張武冠 樊文問 鄒 俊 孫 超 蘭常艷

11.5噸后橋殼體輕量化設計

張武冠 樊文問 鄒 俊 孫 超 蘭常艷

（方盛車橋（柳州）有限公司技術中心，廣西 柳州 545006）

傳統(tǒng)車橋橋殼總成殼體普遍采用14 mm厚的Q355材料沖壓焊接而成，導致自重較大。文章選用寶山鋼鐵股份有限公司的橋殼專用高強度材料BRT600QK，分別選取12 mm、11 mm、10.5 mm板厚進行橋殼三維建模；然后利用有限元分析軟件Altair Hypermesh對各厚度的受力工況進行有限元受力分析，分析結果顯示該材料的最優(yōu)厚度為10.5 mm；最后通過臺架試驗驗證，證明10.5 mm板厚輕量化設計后橋殼體強度滿足要求。

后橋殼總成；Altair Hypermesh；有限元分析；輕量化

引言

隨著能源緊缺的問題日益突出，國家大力推廣低能高效政策，汽車市場輕量化需求逐漸加大[1]。后橋殼總成作為汽車車橋的一個重要部件，主要起到承載、減速增扭、制動等作用，也是車橋上最大最重的部件之一[2]。傳統(tǒng)車橋橋殼總成殼體普遍采用沖壓或鑄造兩種方式，沖壓殼體材料較多選用Q355或510 L，鑄造殼體則較多選用QT450、QT500、ZG35Mn等。

本文研究殼體由14 mm厚的Q355材料沖壓焊接而成，自重較大。為了滿足國家低能耗政策和主機廠輕量化需求，采用高強度材料，在達到整體剛度、強度要求的同時選擇所需最小殼體厚度，從而達到橋殼總成輕量化要求。

1 原后橋殼總成結構及設計要求

本文研究的后橋殼總成額定載荷為11.5 t，輪距為1 860 mm，板簧中心距為1 060 mm。后橋殼總成組成零部件除1件橋殼殼體外，還有2件軸管、2件法蘭盤、1件后蓋、1件上推力支架、2件板簧支座、2件下支架。其中兩軸管通過摩擦焊與殼體連接，法蘭盤焊接在殼體兩端圓環(huán)位上，后蓋焊接固定在中間琵琶孔側，上推力桿支架焊接固定在橋殼琵琶孔上方圓弧，上支架焊接固定在板座位上方，下支架焊接在對應下方。根據(jù)原圖紙尺寸以及相應連接關系，通過三維軟件NX 12.0建立以上零件三維模型，得到后橋殼總成三維圖，如圖1所示。

圖1 原后橋殼總成三維模型

其中原后橋殼殼體截面尺寸為135 mm×160 mm×14 mm，14 mm為殼體板料厚度，所設計殼體三維圖如圖2所示。殼體材料選用Q355，其密度為7.85 kg/dm3，屈服強度為355 MPa，其余材料參數(shù)如表1所示。

圖2 原后橋殼殼體三維圖

表1 原后橋殼殼體材料Q355參數(shù)表

2 后橋殼總成輕量化設計

2.1 新材料選擇

新材料采用寶山鋼鐵股份有限公司的橋殼專用高強度材料BRT600QK，其材料彈性模量為205 GPa，泊松比為0.30，密度為7.85 kg/dm3，屈服強度為500 MPa，抗拉強度為600 MPa，其中新材料的屈服強度是Q355材料屈服強度的1.41倍，見表2。

表2 新后橋殼殼體材料BRT600QK參數(shù)表

2.2 厚度選取及三維模型建立

原橋殼本體板料厚度為14 mm，現(xiàn)采用高強度材料BRT600QK后可減少厚度，分別選取12 mm、11 mm、10.5 mm板厚，其余尺寸不變，按圖2模型進行三維建模，按圖1模型進行裝配，然后進行CAE分析驗證。

有限元分析采用美國Altair公司開發(fā)的HyperMesh有限元前后處埋軟件[3]。先通三維軟件NX 12.0將經(jīng)過處理的后橋殼總成模型導出x_t格式，再將后橋殼總成模型導入有限元分析軟件HyperMesh進行分析[4]。

后橋殼總成三維模型同圖1，單元網(wǎng)格劃分采用二階四面體。

2.3 受力工況計算

根據(jù)后橋殼總成實際使用情況，整橋額定軸荷為11 500 kg。運用以下計算公式分別對橋殼進行垂向工況、驅動工況、制動工況進行受力計算。

采用ISO/GB車輛坐標系，軸指向車輛前進方向反方向，軸指向車輛前進方向右側，軸豎直向上。輪距為1 860 mm，板簧距為1 060 mm，整橋載重質量為11 500 kg。

（1）垂向工況：即不平道路工況行駛情況，考慮到不平路面的慣性力，根據(jù)行業(yè)及公司經(jīng)驗，按額定軸荷的2.5倍進行加載。加載位置為橋殼總成兩板簧位置，方向垂直向下。

式中：表示整橋載重，為11 500 kg；為重力加速度，取9.8 m/s2。

（2）驅動工況：按汽車行駛時，加速極限工況計算，由于汽車行駛時受到懸架往后的慣性力，所以所算得的方向載荷的受力值為正值。

方向載荷：按額定軸荷的1.5倍進行加載。

式中：表示整橋載重，為11 500 kg；為重力加速度，取9.8 m/s2。

方向載荷：路面附著系數(shù)取0.8。

F2＝F2×＝84 525×0.8＝67 620 N

式中：表示整橋載重，為11 500 kg；為重力加速度，取9.8 m/s2；為路面附著系數(shù)，取0.8。

（3）制動工況：按汽車行駛時緊急制動的極限工況計算。由于汽車制動時受到懸架往前的慣性力，所以所算得的方向載荷的受力值為負值。

方向載荷：按額定軸荷的1.5倍進行加載。

式中：表示整橋載重，為11 500 kg；為重力加速度，取9.8 m/s2。

方向載荷：路面附著系數(shù)取0.8。

F3＝﹣F2×＝﹣84 525×0.8＝﹣67 620 N

式中：表示整橋載重，為11 500 kg；為重力加速度，取9.8 m/s2；——路面附著系數(shù)，取0.8。

2.4 各工況有限元分析

通過Altair Hypermesh軟件分別對橋殼的垂向工況、驅動工況、制動工況進行邊界條件加載及有限元受力分析[5]。垂向工況有限元分析須約束橋殼總成兩軸管輪距位置，然后在板簧中心距施加相應的作用力。如圖3所示，兩軸管輪距位置設置支點，兩板座上方箭頭為加載位置，按額定軸荷的2.5倍進行加載，加載值為所計算得的F1值140 875 N，方向豎直向下。

圖3 垂向工況受力加載圖（單位：mm）

12 mm、11 mm、10.5 mm板厚橋殼垂向工況有限元分析結果如圖4所示。12 mm板厚橋殼垂向工況最大應力為291 MPa，最大應力點位于橋殼下支架內側大圓弧處。11 mm板厚橋殼垂向工況最大應力為319 MPa，最大應力點也是位于橋殼下支架內側大圓弧處。10.5 mm板厚橋殼垂向工況最大應點雖然與12 mm、11 mm殼體位置相同，但最大應力相對較大，為337 MPa。由于新材料采用寶山鋼鐵股份有限公司的橋殼專用高強度材料BRT600QK，屈服強度為500 MPa，由此計算出12 mm殼體安全系數(shù)為1.72，11 mm殼體安全系數(shù)為1.56，10.5 mm殼體安全系數(shù)為1.48。按汽車行業(yè)后橋殼總成有限元分析經(jīng)驗，安全系數(shù)在1.15～1.20之間為最佳，故單從垂向工況受力分析看10.5 mm板厚強度已經(jīng)達到強度要求且有富余。

圖4 垂向工況有限元分析最大應力圖

12 mm、11 mm、10.5 mm板厚橋殼垂向工況每米輪距變形量如圖5所示，12 mm板厚橋殼垂向工況下每米輪距最大變形量為0.899 mm，11 mm板厚橋殼垂向工況下每米輪距最大變形量為0.971 mm，10.5 mm板厚橋殼垂向工況下每米輪距最大變形量為1.007 mm。QC/T 533—2020《商用車驅動橋行業(yè)標準》要求每米輪距最大變形量應不大于1.4 mm，各板厚垂直工況分析均滿足要求。

圖5 垂向工況每米輪距變形量

由于驅動工況和制動工況受力相對較小，所以不做變形量分析。驅動工況、制動工況按QC/T 533—2020《商用車驅動橋行業(yè)標準》受力加載進行有限元分析，12 mm、11 mm、10.5 mm板厚橋殼驅動工況有限元分析結果如圖6所示。12 mm板厚橋殼驅動工況最大應力為355 MPa，最大應力點位于殼體外端方圓過渡處，靠近后蓋側方向。11 mm和10.5 mm板厚橋殼驅動工況最大應力點位置同12 mm板厚橋殼位置，其中11 mm板厚橋殼驅動工況最大應力為403 MPa，10.5 mm板厚橋殼驅動工況最大應力為427 MPa。根據(jù)材料BRT600QK的屈服強度500 MPa，計算出12 mm、11 mm、10.5 mm板厚驅動工況下安全系數(shù)分別為1.41、1.24、1.17。從驅動工況受力分析看安全強度均滿足要求，且10.5 mm板厚殼體安全系數(shù)為1.17，在1.15～1.20最佳范圍內，屬于最優(yōu)板厚。

圖6 驅動工況有限元分析最大應力圖

12 mm、11 mm、10.5 mm板厚橋殼制動工況有限元分析結果分別如圖7所示。制動工況最大應力點位于殼體外端方圓過渡處，靠近主減側方向。12 mm板厚橋殼最大應力為352 MPa，11 mm板厚橋殼最大應力為397 MPa，10.5 mm板厚橋殼最大應力為421 MPa。根據(jù)材料BRT600QK的屈服強度500 MPa，計算出12 mm、11 mm、10.5 mm板厚制動工況下安全系數(shù)分別為1.41、1.26、1.17。從制動工況受力分析看安全強度均滿足要求，且10.5 mm板厚殼體安全系數(shù)為1.17，在1.15～1.20最佳范圍內，屬于最優(yōu)板厚。

圖7 制動工況有限元分析最大應力圖

各板厚有限元分析應力匯總見表3，安全系數(shù)均滿足要求。板厚12 mm殼體最大應力是驅動工況情況下，為355 MPa，對應的安全系數(shù)為1.41。按汽車行業(yè)后橋殼總成有限元分析經(jīng)驗，安全系數(shù)在1.15～1.20之間為最佳，所以板厚12 mm的殼體材料富余較大。板厚11 mm殼體最大應力是驅動工況情況下，為403 MPa，對應算得安全系數(shù)為1.24，厚度略有富余。板厚10.5 mm殼體最大應力同樣是在驅動工況情況下，為427 MPa，對應算得安全系數(shù)為1.17，滿足最佳安全系數(shù)范圍。按有限元受力分析結果，采用BRT600K材料后橋殼體厚度可減少至10.5 mm，相比14 mm厚Q355材料殼體，減重約25%。

表3 各板厚有限元分析應力匯總表

3 臺架試驗驗證

3.1 后橋殼總成樣件準備

采用BRT600K材料及殼體厚度10.5 mm優(yōu)化設計后，重新采購后橋殼體，并按生產(chǎn)圖紙組焊及加工，得到成品的后橋殼總成。10.5 mm厚度新材料殼體已經(jīng)過CAE理論分析驗證，但是理論分析是假設在理想模型中，后橋總成在整車的實際工程應用中，與輪胎和車身連接在各種路況實際運行時，都會受到各種外界因素的影響，是一個比較復雜的工況，所以還需要進行試驗驗證。

驅動后橋實驗方法結合汽車行業(yè)給定的標準QC/T 533—2020以及公司內部標準進行臺架試驗和實驗結論評價。按QC/T 533—2020標準要求，垂直彎曲剛度試驗要求為滿載軸荷時，每米輪距最大變形量應不大于1.4 mm[6]。橋殼垂直彎曲疲勞壽命應大于80萬次，在臺架實驗設備上，模擬后橋殼總成受到相應的載荷工況進行加載試驗，通過技術參數(shù)對比，得到一個范圍值，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)判定，該驅動橋殼強度是否符合設計的要求。

3.2 臺架試驗設備選用

本文進行橋殼垂直彎曲剛度試驗和垂直彎曲疲勞試驗均選用電液伺服汽車懸架系統(tǒng)疲勞綜合試驗臺進行。電液伺服汽車懸架系統(tǒng)疲勞綜合試驗臺為開放可擴展式試驗機，可通過控制通道和作動器的組合、制造夾具、利用系統(tǒng)資源實現(xiàn)汽車前軸的剛度和疲勞試驗，橋殼的剛度、靜強和疲勞試驗，前橋帶懸掛總成疲勞試驗，后橋帶懸掛（空氣懸掛、板簧懸掛）總成疲勞試驗，汽車鋼板彈簧懸架系統(tǒng)、汽車空氣懸架系統(tǒng)總成道路路譜試驗。該試驗臺主要零件有作動器缸體、密封元件、電機、伺服閥、油泵、過濾器等。

3.3 橋殼垂直彎曲剛度試驗

3.3.1 試驗樣件要求

QC/T 533—2020標準要求樣品數(shù)量不少于1件。全浮式半軸結構的驅動橋橋殼在試驗時應安裝配套減速器殼[6]。

本文試驗樣本數(shù)目為3件，樣品須符合圖紙和技術要求。模擬整車工況，在電液伺服汽車懸架系統(tǒng)疲勞綜合試驗臺上將后橋殼總成兩端軸管用工裝夾緊，保留Y軸自由度，板座位置進行受力加載，如圖8所示。

圖8 垂直疲勞試驗安裝圖

3.3.2 試驗設備及裝置要求

QC/T 533—2020標準要求試驗設備為液壓伺服試驗系統(tǒng)或其他能夠施加載荷的裝置，以及變形測量裝置、力傳感器等。變形測量誤差應在±0.01 mm范圍；力測量相對誤差應在±1%范圍。本文所選電液伺服汽車懸架系統(tǒng)疲勞綜合試驗臺符合以上要求[6]。

3.3.3 試驗方法

（1）把樣品按實際承載狀態(tài)進行安裝，加載位置為橋殼承受汽車重量的受力點中心，支點為該橋殼輪距相應位置。

（2）安裝完后，應保證施加載荷方向與橋殼軸管中心線垂直，支點沿橋殼軸管中心線方法自由度不受限制，以適應試驗加載變形不受運動干涉。

（3）樣品安裝之后預加載至滿載軸荷2～3次，卸載后進行測量。

（4）卸載至0后，調整變形測量裝置至0位，測點位置不應少于9點。測點位置見圖9，圖中序號1至9箭頭所指位置即為測量點位置。

圖9 橋殼垂直彎曲剛度試驗測點位置圖（單位：mm）

（5）連續(xù)緩慢加載至規(guī)定載荷：牽引車橋殼為2.0倍滿載軸荷，載貨汽車、載客汽車橋殼為2.5倍滿載軸荷。本文按2.5倍滿載軸荷加載。在載荷從0施加到規(guī)定載荷期間，記錄各測點處變形量至少8次，且必須包含加載至滿載軸荷與規(guī)定載荷時刻各測點的變形量。每根橋殼最少測量3遍，每次試驗開始時都應把變形測量裝置調至0位[6]。

3.3.4 數(shù)據(jù)處理

將滿載軸荷下每個測點測得的3次變形數(shù)據(jù)，分別減去因支點剛性、間隙等引起的誤差值后（誤差根據(jù)每個測點與支點距離按比例折算），選取其中最大值作為該測點的最終變形量[6]。

3.3.5 試驗結果

試驗按滿載載荷112.7 kN加載。試驗結果測得3件樣品每米輪距最大變形量分別為1.20 mm/m、1.27 mm/m、1.31 mm/m，試驗結果符合要求。

3.4 垂直彎曲疲勞試驗

3.4.1 試驗樣件要求

QC/T 533—2020標準要求樣品數(shù)量不少于3件，其他要求與3.3.1垂直彎曲剛度試驗樣品要求相同。

本文試驗樣本數(shù)目為3件，樣品須符合圖紙和技術要求。樣品安裝及夾角與3.3.1垂直彎曲剛度試驗樣品要求相同，安裝圖也如圖8所示。

3.4.2 試驗設備及裝置要求

QC/T 533—2020標準要求試驗設備為液壓伺服試驗系統(tǒng)，或其他能夠施加載荷的裝置、力傳感器等。力測量相對誤差應在±1%范圍，力控制相對誤差應在±1%范圍[6]。本文所選電液伺服汽車懸架系統(tǒng)疲勞綜合試驗臺符合以上要求。

3.4.3 試驗方法

（1）試驗載荷波形為正弦波，牽引車橋殼試驗載荷范圍為（0.1±0.02）倍至2.0倍滿載軸荷，載貨汽車、載客汽車橋殼試驗載荷范圍為（0.1±0.02）倍至2.5倍滿載軸荷。試驗頻率宜在2Hz～8Hz之間[6]。

（2）樣品安裝要求同3.3橋殼垂直彎曲剛度試驗安裝要求。

（3）預加載至最大試驗載荷3次，卸載后開始試驗。

（4）進行至80萬次，或至樣品損壞。記錄試驗結束時的試驗次數(shù)，以及樣品狀況。

3.4.4 試驗結果

試驗軸荷設置為2.5倍滿載軸荷，即為281.75 kN，頻率設置為4 Hz。兩件樣品分別試驗至81.3萬、81.2萬次后結束試驗，另外1件樣品完成80萬次后，加力至載荷318.5 kN，完成了116.6萬次，橋殼失效。試驗結果符合要求。

4 結論

本論文采用橋殼專用高強度材料BRT600QK，分別按12 mm、11 mm、10.5 mm殼體厚度進行三維建模，并結合有限元分析軟件Altair Hypermesh分別對橋殼總成的垂向工況每米輪距變形量、垂向工況的極限工況、驅動工況的極限工況，以及制動工況極限工況進行有限元受力分析，得到后橋殼總成所受應力分布圖，從而核算出所選10.5 mm板厚的安全系數(shù)為1.17，安全系數(shù)符合要求。再對10.5 mm殼體的橋殼總成進行了垂直彎曲剛度試驗、垂直彎曲疲勞試驗，試驗結論均滿足行業(yè)標準要求。最終分析得出采用BRT600K材料后可將厚度減少為10.5 mm滿足設計要求。相比原14 mm厚的Q355材料殼體，減重25%。

[1] 余志生. 汽車理論(第6版)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2021.

[2] 劉惟信. 汽車設計[M]. 北京: 清華大學出版社，2000.

[3] 張勝蘭，鄭冬黎. 基于HyperWorks的結構優(yōu)化設計技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2021.

[4] 洪清泉，趙康，張攀，等. OptiStruct&HyperStudy理論基礎與工程應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2014.

[5] 張武冠. 有限元分析在汽車前輪轂設計中的應用[J]. 大眾科技，2016，18(3): 44-46.

[6] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 商用車驅動橋總成: QC/T 533-2020[S]. 北京: 中國標準出版社，2020.

Lightweight Design of 11.5 Tons Rear Axle Housing

The traditional axle housing assembly body is generally made of 14mm thick Q355 material stamping and welding, resulting in a large weight. In this paper, the special high strength material BRT600QK for bridge housing of Baoshan Iron and Steel Co., Ltd. is selected, and the plate thickness of 12 mm, 11 mm and 10.5 mm is selected for three-dimensional modeling of bridge housing, and then the finite element analysis is carried out by using the finite element analysis software Altair Hypermesh. The results show that the optimal thickness of this material is 10.5 mm. Finally, through the bench test, it is proved that the strength of the axle shell after the lightweight design of 10.5 mm plate thickness meets the requirements.

rear axle housing assembly; Altair Hypermesh; finite element analysis; lightweight

V463

A

1008-1151(2023)11-0089-05

2023-05-21

柳州市科技計劃項目（2021AAA0116）。

張武冠（1987－），男，廣西玉林人，方盛車橋（柳州）有限公司技術中心工程師，碩士，從事商用車車橋及其零部件的研發(fā)和應用工作。