□ 李志虎

內蒙古自治區(qū)交通運輸管理局 呼和浩特 010020

1 輕量化設計背景

汽車驅動橋由主減速器、差速器、半軸、驅動橋殼等組成,具有增大發(fā)動機扭矩、改變動力方向、實現(xiàn)兩個驅動輪間差速等作用。

驅動橋殼總成是汽車承重的關鍵部件,驅動橋殼過載,易產(chǎn)生裂紋,甚至導致斷裂。汽車驅動橋殼局部斷裂如圖1所示。

圖1 汽車驅動橋殼局部斷裂

驅動橋殼設計時,應保證在足夠的強度、剛度、疲勞壽命下,盡量減輕車身質量。驅動橋殼結構應簡單,降低加工生產(chǎn)制造難度,方便其它零部件的拆裝和調整[1]。

2 驅動橋殼有限元分析

中國重汽HW12單級減速驅動橋性能參數(shù)見表1[2],這一驅動橋型式為中央單級減速,全浮式半軸,由鋼板沖壓焊接驅動橋殼。車輪安裝方式為輪輞中心孔定位。利用SolidWorks軟件建立HW12驅動橋的驅動橋殼三維整體模型,如圖2所示。

表1 HW12單級減速驅動橋性能參數(shù)

圖2 驅動橋殼三維整體模型

為減少ANSYS Workbench軟件的分析計算時間,采用中曲面建立驅動橋殼簡化模型[3],如圖3所示。

圖3 驅動橋殼簡化模型

將主減速器及驅動軸的質量加載至驅動橋殼的中部,將滿載軸荷以面力方式施加至彈簧板座下的驅動橋殼部位,方向為沿Y軸負方向,大小為112 700 N。驅動橋殼約束及加載如圖4所示。

圖4 驅動橋殼約束及加載

在滿載軸荷及2.5倍滿載軸荷的工況下,分別對5 mm、6 mm、7 mm三個不同厚度的驅動橋殼施加載荷,見表2。

表2 驅動橋殼載荷

通過ANSYS Workbench軟件分析5 mm厚驅動橋殼的應力、變形,找出驅動橋殼的應力集中位置。

5 mm厚驅動橋殼應力、變形云圖分別如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知,5 mm厚度驅動橋殼的最大應力為231.16 MPa,最大變形出現(xiàn)在驅動橋殼中部位置,值為1.974 2 mm。

圖5 5 mm厚驅動橋殼應力云圖

圖6 5 mm厚驅動橋殼變形云圖

根據(jù)驅動橋殼的垂直剛度檢測標準,得到不同厚度驅動橋殼在滿載軸荷和2.5倍滿載軸荷下的變形量試驗數(shù)據(jù),見表3[4-5]。

表3 驅動橋殼變形量試驗數(shù)據(jù) mm

3 驅動橋殼輕量化設計

根據(jù)QC/T 533—1999《汽車驅動橋 臺架試驗方法》,對厚度為5 mm的驅動橋殼進行滿載軸荷下的結構輕量化設計,如圖7所示。除保留部分和去除部分外,零星的臨界部分給予保留。重新加載,對結構輕量化設計結果進行檢驗[6]。

圖7 5 mm厚驅動橋殼滿載軸荷下結構輕量化設計

輕量化后5 mm厚驅動橋殼在2.5倍滿載軸荷下的應力、變形云圖分別如圖8、圖9所示。在減輕近20%質量后,驅動橋殼的最大應力增大為479.31 MPa,最大變形量為1.874 mm,結構強度依然滿足驅動橋殼材料的屈服極限,小于735 MPa[7]。

圖8 輕量化后5 mm厚驅動橋殼應力云圖

圖9 輕量化后5 mm厚驅動橋殼變形云圖

4 驅動橋殼垂直剛度試驗

按照QC/T 533—1999標準對驅動橋殼進行垂直剛度試驗,試驗布置如圖10所示[8]。

圖10 垂直剛度試驗布置

在2.5倍滿載軸荷下,有限元分析計算得到5 mm、6 mm、7 mm厚驅動橋殼的最大變形量依次為3.183 8 mm、3.205 7 mm、3.302 mm。將有限元分析結果與試驗結果進行對比,見表4。由表4可見,誤差在5%以內,驗證了驅動橋殼結構輕量化優(yōu)化設計的正確性[9-10]。

表4 驅動橋殼有限元分析與試驗數(shù)據(jù)對比

5 結束語

筆者應用SolidWorks軟件對中國重汽HW12單級減速驅動橋的驅動橋殼進行建模,采用結構輕量化設計方法,對驅動橋殼進行優(yōu)化設計,并應用ANSYS Workbench軟件對驅動橋殼的簡化模型進行靜力學分析,結合驅動橋殼垂直剛度試驗,在保證驅動橋殼正常使用強度和剛度的前提下,減輕了驅動橋殼的質量,同時提高了汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性[11]。