性能的影響，因此對橋殼的分析存在局限性。

2．2 橋殼的性能分析方面

傳統(tǒng)的橋殼性能計算方法中，只能計算出某一斷面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及分布的真實情況。目前主要以CAE分析為基礎(chǔ)，結(jié)合動力學分析開展車橋機械部分的力學分析。使用有限元法對驅(qū)動橋殼進行強度分析，只要模型簡化得當，受力約束處理合理，就能得到比較詳細的應(yīng)力與變形分布情況，這些是傳統(tǒng)計算方法難以實現(xiàn)的[18]。鄭燕萍曾以南京車橋廠的驅(qū)動橋殼為例，對傳統(tǒng)研究設(shè)計方法和有限元研究設(shè)計方法的強度計算結(jié)果進行比較，驗證了有限元設(shè)計方法的簡便實用性[19]。但在疲勞壽命分析中，由于材料在焊接過程中受熱較強，材料焊縫處的分子結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而失去原有材料狀態(tài)致使材料強度降低[20]，因此在焊縫處易出現(xiàn)脫焊開裂、變形、疲勞性能差等問題[21]。關(guān)于焊接工藝對橋殼疲勞壽命的影響，在目前橋殼性能研究中并未考慮到。

2．3 橋殼的工藝設(shè)計方面

目前關(guān)于驅(qū)動橋殼的組成及生產(chǎn)橋殼的各種工藝設(shè)計，已有大量詳細的研究；但在驅(qū)動橋系統(tǒng)開發(fā)方面，研究者往往只是關(guān)注其中某類零部件的設(shè)計要求，未予整體考慮。在面向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電動車橋集成設(shè)計技術(shù)研究中，針對電動車橋總成件的自動裝配、裝配體的有限元分析及動力學仿真的集成設(shè)計技術(shù)的研究成果還未見到。另外，沖壓加工、焊接工藝、保護工藝、橋殼模具等方面的研究很多；但這些都是從單方面的工藝來進行分析，并沒有充分考慮沖壓工藝、焊接質(zhì)量這一完整的制造工藝過程對橋殼性能的影響。

3 結(jié) 語

目前國內(nèi)外汽車驅(qū)動橋殼研究取得了很大的成果，但橋殼設(shè)計方面還存在很多缺陷。無論從傳統(tǒng)研究方法的不確定性，到目前有限元方法研究的局限性，還是從CAE建模、性能分析到工藝設(shè)計方面研究等方面都存在不同程度的缺陷。若僅從單一工藝角度來進行分析，無法滿足整體設(shè)計的精度要求。今后的研究重點應(yīng)該是尋求考慮復雜因素分析的設(shè)計方法，以提升橋殼制造工藝的準確性。

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