某輕卡驅動橋橋殼有限元分析

楊曉娜，馬建勛

（鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

引言

驅動橋橋殼作為整車主要的傳動和承載構件，其結構性能不僅關乎整車的可靠性與耐久性，還對汽車行進過程中的安全性產生直接影響。驅動橋在正常工作過程中，橋殼長期受到交變載荷作用，容易產生疲勞破壞[1]。為了保證行車安全，設計時須確保驅動橋殼滿足必要的剛度與強度。

本文針對輕卡驅動橋殼長時間工作后易受力變形、發生斷裂的問題，利用ABAQUS軟件對不同工況下橋殼的強度和剛度進行分析，對輕卡驅動橋殼的結構設計及優化有積極的指導意義。

1 建立橋殼有限元模型

1.1 三維模型的建立

以某型號卡車為研究對象，在CATIA 中建立驅動橋殼的三維模型，橋殼的參數如表1所示。驅動橋為非斷開式后驅動橋，應用于貨車的后驅動，與非獨立懸架有良好的匹配關系。

表1 輕卡驅動橋主要參數

1.2 有限元模型的建立

將CATIA建立的橋殼三維模型導入到Hypermesh軟件中；采用Geometry菜單中的midsurface模塊進行中面抽取，獲得可以完整表達橋殼的幾何特征[2]；選擇四邊形網格為主，三角形網格為輔的離散方式，以獲得良好的網格質量，最終得到2D網格數20563個，其中四邊形網格數19947個，三角形網格616個，用來模擬焊接單元的1D單元數目189；對已離散的網格進行連接關系的建立，以模擬實際中的焊接和螺栓連接關系。文中對橋殼采用殼單元進行焊接模擬，對幾何特征較復雜的網格部分采用1D單元Beam模擬。

驅動橋殼主體材料選用40Cr，許用應力為650MPa，在使用菜單目錄下materials中建立材料屬性，在properties 中輸入結構厚度，并將此賦予到對應的網格中。此時，驅動橋殼有限元模型建立完成[3]。

2 靜態強度分析

汽車行駛中，驅動橋受到來自路面、車架以及發動機等多處的載荷，有限元分析無法有效地對多種復合載荷進行準確的模擬，文中通過汽車運行的幾個典型工況進行簡化分析。

2.1 最大鉛垂工況

車輛滿載通過不平路面時，車輪受到來自于路面的垂直向上的沖擊載荷，通過半軸軸承傳遞到驅動橋殼上。為模擬符合實際工況下半軸套管的應力分布[4]，將邊界條件設置為：將板簧座安裝面進行六自由度約束，在半軸套管安裝軸承處的上半安裝接觸面加載垂直向上的沖擊力，沖擊力總大小為70437.5N，總共抓取的接觸面節點為176個，每個節點應加載的力為F=400.2N。

從橋殼應力云圖可看出，應力最大值出現在半軸套管與板簧支撐座焊接處，最大應力值為578.4MPa，應力集中比較嚴重，但小于材料許用應力的650MPa。建議將板簧支撐座倒角加大，減少應力集中現象，同時增大板簧支撐座與半軸套管焊接接觸面積，降低應力集中現象。

從等效應變云圖可以看出應變最大值位于橋殼中軸左側放油栓出口處。最大位移為0.81mm，每米輪距最大變形為0.81mm/1.2m=0.675，遠小于國標規定的1.5[5]，符合設計要求。

2.2 最大牽引力工況

汽車加速行駛時，受到的垂向載荷和牽引力最大，邊界條件簡化為：約束半軸套軸承處進行六自由度，在板簧支撐座處施加載荷，加載方向為車輛行駛方向的反方向，載荷大小為0.5Pmax，則切向載荷大小為F1=0.5Pmax=4921.4N，在板簧座處抓取430個節點，則每個節點所受切向載荷為Fx=F1/430=11.45N。垂向載荷為0.5G，則垂向載荷的大小為F2=0.5 Gm2=18313.75N，每個節點垂向力Fz=F2/430=42.6N。

對橋殼施加約束并完成作用力加載，可得等效應力云圖。等效應力最大值出現在板簧支撐座倒角處，最大應力為161.5MPa，小于材料的許用應力。從等效應變云圖可知，最大位移為0.156mm，位于橋殼后殼中心處。每米輪距最大變形為0.156mm/1.2m=0.13，遠小于國標規定的1.5，符合設計要求。

2.3 最大制動力工況

汽車進行最大減速度時，驅動橋殼受到的垂向載荷和切向力最大，根據實際情況，邊界條件簡化為：約束半軸套軸承處進行六自由度，在板簧支撐座處施加載荷，加載方向為車輛行駛方向的正方向，載荷大小為切向載荷大小為板簧座處抓取430個節點，則每個節點所受切向載荷為Fx=F3/430=24.9N。垂向載荷為則垂向載荷的大小為，則每個節點所受垂向力為Fz=F3/430=31.1N。

從后橋殼等效應力云圖，可知在最大制動力工況下，最大應力出現在板簧支撐座倒角處，應力最大值為136.6MPa，遠小于材料的許用應力。在后橋殼應變云圖知，最大位移為0.155mm，位于驅動橋殼上圓弧頂處。每米輪距最大變形為0.155mm/1.2m=0.13，遠小于國標規定的1.5，符合設計要求。

2.4 最大側向力工況

汽車發生向左或向右完全側滑時，驅動橋殼受到的側向力最大，忽略切向力和垂向力。因此根據實際情況，邊界條件簡化為：約束驅動橋殼板簧支撐座處和右邊X、Y、Z三個方向自由度以及X方向轉動自由度；約束左邊Y、Z方向自由度以及X方向轉動自由度。在半軸橋殼軸承安裝處施加載荷，加載方向為車輛側向，載荷大小為Y2R=Z2R=G2=28175 N，半軸套管軸承安裝處抓取88個節點，每個節點所受切向載荷為Fy=Y2R/88=320.2N。

從后橋殼最大側向力工況等效應力云圖中，可知最大應力出現在板簧支撐座倒角處，應力最大值為496.4MPa，遠小于材料的許用應力。后橋殼應變云圖中，最大位移為0.42mm，位于驅動橋殼軸承安裝處。每米輪距最大變形為0.42mm/1.2m=0.35，遠小于國標規定的1.5，符合設計要求。

3 模態分析

模態分析為受到多種外界激勵的結構件設計提供了必要的依據。驅動橋殼與發動機通過變速箱和驅動軸直接相連，汽車行駛時驅動橋殼所受到的激勵主要來自于：①路面激勵；②發動機激勵；③傳動軸轉動激勵。各激勵主要對應激勵頻率如表2所示[6]。

表2 不同激勵源對應頻率表

根據不同激勵源的頻率，確定驅動橋殼主要激勵頻率集中在50Hz以下的低頻段[7]，因此，驅動橋殼設計時盡可能地將固有頻率設計在150Hz以上，以保證驅動橋殼避開來自路面和傳動系統的激勵。驅動橋殼自由模態不同階次振動頻率及振型如表3所示。

表3 不同階次振動頻率及振型

通過模態分析，可以確定驅動橋殼前六階模態完全避過了低階激振頻率，同時各階次間的頻率分布間隔較大，可以有效地避開復合共振。

4 結論

對某型號輕卡后橋殼在不同工況下的力學性能進行了靜力分析，得到了應力與應變云圖；運用ABAQUS對驅動橋殼有限元模型進行了自由模態分析，得到了自由模態下的振動頻率，對輕卡驅動橋殼的結構設計及優化具有積極的指導意義。