基于重卡车桥的特点对汽车车桥结构进行优化

【摘  要】随着我国汽车工业发展欣欣向荣，汽车日益增多，满足了人们生产生活的需要。车桥制造是汽车行业的重要部分。车桥是通过悬架连接到车架并在车架和车轮之间传递动力。其强度和刚度是车辆整个结构安全的关键。目前，我国汽车车桥市场竞争日趋激烈。为促进公司一体化发展，提高车桥技术水平，本文将基于重卡车桥的特点对汽车车桥结构进行分析和优化，促进汽车领域的全面发展。

【关键词】重卡车桥;汽车车桥;结构优化

一、绪论

1.车桥的作用

车桥是汽车变速器的重要组成部分。它通过悬架连接到车架并在车架和车轮之间传递动力。其强度和刚度是车辆整个结构安全的关键。随着客车和卡车变得更高速、重载和轻量，有必要降低车桥的重量和负载。车桥的安全性问题也出现，优化车桥有利于汽车行业的发展。

2.重卡车桥分类的特点

重卡车桥对重卡行业的发展有着一定的影响。根据桥梁结构的不同，可分为内置式和分体式两种。内置式机身因其优异的强度和刚度而得到广泛应用，方便主齿轮箱的安装、调整和维护。一体式轴壳可分为嵌入式铸造式、中心铸造式钢管、密封钢板和焊接式。后轮驱动车型通常有两种车型：单轮驱动和两轮驱动。传驱动桥桥壳按生产工艺分为焊接轴套和铸铁轴套（铸铁、铸钢）。铸铁套管具有刚性高、变形小、成本低等优点，但生产周期长、工艺复杂、效率低。钻孔和焊接轴套具有外观好、重量轻、纯度高、故障率低等优势。

提高后桥速比需要在主单级下降轴上加大齿数，从而降低了负载的最小离地间隙，降低了运输效率。而轮边减速器是一个很好的解决方案。齿轮箱放置在车轮锁头和车轮之间。主齿轮球直径更小，轴更高，路径改进可适应各种复杂路况。但是，减速装置结构越复杂，重量越重，机械效率越低，能量损失越大，油耗越多。同时，热量的产生使车轮顶部高温，容易出现问题。后桥的选择应基于特定传动需求。单减桥适用于条件好的道路，运输效率高，可降低油耗。輪减桥适用于条件恶劣的车辆。轮减桥可以提高牵引力并产生更大的牵引力。

二、优化汽车车桥结构

1车桥单级减速驱动桥的优化

在车桥传动技术中，主要是通过减速和扭矩增加来实现驱动效果，需要在变速箱的中心结构中实现减速和扭矩。重卡车桥的减速主要包括一级减速桥、二级加速桥和轮边双级减速驱动桥。我国现阶段的商用车大多是双级主减速器，其在制动和增加扭矩方面非常有效，可以更好地满足用户的需求。随着我国道路建设的发展，对汽车综合性能的要求越来越高。于是，我国汽车的车桥技术逐渐向单级减速接近。二速减速轴的主齿轮的减速比通常比较小，安装和桥接单元也比较小。因此，需要增加与地面的距离，以方便行走。

2车桥双联动桥技术的优化

在我国车辆建设领域，为规范道路车辆标准，严格应用超载和超载技术，国家主管部门制定了通用的车辆尺寸、.轴距重量和质量限制强制性标准。为满足使用独立的多轴驱动模型来公平分配车辆扭矩，在车桥的生产中，主要采用双联动或多联动驱动轴。汽车采用双联动桥满足装配和性能要求，避免空气悬架部件干扰，降低整车质量，有效提高车辆稳定性和装载效率。

3.车桥桥壳拓扑优化设计

在创建扑优化模型之前，需要解释优化设计的三个方面：设计变量、约束条件和目标函数。根据变密度法，加权负荷能量作为目标度量，体积分数和加工制造约束作为约束。利用有限元优化软件对车桥桥壳进行拓扑优化。其数学模型的表达式如下：

设计变量：

目标函数：min f（X）

约束条件：

其中表示设计变量，即单元密度，取值范围为[0，1];f（X）表示目标函数，即加权应变能，约束条件g（X）为约束条件。

3.1  设计空间

基于车桥测量值和与道路封闭、紧急制动阻力、以最大功率和速度行驶以及车桥结构拓扑优化模型相关的四个工况限制。将桥壳设置为一个结构单元，不包括其他部件的安装区域，将桥壳的其他部分和轴部件设置为未构造区域。

3.2  设计变量

以设计空间的单元密度为优化设计变量，取值范围为 0～1，0 表示材料可以去除，1 表示材料应该保留或加强。

3.3  约束条件

拓扑优化不仅是实现目标函数最优所必需的，而且是满足质量、体积、强度和刚度等性能要求并确保制造部件的能力所必需的。下面将展示如何定义加工制造性约束、体积分数约束。

1.体积分数约束。体积分数α是由公式求得

其中V_L表示当前迭代步总体积，V₀表示初始迭代步设计空间体积，V₀^‘表示初始迭代步非设计空间体积。将体积分数的上限设为30%。

2.制造加工约束

（1）拔模约束

由于车桥桥壳是铸造成型，在铸造过程中需要考虑刀具进出方向或者脱模方向，材料不能阻碍刀具进出或者脱模。拔模约束分成单模约束和双模约束两类，本文施加双模约束。

（2）对称约束

由于车桥桥壳是左右对称件，为了方便加工制造，需要施加对称约束，则拓扑优化结构也是呈现左右对称。

3.4  目标函数

应变能只能针对单一工况，而加权应变能则考虑了多个工况的综合作用。加权应变能 C 可以由以下公式求得：

其中为第 i 个工况的应变能加权系数，取值区间为[0，1]，本文取 1;Ci为第i个工况的应变能。

3.5  优化控制参数设置

本文主要设置了棋盘格控制。棋盘格现象是指在优化计算结果中周期性分布半密度单元（即单元密度介于0到1之间）。这种现象的出现不利用结构的制造加工，可以通过设置参数 CHECKER 防止棋盘格现象的出现。

4.拓扑优化计算结果

利用有限元优化软件对车桥桥壳进行拓扑优化，历经80次迭代步计算后，最终收敛。目标函数加权应变能随迭代步的变化曲线如图所示。

目标函数（加权应变能）迭代曲线图

由图可知初始迭代步加权应变能数值 7.72e+06，历经80次迭代收敛最终加权应变能为4.26e+06，下降了44.8%，优化效果明显。

三、结语

汽车车桥的未来必然走向减重、节能、环保和舒适，这就需要先进的工程设计和生产支持以及新材料的开发。随着运输业的发展，对汽车的需求日益多样化。作为汽车动力传输的重要组成部分，车桥的开发也非常重要。本文根据重卡车桥的特点，运用拓扑优化理论最大限度地进行车桥设计，提高车桥技术水平。有利于汽车行业的全面发展。

作者简介：

郭瑞，（1985.09.04），性别男，民族汉，籍贯内蒙古呼和浩特，職称：工程师，学历：大学本科，研究方向：重卡车桥设计。