某車型橋殼結構性能分析及輕量化方案設計

朱華宇 羅俊華 潘勇才 梁程華

摘? 要：為了在不降低安全性能的基礎上完成輕量化指標，采用有限元仿真技術對某車型橋殼結構性能進行分析，包括模態分析、強度分析，并根據橋殼結構應力隨材料厚度、強度的變化規律提出該橋殼輕量化選材方案，即選材由原來的5.0 mm-SAPH440優化為4.0 mm-P590QK，此時橋殼的疲勞強度后備系數指標及剛度指標均滿足標準要求，靜強度后備系數略低于標準要求，但由于材料實物強度均高于理論計算時采用的最低值，故其靜強度后備系數能夠滿足實際要求.現場沖壓試驗及臺架性能檢測結果表明，4.0 mm-P590QK橋殼成形性及結構疲勞、剛度、強度等性能均達到了設計要求.本方案使橋殼零件減重20%，達到了輕量化指標.

關鍵詞：橋殼;輕量化;性能分析;選材;有限元仿真

中圖分類號：U463.218.5? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.014

0? ? 引言

隨著我國“藍天保衛戰”戰略的深入推進，汽車排放標準升級、油耗限值、一超四罰等政策陸續出臺，國家對汽車超重超載等問題的治理越來越嚴格.目前，汽車輕量化因其有利于提高汽車有效負載能力，節能減排，安全環保，已成為行業發展的重要趨勢.為了實現整車輕量化的總目標，各零部件均需承擔相應的減重指標.橋殼是汽車后驅設計中的主要承載構件之一，承載了主減速器、差速器的重量以及大部分減震彈簧以上的載荷，同時還保護傳動系統中的各部件，要求材料強度高、成形性好并具有優良的焊接性能[1-3].橋殼設計研究方法主要有實驗法、經驗法以及有限元仿真法等3種，由于計算機軟硬件技術的迅速發展，有限元仿真方法逐漸被大量的研究者采用.國外在 20 世紀 70年代前后，就開始將有限元法應用于汽車的驅動橋殼設計方面，如美國機械研究所及萬國汽車公司，都曾利用有限元法對橋殼結構強度進行計算分析[4].近年來國內學者在不同種類的橋殼強度校核分析方面取得了多項成果[5-11]，但目前的研究成果多是校核橋殼強度，驗證結構性能[12-13]，而對一定加載條件下橋殼結構受力與材料厚度、強度之間的變化關系則研究較少.本文對某車型橋殼結構性能進行了仿真分析，在兼顧橋殼輕量化和安全性的基礎上，根據結構性能隨材料厚度、強度的變化趨勢提出了該橋殼輕量化選材方案，并進行了沖壓生產試驗驗證.

1? ? 模型建立與受力分析

1.1? ? 有限元模型及分析計算條件

所有零件都采用殼單元離散，并盡量采用四邊形網格單元.焊點采用spot單元連接，螺栓連接采用rb2剛性連接.該橋殼有限元模型基本數據如表1所示，最終建立的有限元模型如圖1所示.

完成建模后，對橋殼結構中的材料定義基本屬性，見表2.

1.2? ? 橋殼原結構性能分析

1.2.1? ? 橋殼模態分析

模態分析的目的是了解橋殼總成結構的固有頻率及振動型式是否合理，為結構動態特性的評價提供參考.

此處分析該橋殼結構的自由模態，加載工況為無約束.鑒于對車身的振動響應影響相對較大的激勵頻率多集中在低頻域，本文只列出了剛體模態前四階頻率及振型.橋殼結構的固有頻率如表3所示.

該橋殼前四階模態振型如圖2所示.

由表3及圖2可知，該橋殼的結構振頻較高，剛性好，結構有限元模型良好，沒有明顯影響計算結果的問題.

1.2.2? ? 橋殼強度分析

材料：厚度為5.0 mm的SAPH440.

約束：左端是鉸鏈約束（可繞Z軸旋轉，約束3個位移+2個旋轉），右端是“小車+鉸鏈”（可繞Z軸旋轉及X軸伸縮，約束2個位移+2個旋轉）.

加載：以直接載荷加載的方式加載到兩端的板簧坐板上，后橋滿載軸荷1 070 kg.在橋殼結構兩端板簧位置處各施加5 350 N載荷（1 070×10÷2=5 350 N）.

約束和施加載荷情況如圖3所示.

5.0 mm-SAPH440橋殼在加載載荷下的位移云圖見圖4.

由圖4可知，橋殼在滿載載荷條件下，最大位移出現在結構中間部位，最大位移為0.438 mm.

橋殼應力分布云圖如圖5所示，最大應力集中在橋殼與板簧坐板連接部位.通過圖5可知，5.0 mm厚度橋殼此時最大應力值為71.875 MPa（焊點附近）.

1.3? ?橋殼位移及應力與材料厚度的關系

為了確定合理的輕量化方案，首先考察相同加載及邊界條件、不同材料厚度下的橋殼結構性能變化情況.依次取材料厚度為5.0 mm、4.8 mm、? ? 4.6 mm、…、3.2 mm，其他條件不變，橋殼結構最大位移及最大應力計算結果如表4所示.

根據表4中的數據繪制出該橋殼最大位移及最大應力隨材料厚度的變化趨勢圖，如圖6、圖7所示.

由圖6、圖7可知，相同邊界條件下，橋殼的最大位移、最大應力均與材料厚度基本上成反比關系，變化曲線比較光順，沒有突變點.

2? ? 橋殼結構性能評價指標及輕量化

方案設計

2.1? ?橋殼結構性能評價指標

根據《QC/T533—1999汽車驅動橋臺架試驗方法》，橋殼結構性能評價指標如下：

1）強度評價指標：

靜強度后備系數 = 抗拉強度/滿載應力[>]6.00，

疲勞強度后備系數 = 屈服強度/2.5倍滿載應力[>]1.40.

2）剛度評價指標：

輪距變形量[≤]1.500 mm/m.

由表4可知，即使材料厚度減薄為3.2 mm，當前模型條件下該橋殼的最大位移僅為0.713 mm，故該橋殼的結構剛度足夠.本文主要考察不同材料厚度下的橋殼強度指標.

根據表4中的數據，該橋殼要滿足靜強度后備系數[>]6.00、疲勞強度后備系數[>]1.40，則不同厚度材料的最小屈服強度及抗拉強度理論上應該滿足? 表5.

當前橋殼選材為5.0 mm-SAPH440，該材料屈服強度為300～350 MPa，抗拉強度為不低于440 MPa，由表5可知該材料滿足QC/T533—1999標準中規定的橋殼靜強度后備系數及疲勞強度后備系數要求.

制定橋殼輕量化方案時，材料的屈服強度、抗拉強度應該滿足表5中的要求.

2.2? ? 橋殼輕量化方案設計

為了將對現場的影響降到最低限度，本次輕量化方案設計主要集中于上下半橋殼及4塊連接板組件，如圖8所示.

根據表5中的計算結果，設計該上下半橋殼及4塊連接板組件輕量化方案（表6）.

由表6可知，所設計的輕量化方案的疲勞強度后備系數超過了標準要求（[>]1.40），而靜強度后備系數略低于標準要求（[>]6.00），但由于計算靜強度后備系數時采用的抗拉強度值是材料的最低值，而材料實物的抗拉強度一般比最低值高出20 MPa以上，故該方案的靜強度后備系數是能夠滿足實際需要的.

當橋殼厚度為4.0 mm時，其最大位移位置如圖9所示，與圖4相比最大位移位置沒有發生改變，仍然是集中在橋殼結構的中部，但最大位移為0.557 mm.

4.0 mm厚度橋殼應力分布如圖10所示，與圖5相比位置沒有發生改變，最大應力集中在橋殼與板簧坐板連接部位，但最大應力為103.851 MPa（焊點附近）.

4.0 mm厚度橋殼前四階模態振型與圖2所示基本一致，但是固有頻率數值略有下降.該橋殼結構的自由模態前四階固有頻率如表7所示.

汽車受到的激勵頻率一般為幾赫茲到幾十赫茲.由表7可知，由于頻帶范圍遠離激勵頻率，該輕量化橋殼結構不會發生共振現象.

3? ? 輕量化橋殼生產驗證

3.1? ?輕量化橋殼沖壓成形性驗證

采用本文所推薦的橋殼輕量化方案（見表6），現場采用4.0 mm-P590QK材料沖壓出了某車型驅動橋橋殼（見圖11），零件成形合格，表明P590QK材料成形性能良好.

3.2? ?輕量化橋殼臺架試驗驗證

根據QC/T533—1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》中的相關標準，在典型橋殼結構性能檢測平臺上（圖12）開展了某驅動橋P590QK材料橋殼性能檢測試驗.該橋殼的垂直彎曲疲勞性能、彎曲靜剛度、彎曲靜強度等指標的檢測結果見表8—表10.

由表8—表10可知，該橋殼結構垂直方向的彎曲疲勞性能、彎曲靜剛度、彎曲靜強度等性能指標均合格，這表明所設計的輕量化方案是合理的、可行的.

4? ? 結論

1）該橋殼選材為5.0 mm厚度SAPH440或4.0 mm厚度P590QK材料，疲勞強度后備系數指標及剛度指標均滿足標準要求，4.0 mm厚度P590QK材料靜強度后備系數略低于標準要求，但由于P590QK材料實物強度均高于理論計算時采用的最低值，故其靜強度后備系數能夠滿足實際要求.

2）生產現場沖壓成形試驗結果及臺架試驗性能檢測結果表明：選材為4.0 mm厚度P590QK，材料成形性能良好，零件成形合格，橋殼結構性能合格，已經在某車型橋殼上應用，這表明所設計的輕量化方案合理、可行.

3）該橋殼選材由5.0 mm厚度SAPH440優化為4.0 mm厚度P590QK，零件減重20%，2種材料價格差別只有7%～8%，因減重顯著、價格差異小，故本文所設計的橋殼輕量化方案具有顯著的經濟效益和社會效益.

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The structural performance analysis and lightweight design of

a model axle housing

ZHU Huayu1， LUO Junhua2， PAN Yongcai2， LIANG Chenghua*2

（1.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China; 2. School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： Aiming at completing the lightweight index without reducing the safety performance， the? ? ? finite element simulation is used to analyze the structural performance of the axle housing of a certain vehicle model， including modal analysis， stiffness， and strength analysis. Based on the law of strength changes， the plan is proposed for selecting lightweight material for the axle housing， that is， the material is optimized from the original 5.0 mm-SAPH440 to 4.0 mm-P590QK. At this time， the fatigue strength reserve factor index and stiffness index of the axle housing meet the standard requirements， and the