某越野車多連桿驅動后橋安裝支架結構優化

摘要：多連桿驅動后橋安裝支架是連接多連桿驅動后橋與車架的部件，其作用是確保后橋能夠正常工作并承受各種力和力矩。文章針對某越野車多連桿驅動后橋在道路耐久可靠性試驗中出現的安裝支架與驅動后橋殼焊縫開裂失效問題，利用CAE（計算機輔助工程）軟件進行分析。結果顯示，安裝支架與驅動后橋殼焊縫端頭存在應力集中現象。為解決此問題，對安裝支架的結構進行優化，以分散或消除焊縫端頭的應力集中點。通過CAE技術輔助搭建臺架復現試驗模型，對優化前后的安裝支架方案進行臺架試驗對比驗證。結果表明，結構優化后的多連桿驅動后橋安裝支架通過了道路耐久可靠性試驗。研究可為類似多連桿優化設計提供參考。

關鍵詞：多連桿驅動；CAE分析；臺架試驗；結構優化；應力集中

中圖分類號：U463.3" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）05-0119-04

0 引言

車輛行駛系統由車橋、車輪、車架和懸架四大主要部分組成。車橋的作用主要是支撐并保護主減速器、差速器和半軸等組件，確保左右驅動車輪相對位置的穩定。車輛在行駛過程中，后橋不僅需要承受來自路面和車架（或承載車身）之間的垂向、縱向、橫向力及其力矩，還需放大由傳動軸或變速器直接傳遞的轉矩，并將此轉矩分配至左右驅動車輪，同時使左右驅動車輪具有汽車行駛運動所要求的差速功能。因此，驅動后橋的性能直接關系到整車的安全性、可靠性、經濟性以及乘坐舒適性，是車輛極為重要的安全件和功能件。開裂現象是國產汽車驅動后橋常見的故障類型，有效分析并準確找到驅動后橋開裂的原因，對提高和改進驅動后橋質量具有重要意義。本文針對某越野車多連桿驅動后橋在道路耐久可靠性試驗中出現的安裝支架與驅動后橋殼的焊縫開裂失效問題，使用CAE分析軟件HyperWorks進行分析。此次研究中，CAE有限元分析技術為產品設計提供了理論依據，而臺架試驗則提供了實踐驗證，兩者相輔相成，不僅有效縮短了產品開發周期，還顯著提升了產品質量。

1 故障分析

1.1 故障情況

某越野車多連桿驅動后橋在進行道路耐久可靠性試驗時，在壞路工況累積行駛7 200 km后出現安裝支架焊縫開裂故障（見圖1）。需對該故障進行研究分析，提出改進措施。

1.2 材料化學成分及機械性能分析

依據《汽車結構用熱連軋鋼板及鋼帶》（Q/BQB 310—2014），對故障失效的驅動后橋殼（材料為QStE550TM，厚度t=7.0 mm）和安裝支架（材料為SAPH440，厚度t=3.5 mm）進行化學元素分析及機械性能拉伸試驗檢測。檢測結果表明，兩者的化學成分（見表1）及原材料的機械性能拉伸試驗檢測結果（見表2）均符合設計規定的材料標準要求。

1.3 焊縫熔深金相組織檢驗

在故障件焊縫失效處取樣，進行熔深與金相分析檢測。失效件焊縫熔深檢測結果顯示合格（見表3）。故障件R1及R2處的焊縫區金相組織檢測結果均為柱狀晶粒、鐵素體+珠光體、魏氏組織3級，相應熱影響區均顯示為鐵素體+珠光體、魏氏組織2級（見圖2、圖3）。以上檢測結果均表明焊縫焊接質量合格。

1.4 CAE分析

對原方案多連桿驅動后橋的安裝支座（見圖4）進行CAE分析［1］。在進行有限元處理分析過程中，主要采用六面體網格進行劃分。該支座系統中，上下推力桿、橫梁桿及穩定桿等懸架部件的一端通過螺栓與驅動后橋殼上各安裝支架連接，另一端與車身的相應安裝支架螺栓連接。因此，在構建有限元模型時，將上述連接點與車身的連接點設為完全固定約束，作為模型的邊界條件。加載點則設在左右后橋輪胎與地面的接觸點，加載點的載荷見表4。多連桿驅動后橋及其附屬的上下推力桿、橫拉桿、穩定桿等組件的CAE分析模型見圖5。

通過CAE分析，多連桿驅動后橋的驅動工況最大應力為370.47 MPa，制動工況最大應力為373.07 MPa。兩處工況下的最大應力點均位于安裝支架與驅動后橋殼的焊縫端頭處，并且這些應力值遠遠超過了安裝支架材料的屈服強度極限，因此CAE分析顯示該位置存在極高的失效風險。此應力點與故障件開裂位置相吻合，進一步驗證了焊縫端頭處的應力集中是造成道路耐久可靠性試驗中開裂問題的根本原因。

2 臺架故障復現試驗

2.1 臺架試驗模型建立

基于上述CAE分析揭示的驅動與制動工況下的應力集中現象，為了能快速模擬道路耐久可靠性試驗過程中多連桿驅動后橋安裝支架的開裂失效狀況，需建立相應的臺架試驗模型。

（1）設定加載力方向。車輛前進時，驅動力方向向前，多連桿驅動后橋安裝支架因此受到向后的力，相應地，安裝支架與驅動后橋殼焊縫處受到的是壓應力；而在剎車制動時，安裝支架受力方向相反，焊縫處轉為拉應力。鑒于壓應力通常不會導致焊縫開裂，臺架試驗加載力方向設定為向前（見圖6）。

（2）設定約束點。由于開裂問題集中于多連桿驅動后橋安裝支架與驅動后橋殼的焊縫處，因此加載力應直接加載在支架安裝點上，以更嚴格地評估安裝支架性能。制動工況CAE分析中的加載點雖為后橋兩端輪心，約束點為多連桿驅動后橋上的各支架連桿安裝點，但復現試驗需調整加載力直接作用于安裝支架，因此約束點設定為驅動后橋兩端的輪心位置。

（3）設定加載力大小。為了確保多連桿驅動后橋故障失效處能達到制動工況下最大應力373.07 MPa的要求，利用CAE軟件進行了多輪模擬優化。最終確定，在多連桿驅動后橋安裝支架上施加向前的力F=21 500 N時（見圖7），能在支架與橋殼焊縫端頭處產生399.93 MPa的拉應力（見圖8），該值高于制動工況下的最大應力。

2.2 臺架試驗模擬復現

通過以上分析，針對多連桿驅動后橋安裝支架焊縫失效的故障，制定了臺架復現試驗方案：加載點直接作用于支架安裝點，加載方向為整車前進方向，加載力F從0逐步增加至21 500 N，試驗頻率設定為5 Hz，固定約束點位于驅動后橋兩端的輪心處（見圖9）。按照方案進行故障復現試驗，結果為1.7萬次循環加載后，安裝支架與驅動后橋的焊縫出現開裂（見圖10），開裂位置及形狀與道路耐久可靠性試驗失效模式一致，說明該試驗方案能夠有效復現故障失效模式。

3 安裝支架結構優化與驗證

3.1 安裝支架結構優化

資料顯示，焊縫的疲勞破壞與焊接基材關系不大，因此通過改變基材的方式改善焊縫疲勞性能的可能性不大［2］。焊縫的改進通常有以下兩種策略［3］：一是通過結構優化改變焊縫的受力形式與量級大小；二是通過增加焊縫周圍基材的厚度以便降低焊縫應力。

由于道路耐久可靠性試驗中，開裂問題的原因在于驅動后橋殼與安裝支架之間焊縫較短（僅40 mm），相較于其他類似車型普遍較長的焊縫設計（70 mm以上），此短焊縫在道路耐久可靠性試驗時疲勞強度不足且易產生應力集中，最終導致開裂。為此，提出以下安裝支架結構改進方案：在保持原結構的基礎上，增加翻邊結構（見圖11），采用厚度為3.5 mm的SAPH440材料。此改進將焊縫長度由原來的40 mm延長至80 mm，同時優化了焊縫布局，由原先的單一豎直焊縫形式改為既有豎直焊縫又有水平焊縫的復合形式。在制動工況下，原結構的豎直焊縫僅受到拉應力，優化結構由于既有豎直焊縫又有水平焊縫，水平焊縫受到壓應力，豎直焊縫受到拉應力，從而提高焊縫區域的疲勞強度。

3.2 安裝支架結構優化CAE分析

優化后的安裝支架結構模型在驅動制動工況下的CAE分析結果顯示，道路耐久可靠性試驗中的故障失效區域應力顯著降低，驅動工況下應力減至222.21 MPa，比優化前降低了148.26 MPa；制動工況下應力為226.02 MPa，比優化前降低了147.05 MPa。這表明結構優化大幅改善了故障失效處的應力狀態。

3.3 安裝支架結構優化驗證

經過臺架試驗驗證，結構優化后的多連桿驅動后橋安裝支架在完成17萬次循環后，其焊縫區域未出現開裂失效現象。相較于原結構在臺架試驗中僅能承受約1.7萬次循環就開裂的情況，優化后的安裝支架壽命是優化前的10倍，具體對比數據見表5。原結構安裝支架在模擬壞路工況累計行駛7 200 km后發現問題，說明原結構的安裝支架比要求的略差。結構優化后的安裝支架在顧客端的道路耐久可靠性試驗中（包括7 200 km的壞路工況及2 000 km的越野路況）成功通過驗證，未出現焊縫失效現象，不僅證明了結構優化方案滿足使用要求，也說明了臺架試驗能快速復現道路耐久可靠性試驗出現的問題。

4 結語

本文通過CAE有限元分析技術，對某越野車型多連桿驅動后橋安裝支架焊縫問題進行了研究，確認開裂處焊縫存在應力集中是導致疲勞失效的主要原因。針對此問題，提出了相應的優化方案，并利用CAE有限元分析技術輔助構建了臺架復現試驗模型，對比方案改進前后的臺架試驗結果，快速復現了道路耐久可靠性試驗中多連桿驅動后橋安裝支架的失效模式。最終，結構優化后的多連桿驅動后橋安裝支架通過了道路耐久可靠性試驗。此次改進過程中，CAE有限元分析技術為產品結構設計和優化提供了理論依據，而臺架試驗則是快速反饋產品可靠性的有效手段，顯著縮短了開發周期，提高了產品質量，并減少了產品研發費用。

5 參考文獻

［1］李麗.汽車后橋有限元分析及疲勞壽命預測［D］.吉林：吉林大學，2008.

［2］張洪武，關振群.有限元分析與CAE技術基礎［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊［M］.北京：機械工業出版社，2008.

【作者簡介】陳衍標，男，廣西桂平人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應用；莫偉忠，男，廣西賀州人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應用；黃恒仕，男，廣西平南人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應用；黃榮國，男，廣西欽州人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應用。

【引用本文】陳衍標，莫偉忠，黃恒仕，等.某越野車多連桿驅動后橋安裝支架結構優化［J］.企業科技與發展，2024（5）：119-122.