何云峰，羅得榮，朱福幸

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545000；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000）

某微車驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度研究

何云峰1，羅得榮2，朱福幸2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545000；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000）

針對目前驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型中沒有考慮懸架運(yùn)動(dòng)，造成約束條件和加載位置難以確定，從而影響計(jì)算結(jié)果的問題，文章以某微車后驅(qū)車橋殼為研究對象，提出了在懸架系統(tǒng)中進(jìn)行橋殼的有限元分析，在有限元模型中引進(jìn)了板簧、襯套、減振器和吊耳，統(tǒng)一了邊界條件，克服了有限元模型中約束條件和加載位置難以確定的問題，研究結(jié)果表明，該方法更能準(zhǔn)確的反映驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力水平，為驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析提供指導(dǎo)作用。

驅(qū)動(dòng)橋殼；邊界；懸架；強(qiáng)度

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-12-03

前言

驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車上重要的傳力和承載部件，不僅支撐著整車的質(zhì)量，將載荷傳遞給輪胎，還將驅(qū)動(dòng)輪傳來的反力和力反矩經(jīng)懸架傳給車架，所以驅(qū)動(dòng)橋殼必須具備足夠的強(qiáng)度才能保證驅(qū)動(dòng)橋有效可靠的工作[1]，長期以來，驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度計(jì)算都是拿驅(qū)動(dòng)橋殼作為一個(gè)分析對象，目前驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度計(jì)算方法主要以兩種方式出現(xiàn)，一種是在輪心加載，在板簧座上作約束，另外一種是在板簧座加載，在輪心上作約束，不管是那種方式，約束條件都比較難確定，給計(jì)算的結(jié)果造成一定的誤差，主要原因是沒有考慮各部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，為了克服上述問題，在驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度計(jì)算模型中添加了板簧、襯套、減振器和吊耳，可以有效模擬驅(qū)動(dòng)橋的受力情況。

1、驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

鋼板彈簧式懸架是由鋼板彈簧、U型螺栓、驅(qū)動(dòng)橋殼、減振器，吊耳、襯套和緩沖塊組成，利用UG建立板簧式懸架的幾何模型，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，有必要對驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，去掉不必要的圓角、倒角、小孔以及工藝結(jié)構(gòu)，然后導(dǎo)入hypermesh進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分[2]，鋼板彈簧采用六面體單元離散，驅(qū)動(dòng)橋殼、夾板采用四面體單元進(jìn)行離散，為了比較準(zhǔn)確模擬驅(qū)動(dòng)橋殼的受力情況，在有限元建模中對鋼板板簧進(jìn)行如下簡化，將三片主簧合并成一片，通過共節(jié)點(diǎn)連接，鋼板彈簧中間夾緊部位與上下夾板體通過耦合連接，主簧與副簧對應(yīng)部位通過接觸對連接，由于是靜力分析，無法考慮減振器的阻力問題，在這里通過柱面副模擬減振器的運(yùn)動(dòng)，減振器兩端通過襯套分別與車身和減振器銷連接，吊耳采用梁單元模擬，吊耳兩端通過襯套分別與車身和減振器銷連接，板簧前耳與車身通過襯套連接，建立了基于懸架系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度的有限元模型，如圖1。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋有限元模型

1.2 載荷工況

車輛在行駛過程中會遇到多種極限的工況，驅(qū)動(dòng)橋必須具備足夠的強(qiáng)度才能保證車輛行駛的安全，目前對驅(qū)動(dòng)橋的載荷計(jì)算主要采用的是動(dòng)載荷系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值法來確定[3]，考慮驅(qū)動(dòng)橋在3種典型工況的受力情況，最大垂直力工況、最大切向力工況和最大側(cè)向力工況。

最大垂直工況考核汽車在滿載狀態(tài)下高速行駛在不平路面上驅(qū)動(dòng)橋殼所受的垂直彎曲應(yīng)力，橋殼除了受滿載的載荷外[4]，還受到地面的沖擊載荷，動(dòng)載荷系數(shù)為2.5。

式中：k為動(dòng)載荷系數(shù)，通常取2.5，G2為汽車滿載后軸荷

最大牽引力工況考核汽車在滿載狀態(tài)下一檔行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力情況，不考慮垂直方向的沖擊和側(cè)向力的作用，驅(qū)動(dòng)橋殼承受垂直載荷和縱向的牽引力作用。

式中：Temax發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；ig1變速器一檔傳動(dòng)比；i0主減器傳動(dòng)比；ηT傳動(dòng)效率，取1；rr驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑。由于Fx＞Fxq，所以制動(dòng)工況即為最大切向力工況。

最大制動(dòng)力工況考核汽車在滿載狀態(tài)下啟動(dòng)或緊急制動(dòng)時(shí)橋殼的應(yīng)力情況，驅(qū)動(dòng)橋殼承受垂直載荷和地面的制動(dòng)力作用

式中，m'為汽車制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，一般取0.75～0.95；φ為驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù)，一般取0.75～0.8之間。此工況取驅(qū)動(dòng)車輪與地面的摩擦系數(shù)為0.8，質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.8。

最大側(cè)向力工況考核汽車在滿載狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎橋殼處于一側(cè)受力，另一側(cè)不受力的極限狀態(tài)，此時(shí)橋殼一側(cè)不僅承受整個(gè)后軸荷全部同時(shí)還受到地面的側(cè)向力作用

式中：φ為輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)，本次計(jì)算取為1.0。

1.3 驅(qū)動(dòng)橋的強(qiáng)度分析

某微車的后軸荷為940Kg，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩85N.m，變速器一檔傳動(dòng)比3.652，主減器傳動(dòng)比5.125，傳動(dòng)效率1，驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑271mm。驅(qū)動(dòng)橋殼的主體材料采用汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板，SAPH440，材料的屈服強(qiáng)度為305MPa，與橋殼焊接的法蘭為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45號，材料的屈服強(qiáng)度為355MPa，兩材料具有相同的彈性模量E=2.06X105和泊松比0.3，由于驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元模型中引進(jìn)了懸掛系統(tǒng)，統(tǒng)一了橋殼約束的邊界條件，只對懸架與車身連接的點(diǎn)進(jìn)行約束，根據(jù)橋殼在各工況下的受力，在輪心處施加載荷。

圖2 垂直工況應(yīng)力云圖

圖3 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

驅(qū)動(dòng)橋在承受最大垂直工況，橋殼最大應(yīng)力出現(xiàn)在板簧座與橋殼焊接內(nèi)側(cè)位置，應(yīng)力值為193MPa，當(dāng)汽車處于緊急制動(dòng)工況時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋受到地面切向力作用，以板簧座為支承點(diǎn)發(fā)生剪切，在板簧座與橋殼焊接內(nèi)側(cè)位置出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，應(yīng)力值為131MPa，當(dāng)汽車處于側(cè)翻的臨界狀態(tài)下，板簧座內(nèi)側(cè)存在最大等效應(yīng)力，應(yīng)力值為165MPa，以上工況下所有最大等效應(yīng)力均小于橋殼材料的屈服強(qiáng)度305MPa，滿足橋殼的強(qiáng)度要求。

圖4 側(cè)滑工況應(yīng)力云圖

2、結(jié)論

提出了基于懸架系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度分析方法，可以有效解決傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度計(jì)算中沒有考慮懸架運(yùn)動(dòng)造成邊界和載荷較難確定的問題，同時(shí)考慮各部件的柔性，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋分析相比，分析精度更高，為驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 王望予. 汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:135-137.

[2] 張勝蘭等.基于hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:87-120.

[3] 周廣廷.基于變截面驅(qū)動(dòng)橋橋殼的靜強(qiáng)度和動(dòng)應(yīng)力分析[D].青島:青島科技大學(xué)，2010:18-32

[4] 劉為等. 汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析和優(yōu)化[J]汽車工程, 2012 (6) 523-527.

A minicar drive axle shell strength research

He Yunfeng1, Luo Derong2, Zhu Fuxing2
( 1.SAIC-GM-Wuling Automobile TDC, Guangxi Liuzhou 545000; 2.YiCheng created technology co., LTD. Guangxi Liuzhou 545000 )

Aimed drive axle shell finite element model does not consider suspension movement at the present, cause the constraints and loading position is difficult to determine, which affects the calculation results, this paper takes a minicar drive axle housing as the research object, the suspension system are proposed during drive axle finite element analysis, the leaf spring, bushing, shock absorber and lug is introduced in the finite element model, unified the boundary conditions, overcome the constraint and loading position problem in the finite element model is difficult to determine, the research results show that this method can more accurately reflect the drive axle shell stress levels, provide guidance for the analysis of the strength of the drive axle housing.

Drive axle shell; boundary; suspension; strength

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-12-03

何云峰，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.005