試論汽車驅動橋焊接強度耐久性分析中熱點應力法的應用

劉圣仲

摘 要：汽車驅動橋殼是汽車差速器、半軸與主減速器的基礎零件，也是汽車傳動系統的一個重要組成。基于汽車在行駛過程中的受力比較復雜，因而對汽車驅動橋殼的性能和質量有著較高的要求。為了能夠提升汽車驅動橋殼性能，文章以熱點應力法為研究對象，結合臺架試驗，就如何借助熱點應力法提升汽車驅動橋焊接強度耐久性進行策略分析。

關鍵詞：汽車驅動橋殼;焊接強度;耐久性;臺架試驗;熱點應力法;應用

汽車驅動橋殼是由多個薄板材料在經過沖壓、焊接加工所形成的一種整體性封閉結構，具備強度高、承載力強、質量輕的特點。驅動橋焊接橋殼的焊接部位包含軸頭、法蘭、后蓋、前后強化環、推力桿支架等。焊接局部包含過渡區域、結構本體、焊接核等。汽車驅動橋殼的整個焊接操作深受焊接工藝、幾何變形、承載方式、焊接殘余應力等綜合因素的影響，往往很難通過CAE的方式來對焊接結構的強度耐久性進行評價，評價結果會出現不穩定、不精準的問題。為此，近幾年國內外開始積極對汽車驅動橋殼焊接結構強度的耐久性開展模擬分析評價，而熱點應力法就是在CAE技術上發展起來的一種升級版汽車驅動橋殼焊接結構強度耐久性檢驗方式。文章現就熱點應力法在汽車驅動橋焊接強度耐久性分析中的應用問題進行分析，同時通過臺架試驗來證明熱點應力法在提升汽車驅動橋焊接強度的應用作用，以供相關人員的工作提供重要參考支持。

1 汽車驅動橋殼的結構和功能分析

1.1 驅動橋殼的結構

從實際應用上來看，驅動橋殼主要分為分段式橋殼與整體式橋殼兩種結構。分段式橋殼一般由兩個半軸套管、凸緣盤和主要減速器殼殼蓋共同組成，在螺栓的作用下來將這些零部件組合在一起。從實際應用情況來看，分段式橋殼一般具備加工簡單、制造簡單、維修不便等特點。而整體式橋殼和分段式橋殼相比則是具備更多種形式，例如，半軸套管壓配、鋼板沖壓焊接、整體鑄造還有中段鑄造等，和分段式橋殼相比具有操作復雜的特點。

1.2 汽車驅動橋殼的功能

汽車驅動橋殼行駛系統的重要組成部分。汽車驅動橋殼與差速器、主減速器還有半軸驅動橋在整個汽車的動力部分存在密切的關聯，都處于傳動系統的末端，總體作用是增大變速器和傳動軸的轉矩。汽車驅動橋殼被叫做后橋殼，驅動橋能夠承載汽車的主要荷載重量。而為了能夠更好地承載這種重量需要在汽車驅動橋殼上安裝并保護主減速器、半軸和差速器。

2 熱點應力

熱點應力主要是指最大結構應力或者幾何應力，總體上是結構中危險截面上危險點的應力體現。熱點應力作為整個結構應力結構的重要評定參考數值，在考察的時候減少了焊接縫隙本身產生的局部應力效應，能夠考察因為焊接接件接頭、形狀代銷變化所引起的應力集中效應。

3 汽車驅動橋焊接強度耐久性分析

3.1 焊接熱電應力外推點的確定

按照線性插制度外推及和固定點方法計算求出焊趾位置上的應力數值。焊趾熱力點分析類型如圖一所示。在a、c型焊趾外端比較寬的時候，外推點取距離焊趾0.4t（焊接厚度單位）和1t的位置上。在a、c型焊趾外端比較狹窄的時候外推點取距離焊趾0.5t的位置上。在B焊趾外端比較寬的時候，外推點取距離焊趾4mm、8mm和12mm的位置。在b焊趾外端比較狹窄的時候，外推點取距離焊趾5mm的位置點。

3.2 焊接結構靜強度的綜合分析評價

焊接結構靜強度一般表現在焊接結構在極限狀態下和準靜止狀態下的脆斷破壞現象。在計算的時候可以根據以下三種方式來確定焊接靜強度極限和允許應用的力量。根據母材料許可應用應力來確定焊接許可應用應力，根據結構材料、焊接強度的基本配比來確定強度數值。

3.3 焊接結構疲勞強度的綜合評價

在經過學者們的研究分析證明，在使用精準有限元分析和外推法的基礎上能夠確定熱點應力數值。可以使用存活率為97.7%的FAT90來作為一條通用的熱點應力曲線數值。FAT90熱點應力S-N曲線相關參數情況如表1所示。

4 熱點應力法在不同結構汽車驅動橋焊接強度耐久性分析中的模擬分析

在標準件模擬比較的基礎上對兩種結構形式的驅動橋焊接橋殼焊接部位進行臺架工況下應力和強度耐久性試驗分析，并將試驗分析測試結果和CAE的計算結果進行綜合比較。整車路譜測量點包含發動機的轉動速度、車輛行駛速度、檔位信息、制動踏板狀態、轉向盤角度、四輪懸架形成、前后副車架加速度等。結合強度計算結果在車身、前后副車架的應力集中點在上增加應變測點。

4.1 橋殼1焊接部位臺架試驗結果和模擬結果的對比分析

橋殼1焊接部位臺架試驗結果和模擬結果的對比分析結果如表2所示。根據表二的數據信息可以發現焊縫各個測試點計算應力數值和測試的應力趨勢基本保持在一致的狀態，模擬的精準數值達到了七成以上，最終充分證明了橋殼1焊接部位臺架試驗結果和模擬結果應力數值對比的可靠性。

4.2 橋殼2焊接部位臺架試驗結果和模擬結果的對比分析

橋殼2焊接部位臺架試驗結果和模擬結果的對比分析如表三所示，根據分析發現A5和B5的試驗測量數值差距較大，但是從總體上來看，表2和表3橋殼焊接部位臺架試驗結果和模擬結果的最大誤差為25.6%，模擬精準度達到了七成以上，符合試驗標準。

5 結束語

綜上所述，汽車車橋制造的主要工藝手段就是焊接，對于不同的產品類型設計出合理的汽車后橋殼焊接工藝并且設計出不同的設計自動焊功能是汽車車橋制造的一個發展方向。利用熱點應力方法對汽車驅動橋橋殼焊接強度耐久性模擬分析的方法對焊接部位關鍵點應力的模擬有效性達到了70%，同時焊結部位的耐久性模擬數值以及壽命均值均和試驗結果的數值相匹配。為此，文章認為對于復雜汽車驅動橋殼焊接接頭強度耐久性分析評價具有廣泛的社會適用性，能夠解決驅動橋焊接結構焊接部位強度耐久性模擬數值問題，通過這類的試驗分析操作能夠有效提升汽車驅動橋結構強度的耐久性模擬分析能力，對產品開發和研究具備重要的實踐參考價值。

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