越野車驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計與開發(fā)＊

趙正彩，范亙，徐進(jìn)金

（北京汽車研究總院有限公司底盤部，北京 101300）

前言

節(jié)能減排、綠色發(fā)展是全球汽車行業(yè)共同面對的問題，而輕量化由于其減排效果顯著，同時還可明顯提高燃油經(jīng)濟(jì)性，因此越來越受到業(yè)界的重視和關(guān)注。面對全球變暖，大氣污染等嚴(yán)峻環(huán)境問題，各大汽車企業(yè)積極響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，在保障碰撞安全、耐久可靠等各項性能指標(biāo)的前提下，力求降低零部件的成本以及產(chǎn)品的輕量化。本文主要介紹了越野車驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計、板材選取及橋殼成型開發(fā)過程，通過多輪試驗(yàn)對比，確定可行的實(shí)現(xiàn)方案，為量產(chǎn)車型的節(jié)能、降耗提供可能的邊際貢獻(xiàn)。

1 某越野車驅(qū)動橋殼現(xiàn)狀分析

某越野車車型后驅(qū)動橋殼目前采用的材料為SAPH440、橋殼厚度分別為5.0mm和6.0mm，橋殼在傳統(tǒng)工藝壓制成型過程中有時會出現(xiàn)開裂、皺褶、擠疊等不合格品。如圖1所示：為選擇合適厚度和材質(zhì)的橋殼板材，需查明橋殼開裂的具體影響因素。對所試橋殼取樣，分別進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相組織分析、壓延拉伸減薄量分析、裂紋斷口分析。

圖1 橋殼壓制中的不合格品

1.1 化學(xué)成分分析

表1 試驗(yàn)化學(xué)成分檢測數(shù)據(jù)

表1 試驗(yàn)化學(xué)成分檢測數(shù)據(jù)（續(xù)）

對壓制的橋殼試樣進(jìn)行材料化學(xué)成分分析的實(shí)測結(jié)果，符合材料規(guī)定的要求。如表1所示。

結(jié)論：試樣化學(xué)成分含量符合協(xié)議要求的材料成分。

1.2 橋殼減薄量分析

橋殼殼體采用沖壓拉延成形，其開裂處的材料是由于拉伸延展從而減薄直至撕裂，所以，有必要對其進(jìn)行檢測分析，見圖2所示。

圖2 橋殼成型過程中的厚度、硬度變化

圖3 橋殼成型過程中的開裂試樣

通過圖2、圖3可知，開裂處的材料厚度比正常區(qū)域的減薄了20%，硬度比正常區(qū)域的高約30～40HV。

1.3 組織分析

通過對厚度為 5mm、6mm 的橋殼進(jìn)行金相組織檢測分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 開裂試樣金相組織檢測數(shù)據(jù)

圖4、圖5各為5mm、6mm厚度的橋殼金相組織情況。圖6為橋殼開裂部位的斷口分析。

圖4 板厚5mm后橋殼金相組織分析分布

圖5 板厚6mm后橋殼金相組織分析分布

圖6 橋殼開裂部位的斷口分析

綜合橋殼壓制過程出現(xiàn)的不合格分析及成形機(jī)理，按照該系列橋殼設(shè)計現(xiàn)狀，為最大限度輕量化優(yōu)化，考慮從兩方面入手，一是進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度，選擇高強(qiáng)度鋼板，減薄殼體材料厚度；二是優(yōu)化橋殼結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以更好的較小材料厚度，同時改善沖壓工藝性以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼板的沖壓成型。

2 某越野車驅(qū)動橋殼輕量化開發(fā)

現(xiàn)橋殼板材材質(zhì)為SAPH440，計劃減薄量為：將車型A現(xiàn)厚度5.0mm計劃減薄為4.5mm或4.0mmm；將車型B現(xiàn)厚度6.0mm計劃減薄為5.5mm或5.0mmm。

1）對現(xiàn)有厚度為5mm橋殼和6mm橋殼分別進(jìn)行橋殼總成臺架試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變測試。測試點(diǎn)如圖7所示。

圖7 橋殼總成臺架試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變測試

2）通過橋殼臺架試驗(yàn)，板厚5mm、6mm的橋殼應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果，如圖8所示；板厚6mm的橋殼應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果，如圖9所示。

圖8 板厚5mm橋殼應(yīng)力應(yīng)變測試數(shù)據(jù)

通過圖8可知，板厚5mm橋殼最大動載應(yīng)力為加載系數(shù)3.0時的后橋橋包位置，即：加載軸荷為后橋軸荷的3倍時，橋殼橋包最大動載應(yīng)力為75MPa。

通過圖9可知，板厚6mm橋殼最大動載應(yīng)力為加載系數(shù) 3.0時的后橋橋殼軸頭環(huán)焊位置，即：加載軸荷為后橋軸荷的3倍時，橋殼軸頭環(huán)焊位置的最大動載應(yīng)力為98MPa。

3 橋殼模型仿真分析

本文根據(jù)選擇的A、B兩種車型，進(jìn)行橋殼模型邊界條件具體參數(shù)的確定、模擬路況的選擇及橋殼模型輕量化仿真分析。

3.1 邊界條件確定

選擇A、B兩種車型，確定橋殼仿真模型邊界條件參數(shù)，具體見表3所示。

3.2 模擬路況選擇

由于本文所選車型為某越野車型，按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 533規(guī)定，驅(qū)動橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)負(fù)荷最大可按照該車型驅(qū)動橋越野滿載軸荷3倍進(jìn)行計算。所以，這里驅(qū)動橋殼試驗(yàn)負(fù)荷分別按照1倍軸荷1倍扭矩、3倍軸荷0倍扭矩兩種工況進(jìn)行路況模擬，在兩種工況下的路況模擬按照應(yīng)力應(yīng)變計算、剛度計算、疲勞強(qiáng)度計算進(jìn)行分配，具體見表4所示。

表4 兩種模擬路況的計算分配

表4 兩種模擬路況的計算分配（續(xù)）

3.3 模型仿真分析

1）按照上述確定的邊界條件及模擬路況建立仿真模型對車型A的橋殼分別按厚度4.5mm和4mm進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、撓度、疲勞壽命計算及仿真分析，仿真分析結(jié)果見圖10和表5所示。

圖10 A車型4mm厚橋殼、3倍載荷0倍扭矩仿真分析

2）按照上述確定的邊界條件及模擬路況建立仿真模型對車型B的橋殼分別按厚度5.5mm和5mm進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、撓度、疲勞壽命計算及仿真分析，仿真分析結(jié)果見圖11和表5所示。

圖11 B車型5mm厚橋殼、3倍載荷0倍扭矩仿真分析

3）綜上兩種車型的4個不同厚度驅(qū)動橋殼的應(yīng)力應(yīng)變、撓度、疲勞壽命計算，其仿真分析結(jié)果如表5所示。

表5 A和B車型驅(qū)動橋殼計算仿真結(jié)果

表5 A和B車型驅(qū)動橋殼計算仿真結(jié)果(續(xù))

經(jīng)過仿真分析并由圖10和圖11及表5所示，車型A選用4mm板厚橋殼時，在3倍載荷0倍扭矩加載工況下，應(yīng)力最大 438MPa，撓度為 0.77mm/m，疲勞壽命最低達(dá)到 98萬次；車型B選用5mm板厚橋殼時，在1倍載荷1倍扭矩加載工況下，應(yīng)力最大467MPa，撓度為0.31mm/m，疲勞壽命最低達(dá)到158萬次，均滿足要求。

3.4 橋殼沖壓成形仿真分析

車型A、B后驅(qū)動橋殼的零件特征主要有：截面長度不均勻；中間球面底部與兩側(cè)圓管底部高度落差大；球面底部有凹陷特征；最小圓角太小（R10對應(yīng)內(nèi)側(cè)圓角達(dá)一個料厚）。如圖12所示。

圖12 車型A、B驅(qū)動橋殼零部件結(jié)構(gòu)特征

結(jié)合實(shí)際，鋼模沖壓成形仿真采用寶鋼、首鋼提供的三種板材，進(jìn)行成型減薄量分析，即：寶鋼板材SAPH440，厚度6mm（車型B原始橋殼厚度），成形最大減薄率41.4%；

首鋼板材SQK520，厚度5mm（車型A原始橋殼厚度），成形最大減薄率50.8%；首鋼板材SQK600，厚度4.5mm，成形最大減薄率53.7%。針對三種牌號不同厚度的板材進(jìn)行沖壓成形分析，結(jié)果見表6所示。

表6 不同牌號橋殼板材沖壓成形仿真分析數(shù)據(jù)

由表6可知，隨著橋殼材料強(qiáng)度的不斷提高，最大減薄量逐漸加大。但實(shí)際中需要綜合考慮材料的延伸率和材料成本，再做進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證和選擇。

4 輕量化橋殼選材方案

橋殼輕量化的選材主要是根據(jù)橋殼的尺寸計算抗彎截面系數(shù)、并推算出所需板材的抗拉強(qiáng)度，然后進(jìn)行沖壓試制、反復(fù)驗(yàn)證最終確定板材型號。

4.1 橋殼選材計算

圖13 車型A、B驅(qū)動橋殼軸管示意圖

計算公式：

截面極慣性矩：

式中：D為橋殼軸管外徑；d為橋殼軸管內(nèi)徑。

抗彎截面系數(shù)：

根據(jù)上面的公式計算所得抗彎截面系數(shù) 如下表7、表8所示，再根據(jù)現(xiàn)有橋殼板材厚度與所選減薄后的板材厚度，類比推算得出所需材料抗拉強(qiáng)度。計算所得見下表7、表8。

表7 A車型不同厚度橋殼鋼板計算數(shù)據(jù)

表8 B車型不同厚度橋殼鋼板計算數(shù)據(jù)

通過表7、表8可知，并考慮實(shí)際板材的延伸率及材料成本，初步選定A車型橋殼，材質(zhì) SQK520，由原始厚度5mm減薄至4.0mm。B車型橋殼，材料SQK520，由原始厚度減薄至5.0mm。

4.2 沖壓試制

將初選的板厚4mm、5mm SQK520材料進(jìn)行橋殼橋殼本體沖壓成形試制，沖壓成形過程中，因材料延伸率不足的緣故，仍存在少量的開裂。

4.3 驗(yàn)證結(jié)果

按上述分析進(jìn)行新一輪的板材選材、仿真分析、樣件試壓，并結(jié)合實(shí)際工藝驗(yàn)證、檢測、分析和查閱相關(guān)資料，將橋殼材料調(diào)整為SQK460，重新進(jìn)行壓制，車型A的橋殼開裂率由原來的5%降低至目前的1%，效果較理想，車型B的橋殼開裂率也有明顯降低。

5 結(jié)論

通過對車型A、車型B驅(qū)動橋殼的板材厚度的化學(xué)成分、金相組織分析，初步確定了兩車型的驅(qū)動橋殼輕量化設(shè)計開發(fā)方案，并按照1倍軸荷1倍扭矩、3倍軸荷0倍扭矩兩種工況進(jìn)行路況模擬，在兩種工況下的路況模擬按照應(yīng)力應(yīng)變計算、剛度計算、疲勞強(qiáng)度計算進(jìn)行分配，然后確定邊界條件進(jìn)行橋殼本體的應(yīng)力應(yīng)變、剛度及疲勞強(qiáng)度仿真分析，通過有效的工藝優(yōu)化及沖壓試制，最終確定A車型橋殼，材質(zhì)SQK460，由原始厚度5mm減薄至4.0mm；B車型橋殼，材料SQK460，由原始厚度減薄至5.0mm的減薄方案是可行的，且車型A的橋殼開裂率由原來的5%降低至目前的1%，效果較理想，車型B的橋殼開裂率也有明顯降低。

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[2] 張勝蘭,鄭冬黎等.基于 HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)【M】.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2008:33-67.

[3] QC/T533-1999 汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)方法,國家機(jī)械工業(yè)局. 1999-03-15批準(zhǔn).

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[5] Q/BGB310-2009 汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板及鋼帶,寶鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

[6] 首鋼材料手冊.熱軋汽車鋼.2013: 56-72.