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(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展及汽車產(chǎn)業(yè)的壯大，我國(guó)汽車擁有量越來(lái)越多.大力發(fā)展汽車工業(yè)成為必然趨勢(shì).汽車驅(qū)動(dòng)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(dòng)橋還傳遞著傳動(dòng)系中的最大轉(zhuǎn)矩[1].同時(shí)，橋殼還承受著反作用力矩.汽車驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)參數(shù)不僅對(duì)汽車的可靠性與耐久性有重要影響外，還對(duì)汽車的行駛性能如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平順性、通過(guò)性、機(jī)動(dòng)性和操動(dòng)穩(wěn)定性等有直接影響.設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉的驅(qū)動(dòng)橋殼，能降低整車生產(chǎn)的總成本，提高我國(guó)汽車的競(jìng)爭(zhēng)力.

在汽車設(shè)計(jì)中，將驅(qū)動(dòng)橋殼視為簡(jiǎn)支梁，基于幾種特定工況，對(duì)幾個(gè)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(lái)確定工作應(yīng)力[2].而且多采用圖解法，其計(jì)算精度比較低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，局限性大.如能將模塊化、參數(shù)化建模及計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)用于汽車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)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(huì)大大提高車輛驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平.

本文以輕型貨車的后驅(qū)動(dòng)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(duì)其進(jìn)行了建模分析研究，取得了滿意的效果.

1 驅(qū)動(dòng)橋總成簡(jiǎn)介

汽車驅(qū)動(dòng)橋位于傳動(dòng)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(dòng)軸或直接從變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩合理的分配給左右驅(qū)動(dòng)車輪；其次，驅(qū)動(dòng)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(dòng)力矩和反作用力矩等[3].驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器，差速器，車輪傳動(dòng)裝置和橋殼組成.

驅(qū)動(dòng)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(dòng)殼三維建模

本文基于UG軟件對(duì)殼體進(jìn)行了實(shí)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(guò)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的關(guān)聯(lián)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了部件間的關(guān)聯(lián)改變.設(shè)計(jì)過(guò)程采用自頂向下(Top-Down)原則.然后以無(wú)縫鏈接方式導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)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(dòng)橋殼實(shí)體模型Fig.1 The solid mode1 of drive axle housing

在完成實(shí)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(duì)原部件進(jìn)行了主從分析，刪除了對(duì)變形影響小的微細(xì)結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)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(dòng)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(jì)的可行性和工作的可靠性，對(duì)其在實(shí)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(shí)力學(xué)性能的計(jì)算；2）后橋總成在不同工況下動(dòng)力學(xué)析，后橋殼總成的固有頻率及振型的分析計(jì)算.

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

計(jì)算橋殼的垂直彎曲剛度和強(qiáng)度的方法是將后橋兩端約束，在彈簧座處施加載荷，對(duì)橋殼兩端實(shí)施全自由度約束.

基于上述有限元模型，以NASTRAN軟件為工具，對(duì)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(dòng)橋體在垂直方向的最大位移量?jī)H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(zhǎng)度變形量為1.493 mm/m，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo).

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，可得出各振型的固有頻率，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)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(dòng)橋殼體固有頻率Tab.1 Natural frequency of Drive axle housing

本次設(shè)計(jì)利用 UG NASTRAN軟件分別對(duì)厚度為8mm、7 mm、6 mm的驅(qū)動(dòng)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(shí)，橋殼的低階固有頻率是在不斷地增加的，說(shuō)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(dòng)橋殼的優(yōu)化

驅(qū)動(dòng)橋殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)迭代計(jì)算，得到一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，即在接近7mm殼厚時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋殼也滿足強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了輕量化，而且也滿足驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)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(dòng)橋殼三維模型，并利用UG NASTRAN軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強(qiáng)度和剛度的計(jì)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(dòng)橋殼的各階固有頻率，確定了最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)橋殼厚度.

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

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

[3]朱崢濤，丁成輝.不同厚度驅(qū)動(dòng)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(dòng)橋殼的有限元?jiǎng)討B(tài)分析 [J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2004，32（11）：21-24.

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

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