基于重卡車橋的特點對汽車車橋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化

【摘? 要】隨著我國汽車工業(yè)發(fā)展欣欣向榮，汽車日益增多，滿足了人們生產(chǎn)生活的需要。車橋制造是汽車行業(yè)的重要部分。車橋是通過懸架連接到車架并在車架和車輪之間傳遞動力。其強度和剛度是車輛整個結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。目前，我國汽車車橋市場競爭日趨激烈。為促進公司一體化發(fā)展，提高車橋技術(shù)水平，本文將基于重卡車橋的特點對汽車車橋結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化，促進汽車領(lǐng)域的全面發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】重卡車橋;汽車車橋;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、緒論

1.車橋的作用

車橋是汽車變速器的重要組成部分。它通過懸架連接到車架并在車架和車輪之間傳遞動力。其強度和剛度是車輛整個結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。隨著客車和卡車變得更高速、重載和輕量，有必要降低車橋的重量和負載。車橋的安全性問題也出現(xiàn)，優(yōu)化車橋有利于汽車行業(yè)的發(fā)展。

2.重卡車橋分類的特點

重卡車橋?qū)χ乜ㄐ袠I(yè)的發(fā)展有著一定的影響。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的不同，可分為內(nèi)置式和分體式兩種。內(nèi)置式機身因其優(yōu)異的強度和剛度而得到廣泛應(yīng)用，方便主齒輪箱的安裝、調(diào)整和維護。一體式軸殼可分為嵌入式鑄造式、中心鑄造式鋼管、密封鋼板和焊接式。后輪驅(qū)動車型通常有兩種車型：單輪驅(qū)動和兩輪驅(qū)動。傳驅(qū)動橋橋殼按生產(chǎn)工藝分為焊接軸套和鑄鐵軸套（鑄鐵、鑄鋼）。鑄鐵套管具有剛性高、變形小、成本低等優(yōu)點，但生產(chǎn)周期長、工藝復(fù)雜、效率低。鉆孔和焊接軸套具有外觀好、重量輕、純度高、故障率低等優(yōu)勢。

提高后橋速比需要在主單級下降軸上加大齒數(shù)，從而降低了負載的最小離地間隙，降低了運輸效率。而輪邊減速器是一個很好的解決方案。齒輪箱放置在車輪鎖頭和車輪之間。主齒輪球直徑更小，軸更高，路徑改進可適應(yīng)各種復(fù)雜路況。但是，減速裝置結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，重量越重，機械效率越低，能量損失越大，油耗越多。同時，熱量的產(chǎn)生使車輪頂部高溫，容易出現(xiàn)問題。后橋的選擇應(yīng)基于特定傳動需求。單減橋適用于條件好的道路，運輸效率高，可降低油耗。輪減橋適用于條件惡劣的車輛。輪減橋可以提高牽引力并產(chǎn)生更大的牽引力。

二、優(yōu)化汽車車橋結(jié)構(gòu)

1車橋單級減速驅(qū)動橋的優(yōu)化

在車橋傳動技術(shù)中，主要是通過減速和扭矩增加來實現(xiàn)驅(qū)動效果，需要在變速箱的中心結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)減速和扭矩。重卡車橋的減速主要包括一級減速橋、二級加速橋和輪邊雙級減速驅(qū)動橋。我國現(xiàn)階段的商用車大多是雙級主減速器，其在制動和增加扭矩方面非常有效，可以更好地滿足用戶的需求。隨著我國道路建設(shè)的發(fā)展，對汽車綜合性能的要求越來越高。于是，我國汽車的車橋技術(shù)逐漸向單級減速接近。二速減速軸的主齒輪的減速比通常比較小，安裝和橋接單元也比較小。因此，需要增加與地面的距離，以方便行走。

2車橋雙聯(lián)動橋技術(shù)的優(yōu)化

在我國車輛建設(shè)領(lǐng)域，為規(guī)范道路車輛標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格應(yīng)用超載和超載技術(shù)，國家主管部門制定了通用的車輛尺寸、.軸距重量和質(zhì)量限制強制性標(biāo)準(zhǔn)。為滿足使用獨立的多軸驅(qū)動模型來公平分配車輛扭矩，在車橋的生產(chǎn)中，主要采用雙聯(lián)動或多聯(lián)動驅(qū)動軸。汽車采用雙聯(lián)動橋滿足裝配和性能要求，避免空氣懸架部件干擾，降低整車質(zhì)量，有效提高車輛穩(wěn)定性和裝載效率。

3.車橋橋殼拓撲優(yōu)化設(shè)計

在創(chuàng)建撲優(yōu)化模型之前，需要解釋優(yōu)化設(shè)計的三個方面：設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)變密度法，加權(quán)負荷能量作為目標(biāo)度量，體積分數(shù)和加工制造約束作為約束。利用有限元優(yōu)化軟件對車橋橋殼進行拓撲優(yōu)化。其數(shù)學(xué)模型的表達式如下：

設(shè)計變量：

目標(biāo)函數(shù)：min f（X）

約束條件：

其中表示設(shè)計變量，即單元密度，取值范圍為[0，1];f（X）表示目標(biāo)函數(shù)，即加權(quán)應(yīng)變能，約束條件g（X）為約束條件。

3.1? 設(shè)計空間

基于車橋測量值和與道路封閉、緊急制動阻力、以最大功率和速度行駛以及車橋結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型相關(guān)的四個工況限制。將橋殼設(shè)置為一個結(jié)構(gòu)單元，不包括其他部件的安裝區(qū)域，將橋殼的其他部分和軸部件設(shè)置為未構(gòu)造區(qū)域。

3.2? 設(shè)計變量

以設(shè)計空間的單元密度為優(yōu)化設(shè)計變量，取值范圍為 0～1，0 表示材料可以去除，1 表示材料應(yīng)該保留或加強。

3.3? 約束條件

拓撲優(yōu)化不僅是實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)所必需的，而且是滿足質(zhì)量、體積、強度和剛度等性能要求并確保制造部件的能力所必需的。下面將展示如何定義加工制造性約束、體積分數(shù)約束。

1.體積分數(shù)約束。體積分數(shù)α是由公式求得

其中V_L表示當(dāng)前迭代步總體積，V₀表示初始迭代步設(shè)計空間體積，V₀^‘表示初始迭代步非設(shè)計空間體積。將體積分數(shù)的上限設(shè)為30%。

2.制造加工約束

（1）拔模約束

由于車橋橋殼是鑄造成型，在鑄造過程中需要考慮刀具進出方向或者脫模方向，材料不能阻礙刀具進出或者脫模。拔模約束分成單模約束和雙模約束兩類，本文施加雙模約束。

（2）對稱約束

由于車橋橋殼是左右對稱件，為了方便加工制造，需要施加對稱約束，則拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)也是呈現(xiàn)左右對稱。

3.4? 目標(biāo)函數(shù)

應(yīng)變能只能針對單一工況，而加權(quán)應(yīng)變能則考慮了多個工況的綜合作用。加權(quán)應(yīng)變能 C 可以由以下公式求得：

其中為第 i 個工況的應(yīng)變能加權(quán)系數(shù)，取值區(qū)間為[0，1]，本文取 1;Ci為第i個工況的應(yīng)變能。

3.5? 優(yōu)化控制參數(shù)設(shè)置

本文主要設(shè)置了棋盤格控制。棋盤格現(xiàn)象是指在優(yōu)化計算結(jié)果中周期性分布半密度單元（即單元密度介于0到1之間）。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)不利用結(jié)構(gòu)的制造加工，可以通過設(shè)置參數(shù) CHECKER 防止棋盤格現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4.拓撲優(yōu)化計算結(jié)果

利用有限元優(yōu)化軟件對車橋橋殼進行拓撲優(yōu)化，歷經(jīng)80次迭代步計算后，最終收斂。目標(biāo)函數(shù)加權(quán)應(yīng)變能隨迭代步的變化曲線如圖所示。

目標(biāo)函數(shù)（加權(quán)應(yīng)變能）迭代曲線圖

由圖可知初始迭代步加權(quán)應(yīng)變能數(shù)值 7.72e+06，歷經(jīng)80次迭代收斂最終加權(quán)應(yīng)變能為4.26e+06，下降了44.8%，優(yōu)化效果明顯。

三、結(jié)語

汽車車橋的未來必然走向減重、節(jié)能、環(huán)保和舒適，這就需要先進的工程設(shè)計和生產(chǎn)支持以及新材料的開發(fā)。隨著運輸業(yè)的發(fā)展，對汽車的需求日益多樣化。作為汽車動力傳輸?shù)闹匾M成部分，車橋的開發(fā)也非常重要。本文根據(jù)重卡車橋的特點，運用拓撲優(yōu)化理論最大限度地進行車橋設(shè)計，提高車橋技術(shù)水平。有利于汽車行業(yè)的全面發(fā)展。

作者簡介：

郭瑞，（1985.09.04），性別男，民族漢，籍貫內(nèi)蒙古呼和浩特，職稱：工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：重卡車橋設(shè)計。