汽车驱动桥桥壳的有限元分析及结构优化

赵丽娟

(辽宁曙光汽车集团股份有限公司，辽宁 丹东 118001)

0 引言

作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，驱动桥壳是汽车的主要零件之一，非断开式驱动桥的桥壳起着支承汽车荷重的作用，并将载荷传给车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、横向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上的。因此，驱动桥壳不仅是承载件还是传力件，它的使用寿命直接关系到汽车的有效使用寿命。所以，合理地设计驱动桥壳，使其在动载荷下具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶平顺性和舒适性。

根据汽车设计理论，为保证车桥工作的安全性和可靠性，驱动桥壳设计时应满足应力和变形要求，局部应力集中不应导致桥壳的断裂或塑性变形。因此对驱动桥壳进行应力、变形分析，提高工作可靠性具有非常重要的意义。但汽车驱动桥壳形状复杂，且汽车的行驶条件千变万化，利用传统方法很难精确计算桥壳各处的应力及变形大小。然而利用有限单元方法对其进行计算和分析可以得到较为准确的分析结果。下面即采用工程通用有限元分析软件ANSYS，对某重型货车整体式桥壳进行应力场和位移场分析，并对其进行合理优化。

1 驱动桥壳受力分析及强度计算

桥壳可视为一空心横梁，两端经轮毂轴承支撑于车轮上，在钢板弹簧座处桥壳承受汽车的簧上载荷，而沿左右轮项目胎中心线，地面给轮胎以反力(双胎时则沿双胎之中心)，桥壳承受此力与车轮重力之差［1］。

对桥壳进行强度分析时，将桥壳复杂的受力状况简化成3种典型的计算工况，即:车轮承受最大铅垂力(当汽车满载并行驶于不平路面，受冲力载荷);车轮承受最大切向力(当汽车满载并以最大牵引力行驶和紧急制动);车轮承受最大侧向力(当汽车满载侧滑)。只要在这4种载荷计算工况下桥壳的强度得到保证，就可认为该桥壳在汽车各种行驶条件下是可靠的，计算如下:

(1)桥壳承受最大垂向力工况

此工况为汽车满载并通过不平路面，受冲击载荷的工况，这时不考虑侧向力和切向力。此时的桥壳犹如一个简支梁，桥壳通过半轴套管轴承支承于轮毂上，半轴套管的支撑点位于车轮的中心线上，取2.5倍满载轴荷，载荷施加在2个钢板弹簧座上，最大垂向力为:

式中:G为后驱动桥壳满载轴荷。

(2)桥壳承受最大制动力工况

此工况为汽车满载紧急制动时的工况，不考虑侧向力。汽车紧急制动时，左右驱动车轮除作用有垂直反力外，还作用有地面对驱动车轮的制动力，最大制动力大小为:

式中:G为汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷;

m′为汽车制动时的质量转移系数，对载货汽车后驱动桥一般取0.75～0.95;

φ为驱动车轮与路面的附着系数，计算时取0.75～0.8。

(3)桥壳承受最大侧向力工况

当汽车满载、高速急转弯时，会产生一个作用于质心处的很大的离心力，即侧向力。当它达到地面给轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力时，汽车处于侧滑的临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，汽车就侧滑。考虑此临界状态，此时驱动桥的全部载荷由侧滑方向一侧的驱动车轮承担，驱动桥承受的侧向力为:

式中:P为驱动桥承受的侧向力，N;

G为汽车满载静止据桥壳模型和划分的网格的特点，对载荷的加载方式是按照集中力于水平路面时驱动桥给地面的载荷，N;

φ1为轮胎与地面的侧向附着系数，取1.0。

(4)桥壳承受最大牵引力工况

此工况为汽车满载以最大牵引力作直线行驶时的工况，不考虑侧向力。此时左右驱动轮除作用有垂向反力外，还作用有地面对驱动车轮的最大切向反作用力(即牵引力)，最大牵引力大小为:

式中:Temax为发动机最大转矩，N·m;

igI为变速器，挡传动比;

i0为驱动桥的主减速比;

ηT为传动系的传动效率;

rr为驱动车轮的滚动半径，m。

2 有限元模型的建立

常规有限元分析时，通常要将研究对象理想化，在对桥壳进行有限元分析时:(1)认为半轴套管和桥壳本体是一体，即不考虑焊接处材料特性的变化;(2)桥壳的材料为均质线弹性材料。

在建立有限元模型时，对驱动桥桥壳实体进行简化。略去挡油盘座环、后制动底板固定法兰、衬环、油管支架、通气孔、挡油罩、注油螺塞、放油螺塞，以及各处螺纹孔和一些较小的倒角等。考虑到桥壳存在不规则曲面，先利用三维实体建模软件Pro/E进行实体建模，然后利用有限元分析软件ANSYS中数据输入接口读入实体模型。每个节点有6个自由度:x、y、z方向的平动和绕x、y、z方向的转动。对整个桥壳结构采用分块划分的原则进行有限元网格划分。根据上述原则，得出如图1桥壳网格模型，整个模型共生成9934个节点和29529个单元。

3 桥壳有限元模型分析

设计载货汽车满载轴荷为10 t，桥壳主体材料采用16Mn钢，材料的屈服极限强度为345 MPa;外端焊接的轮毂轴管材料为45#钢，材料的屈服极限强度为355 MPa。两种材料具有相同的泊松比，其值为:泊松比π=0.3。16Mn的弹性模量E=2.1 ×105MPa，45#钢的弹性模量 E=2.06 ×105MPa［2－3］。

各工况下桥壳的静力分析如下。

3.1 最大垂向力工况

汽车后桥满载轴荷10 t(10000 kg)，按照2.5倍动载荷加载到桥壳上，桥壳只承受最大垂向力，桥壳的等效应力和总体变形如图2和3所示。

从图2可以看出，桥壳最大变形量发生在中间部分，其值为0.000627 mm，每米轮距变形量为0.000627/1.822=0.00034 mm，如《汽车驱动桥台架试验评价指标》规定满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5 mm/m，可见该型桥壳的每米轮距变形量符合国家标准，故其垂直弯曲刚度满足要求。因为此模型为左右对称式桥壳，故左右两边的应力分布和变形均一样，因此桥壳中间位置处计算结果偏大。

3.2 最大制动力工况

此工况按驱动车轮与地面的附着系数为0.8计算，制动时制动器能使车轮在地面上滑动。桥壳主要承受垂向力和最大制动力，桥壳的应力分布和变形如图4和5所示。

最大制动力工况下，桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分还承受制动力所引起的制动转矩，其最大应力发生在桥壳开口部分的内侧处，如图5、6所示，最大应力值为60 MPa，小于许用强度。最大变形量出现在左端轮毂轴管的端部，最大等效位移值为0.003 mm，则每米轮距变形量为0.0016 mm/m，符合国家标准。

3.3 最大侧向力工况

此种工况下，汽车所承受的侧向力达到地面给轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力，汽车处于侧滑的临界状态。此时，驱动桥的全部荷重由侧滑方向一侧的车轮承担，桥壳这种极端情况对驱动桥的强度极其不利，应避免发生。此时，桥壳主要承受垂向力和最大侧向力，桥壳的应力分布和变形如图6和7所示。

由ANSYS分析计算可知，最大侧向力工况下的最大应力发生在位于侧滑方向一侧的轮毂轴管的台阶面上，其最大值为72.58 MPa，小于许用应力，如图7所示，该图一定程度上反映了内侧轴承圆角处的应力集中。这种工况下的应力，主要由侧滑时外侧轴承处的垂向力引起的。此模型没有考虑内侧轴承处的圆角，实际上在圆角处会产生应力集中，圆角处的应力将比72.58 MPa大。最大变形量出现在位于侧滑方向一侧的轮毂轴管的端部，其值为0.725830 mm，则每米轮距变形量为0.3988 mm/m，符合国家标准。

3.4 最大牵引力工况

此工况下，汽车满载，发动机以最大转矩工作，也为最大启动工况。桥壳主要承受垂向力和最大牵引力。桥壳的应力分布和变形如图8和9所示。

最大牵引力工况下，各危险点处的应力如图8所示。其中，最大等效应力点发生在左半部分的轮毂轴管上，最大应力值为85.46 MPa，如图9所示。最大变形量出现在左端轮毂轴管的轴端，其最大变形量为0.00198 mm，则每米轮距变形量为0.0011 mm/m，符合国家标准。

4 驱动桥桥壳结构优化设计

方案1:根据设计要求，将驱动桥桥壳的厚度减少1 mm。再次用Pro/E进行建模，将建立好的模型导入到ANSYS中去，定义材料属性参数，进行有限元网格划分，施加位移约束、载荷约束，建立参数化的驱动桥壳有限元模型，然后进行计算，完后进入后处理模块。得出最大牵引力工况下应力图和变形图。

最大牵引力工况下，各危险点处的应力如图10所示。其中，最大等效应力点发生在右半部分的轮毂轴管的台阶面上，最大应力值为327.137 MPa，如图11所示。最大变形量出现在桥壳中间偏右处，其最大变形量为0.112 mm，则每米轮距变形量为0.061 mm/m，符合国家标准。

因此将驱动桥壳去掉1 mm的厚度是可行的，这样做可以减轻驱动桥桥壳的重量，去除了大约3.5 kg的质量。

方案2:采用铝合金ZL104，材料参数为:弹性模量E=69 GPa，泊松比π=0.34，材料抗拉强度σb=145 MPa，抗压强度σc＞430 MPa。再次用Pro/E进行建模，将建立好的模型导入到ANSYS中去，定义分析单元类型和材料属性参数和厚度参数，进行有限元网格划分，施加位移约束、载荷约束，建立参数化的驱动桥壳有限元模型，然后进行计算，完后进入后处理模块。得出最大牵引力工况下应力图和变形图。

最大牵引力工况下，各危险点处的应力如图12所示。其中，其最大应力发生在桥壳的中间部分，最大应力值为398.4 MPa，如图13所示。所以其危险点最大应力小于其许用应力。满足条件。

由于方案2使用的铝合金材料较之16Mn贵，在实际生产中会增大企业的生产成本，不利于降低生产成本的要求。因此，选择方案1。

5 结论

对汽车驱动桥桥壳的仿真研究表明，通过利用CAD软件Pro/E建立3D参数化模型进行转化建立汽车零部件的有限元计算模型，在CAE软件ANSYS中进行仿真计算和分析，可降低设计开发成本，减少试验次数，缩短设计开发周期，从而节省设计成本、提高产品质量，使得汽车在轻量化、抗振性、舒适性和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非常重要的指导作用和实际意义。

【1】陈家瑞．汽车构造(下)［M］．3版．北京:人民交通出版社，2005．

【2】陈效华，刘心文．基于有限元方法的微型汽车驱动桥结构分析［J］．中国制造业信息化，2003(32):65 －67．

【3】郑燕萍．汽车驱动桥壳的有限元动态分析．林业机械与木工设备，2004，32(11):22 －25．