汽車驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化設(shè)計(jì)

□ 李志虎

內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸管理局 呼和浩特 010020

1 輕量化設(shè)計(jì)背景

汽車驅(qū)動(dòng)橋由主減速器、差速器、半軸、驅(qū)動(dòng)橋殼等組成,具有增大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、改變動(dòng)力方向、實(shí)現(xiàn)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪間差速等作用。

驅(qū)動(dòng)橋殼總成是汽車承重的關(guān)鍵部件,驅(qū)動(dòng)橋殼過載,易產(chǎn)生裂紋,甚至導(dǎo)致斷裂。汽車驅(qū)動(dòng)橋殼局部斷裂如圖1所示。

圖1 汽車驅(qū)動(dòng)橋殼局部斷裂

驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證在足夠的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命下,盡量減輕車身質(zhì)量。驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單,降低加工生產(chǎn)制造難度,方便其它零部件的拆裝和調(diào)整[1]。

2 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析

中國(guó)重汽HW12單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋性能參數(shù)見表1[2],這一驅(qū)動(dòng)橋型式為中央單級(jí)減速,全浮式半軸,由鋼板沖壓焊接驅(qū)動(dòng)橋殼。車輪安裝方式為輪輞中心孔定位。利用SolidWorks軟件建立HW12驅(qū)動(dòng)橋的驅(qū)動(dòng)橋殼三維整體模型,如圖2所示。

表1 HW12單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋性能參數(shù)

圖2 驅(qū)動(dòng)橋殼三維整體模型

為減少ANSYS Workbench軟件的分析計(jì)算時(shí)間,采用中曲面建立驅(qū)動(dòng)橋殼簡(jiǎn)化模型[3],如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)橋殼簡(jiǎn)化模型

將主減速器及驅(qū)動(dòng)軸的質(zhì)量加載至驅(qū)動(dòng)橋殼的中部,將滿載軸荷以面力方式施加至彈簧板座下的驅(qū)動(dòng)橋殼部位,方向?yàn)檠豗軸負(fù)方向,大小為112 700 N。驅(qū)動(dòng)橋殼約束及加載如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)橋殼約束及加載

在滿載軸荷及2.5倍滿載軸荷的工況下,分別對(duì)5 mm、6 mm、7 mm三個(gè)不同厚度的驅(qū)動(dòng)橋殼施加載荷,見表2。

表2 驅(qū)動(dòng)橋殼載荷

通過ANSYS Workbench軟件分析5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力、變形,找出驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力集中位置。

5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)力、變形云圖分別如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知,5 mm厚度驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力為231.16 MPa,最大變形出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)橋殼中部位置,值為1.974 2 mm。

圖5 5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)力云圖

圖6 5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼變形云圖

根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋殼的垂直剛度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),得到不同厚度驅(qū)動(dòng)橋殼在滿載軸荷和2.5倍滿載軸荷下的變形量試驗(yàn)數(shù)據(jù),見表3[4-5]。

表3 驅(qū)動(dòng)橋殼變形量試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

3 驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化設(shè)計(jì)

根據(jù)QC/T 533—1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋 臺(tái)架試驗(yàn)方法》,對(duì)厚度為5 mm的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行滿載軸荷下的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì),如圖7所示。除保留部分和去除部分外,零星的臨界部分給予保留。重新加載,對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[6]。

圖7 5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼滿載軸荷下結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

輕量化后5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼在2.5倍滿載軸荷下的應(yīng)力、變形云圖分別如圖8、圖9所示。在減輕近20%質(zhì)量后,驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力增大為479.31 MPa,最大變形量為1.874 mm,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然滿足驅(qū)動(dòng)橋殼材料的屈服極限,小于735 MPa[7]。

圖8 輕量化后5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)力云圖

圖9 輕量化后5 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼變形云圖

4 驅(qū)動(dòng)橋殼垂直剛度試驗(yàn)

按照QC/T 533—1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行垂直剛度試驗(yàn),試驗(yàn)布置如圖10所示[8]。

圖10 垂直剛度試驗(yàn)布置

在2.5倍滿載軸荷下,有限元分析計(jì)算得到5 mm、6 mm、7 mm厚驅(qū)動(dòng)橋殼的最大變形量依次為3.183 8 mm、3.205 7 mm、3.302 mm。將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見表4。由表4可見,誤差在5%以內(nèi),驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性[9-10]。

表4 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)中國(guó)重汽HW12單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行建模,采用結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法,對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,結(jié)合驅(qū)動(dòng)橋殼垂直剛度試驗(yàn),在保證驅(qū)動(dòng)橋殼正常使用強(qiáng)度和剛度的前提下,減輕了驅(qū)動(dòng)橋殼的質(zhì)量,同時(shí)提高了汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[11]。