驅(qū)動(dòng)橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

姚哲皓　劉金　項(xiàng)海濤　李偉　戴麗紅

摘要：本文針對(duì)橋總成生產(chǎn)實(shí)際問題對(duì)某驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過建立驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元模型，分析比較了優(yōu)化前后橋殼的靜強(qiáng)度和靜剮度。研究了優(yōu)化后橋殼的模態(tài)，計(jì)算了優(yōu)化后橋殼的疲勞壽命，并通過臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋殼；剛強(qiáng)度；模態(tài)；疲勞

1.引言

驅(qū)動(dòng)橋殼在商用車運(yùn)輸時(shí)承受著整車的重力與地面的反力，只有其強(qiáng)度和剛度達(dá)到要求，才能保證主減速器中各齒輪正常工作。同時(shí)為了適應(yīng)整車不同工況下的應(yīng)用，橋殼結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足橋總成不同配置下的安裝需求，使安裝和拆卸易損件時(shí)更加便捷。本文通過生產(chǎn)實(shí)際問題對(duì)某牽引車后驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，消除了由于結(jié)構(gòu)限制造成的拆裝困難情況，并采用Hypermesh分析軟件對(duì)優(yōu)化前后橋殼模型進(jìn)行了剛度與強(qiáng)度分析，對(duì)優(yōu)化后的橋殼進(jìn)行了模態(tài)和疲勞分析，驗(yàn)證優(yōu)化后橋殼性能。

2.橋殼有限元模型的建立

某牽引車后橋要求采用氣室后豎以免倒車過程中造成磕碰，這種布置使左右調(diào)整臂分置于后蓋兩側(cè)，如圖1（a）所示。由于空間有限，拆卸調(diào)整臂時(shí)需將輪端整個(gè)拆下來，橋總成上車之后作業(yè)困難，更換費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)拆掉輪端之后需重新加注齒輪油，大大提高了維護(hù)成本。優(yōu)化之后的橋殼結(jié)構(gòu)如圖1（b），可以方便的將調(diào)整臂向后蓋一側(cè)抽出，簡(jiǎn)單易行。

某商用車驅(qū)動(dòng)橋相關(guān)參數(shù)如表1所示。橋殼為插管式式橋殼，橋殼本體和后蓋采用同一材料鑄造加工，材料屬性如表2所示：

在Hypennesh軟件中建立驅(qū)動(dòng)橋殼優(yōu)化前后的模型，并進(jìn)行前處理，施加邊界條件的部位保持原模型特征，其他部位的特征需進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，提高計(jì)算效率。優(yōu)化前后橋殼網(wǎng)格劃分時(shí)采用四面體網(wǎng)格如圖2所示，有限元模型分別有1177760和1415734個(gè)網(wǎng)格單元。

3.驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析

仿真分析采用臺(tái)架試驗(yàn)的方式，將橋殼平放臺(tái)架上，支點(diǎn)位于輪距位置，力點(diǎn)位于鋼板彈簧上表面。

3.1橋殼剛度與強(qiáng)度分析

載貨汽車驅(qū)動(dòng)橋殼在進(jìn)行剛度分析時(shí)，按單倍滿載軸荷計(jì)算橋殼垂直方向位移量，保證其單倍滿載軸荷下的每米輪距變形值不超過0.7mm/m；強(qiáng)度分析時(shí)，采用2.5倍滿載軸荷下計(jì)算應(yīng)力值，保證該載荷下其最大綜合應(yīng)力不大于材料的抗拉強(qiáng)度。仿真時(shí)在板簧做上表面節(jié)點(diǎn)上施加分布的載荷，輪距的位置施加約束，一端的對(duì)應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)上全約束移動(dòng)自由度，一端對(duì)應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)上放開縱向移動(dòng)自由度，剛度結(jié)果由橋殼垂直方向最大位移量表示，強(qiáng)度結(jié)果由橋殼VonMises應(yīng)力表示。優(yōu)化前后的橋殼剛度分析結(jié)果見圖3所示，單倍滿載軸荷條件下優(yōu)化前橋殼的最大垂直位移是1.080mm，其每米輪距的變形量為0.58mm，優(yōu)化后橋殼的最大垂直位移是1.092mm，其每米輪距的變形量為0.59mm，由此可得在單倍滿載軸荷條件下橋殼優(yōu)化前后均滿足垂直彎曲剛度的要求；橋殼強(qiáng)度分析結(jié)果如圖4N示，2.5倍滿載軸荷下優(yōu)化前后橋殼最大應(yīng)力分別為346.2Mpa和346.9Mpa，均小于材料抗拉極限強(qiáng)度，且優(yōu)化后橋殼后蓋應(yīng)力較優(yōu)化前降低了52Mpa。

3.2優(yōu)化橋殼模態(tài)分析

由于路況與輪胎的原因，載貨汽車在運(yùn)輸過程中，橋殼會(huì)受到動(dòng)載荷的影響，當(dāng)動(dòng)載荷的頻率達(dá)到橋殼某一階固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，造成橋殼斷裂。因此為保證共振不發(fā)生，橋殼的固有頻率需遠(yuǎn)大于運(yùn)輸過程中的振動(dòng)頻率。經(jīng)模態(tài)分析后1-6階振型位移分布圖如圖5所示，1-6階固有頻率表如表3所示。

圖5（a）為新舊橋殼在第1階固有頻率振動(dòng)時(shí)的位移分布云圖，從圖中可知l階振型為橋殼沿側(cè)向做彎曲運(yùn)動(dòng)。圖5（1）1為橋殼在2階振型位移分布云圖，橋殼沿垂向做彎曲運(yùn)動(dòng)。圖5（c）為橋殼在3階振型位移分布云圖，橋殼沿軸向做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖5（d）為橋殼在4階振型位移分布云圖，橋殼沿垂向做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖5（e）為橋殼5階振型位移分布云圖，橋殼沿側(cè)向做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖5（f）為橋殼6階振型，橋殼沿軸向往復(fù)移動(dòng)。

載貨汽車在路面上行駛過程中，驅(qū)動(dòng)橋殼將受到0-50HZ范圍的垂直振動(dòng)激勵(lì)。由表3中結(jié)果顯示，優(yōu)化后橋殼1-6階的固有頻率遠(yuǎn)大于運(yùn)輸過程中的振動(dòng)頻率，優(yōu)化后的橋殼滿足性能要求。

3.3驅(qū)動(dòng)橋疲勞分析

在一定次數(shù)N的循環(huán)載荷F作用下，構(gòu)件表面開始萌生裂紋，N值即是該構(gòu)件的疲勞壽命。通常，材料或者結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限越大，結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力水平越低，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命就越長(zhǎng)，反之疲勞壽命越低。德國(guó)Wohler A教授首先提出了應(yīng)力水平與疲勞壽命關(guān)系的曲線，稱為S-N曲線。名義應(yīng)力壽命法即是基TS-N曲線，估算構(gòu)件疲勞壽命的方法。這種方法結(jié)合疲勞累積損傷理論，適用于應(yīng)力水平較低的高周疲勞情況。由于橋殼承受低應(yīng)力高周疲勞，因此使用名義應(yīng)力壽命法對(duì)橋殼進(jìn)行壽命估算比較合適。

通過試驗(yàn)得到材料的S-N曲線并加以簡(jiǎn)化，得到橋殼本體材料QT550-10的相關(guān)參數(shù)為：

SRI=930MPa，b=-0.084，NCl=1.8e；

半軸管套用的40MnB的縱軸截距及斜率分別為：SRI=4177.74MPa，b=-0.125，NCl=5e。根據(jù)這些參數(shù)，在Fatigue Process模塊中自定義兩種材料的S-N曲線，如圖6所示：

橋殼仿真與臺(tái)架試驗(yàn)加載方式相同，即在板簧座上表面施加的垂直正弦波載荷（頻率為5HZ），波谷取值0.3倍滿載軸荷，波峰取值3倍滿載軸荷。在Fatigue Process模塊中，進(jìn)行橋殼疲勞壽命計(jì)算，其結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)橋殼本體在下過渡面受拉應(yīng)力的位置最先出現(xiàn)疲勞破壞，橋殼的最低壽命為150.4萬(wàn)次（大于100萬(wàn)次），橋殼疲勞壽命滿足要求。

4.臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)《汽車后橋殼臺(tái)架試驗(yàn)方法》對(duì)優(yōu)化后的橋殼進(jìn)行垂直彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)采用PME-50液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖8所示。臺(tái)架試驗(yàn)按13T級(jí)別進(jìn)行加載，在板簧座上表面施加垂直正弦波載荷，所加載荷的范圍為39T-390T，加載頻率為5Hz。采用3個(gè)樣件分別試驗(yàn)，結(jié)果見表4：

由上表可得，臺(tái)架試驗(yàn)橋殼本體的疲勞均值為137.5萬(wàn)次，最低壽命為122.3萬(wàn)次，均大于100萬(wàn)次，仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)偏差小于20%，優(yōu)化后的橋殼疲勞壽命滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

5.結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求對(duì)橋殼進(jìn)行優(yōu)化后，在單倍滿載軸荷條件下橋殼優(yōu)化前后最大位移與輪距之比分別為0.58mm/m與0.59mm/m，均滿足垂直彎曲剛度的要求；在2.5倍滿載軸荷條件下橋殼優(yōu)化前后最大應(yīng)力分別為346.2Mpa和346.9Mpa，均低于材料的抗拉極限，且優(yōu)化后橋殼后蓋應(yīng)力較優(yōu)化前降低了52Mpa。

（2）對(duì)優(yōu)化后橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，得出其1-6階模態(tài)振型圖，并得出橋殼的固有頻率遠(yuǎn)大于運(yùn)輸過程中的振動(dòng)頻率（0-50HZ），因此優(yōu)化后橋殼滿足要求。

（3）通過Fatigue Process模塊對(duì)優(yōu)化后橋殼進(jìn)行疲勞壽命分析，得出橋殼本體疲勞壽命為150.4萬(wàn)次。通過3次樣件的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，平均壽命為137.5萬(wàn)次，仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果偏差值小于20%，均滿足100萬(wàn)次的使用要求。