何維聰，丁煒琦，蘇武，張龍，鄭小艷，儲峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

基于有限元的某輪邊電機(jī)驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

何維聰，丁煒琦，蘇武，張龍，鄭小艷，儲峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

隨著新能源汽車市場快速的發(fā)展，輪邊電機(jī)驅(qū)動橋以其優(yōu)越的性能逐漸成為商用車車橋首選產(chǎn)品。文章對國內(nèi)某輪邊電機(jī)驅(qū)動橋在設(shè)計(jì)工況下的可靠性進(jìn)行有限元分析，并對該驅(qū)動橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。采用有限元分析方法，以降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力、提高橋總成安全系數(shù)為目標(biāo)，對該驅(qū)動橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過多輪優(yōu)化后，橋總成結(jié)構(gòu)應(yīng)力明顯下降，且滿足橋總成安全系數(shù)要求。

輪邊電機(jī)驅(qū)動橋；可靠性；有限元分析；安全系數(shù)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-23-03

前言

隨著地球環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重、世界石油資源的日漸枯竭，新能源汽車的市場地位顯得尤為重要。輪邊電機(jī)驅(qū)動橋具有總量輕、成本低、整車布置方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為商用車車橋首選產(chǎn)品，所以，對輪邊電機(jī)驅(qū)動橋的可靠性分析很有必要。

目前，對于車橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性分析主要通過試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，而通過有限元分析對車橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的方法并不多見。王旭[1]等建立了某型商用車結(jié)構(gòu)有限元模型，以管材厚度為設(shè)計(jì)變量，以扭轉(zhuǎn)剛度為約束函數(shù)，以降低整車重量為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。丁煒琦[2]等度某商用車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力，并減輕了重量。本文通過建立某輪邊電機(jī)驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)有限元模型，采用非線性有限元方法，得到該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力分布。以改善結(jié)構(gòu)受力，提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為目標(biāo)，對該橋總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、輪邊電機(jī)驅(qū)動橋簡介

電驅(qū)動車橋分為中央電機(jī)驅(qū)動和輪邊電機(jī)驅(qū)動兩種形式，中央電機(jī)驅(qū)動形式，其橋產(chǎn)品與傳統(tǒng)動力形式相同，只是用電動機(jī)取代了發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱和傳動軸。輪邊電機(jī)驅(qū)動是在取消了傳統(tǒng)橋產(chǎn)品中的中央減速器，取而代之的是兩個位于輪端的電動機(jī)和減速器。將兩臺電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、車橋集成為一個總成。無傳統(tǒng)的差速器、采用電控差速滿足汽車轉(zhuǎn)彎的功能。輪邊減速電驅(qū)動橋與傳統(tǒng)的方案相比具有重量輕、成本低、整車布置方便等優(yōu)點(diǎn)。該輪邊電動驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 某輪邊電機(jī)驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)示意圖

2、有限元模型

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬,其用簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。目前，有限元方法已經(jīng)成為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品優(yōu)化不可缺少的重要工具。

該橋總成結(jié)構(gòu)為實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用10結(jié)點(diǎn)四面體單元劃分。橋總成中箱體、C型梁、橋殼中段材料屈服強(qiáng)度均為310MPa。

在有限元軟件中對橋總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，C型梁與橋殼中段、箱蓋與橋殼中段均通過螺栓連接，得如圖2所示橋總成結(jié)構(gòu)有限元模型，其中包括2998923個單元。

圖2 橋殼總成結(jié)構(gòu)有限元模型

3、有限元分析

分析時考慮重載、制動、驅(qū)動三種設(shè)計(jì)工況，各工況施加載荷的計(jì)算參見文獻(xiàn)[3]、[4]、[5]。

模型中采用RBE2與RBE3單元，在C型梁氣囊安裝處約束，在軸頭車輪中心、制動盤安裝處施加載荷。

提交有限元求解器，進(jìn)行線性靜力學(xué)計(jì)算，得到各設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力云圖如下所示。

圖3 重載工況應(yīng)力云圖

圖4 制動工況應(yīng)力云圖

圖5 驅(qū)動工況應(yīng)力云圖

表1給出了各設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值。

表1 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由各設(shè)計(jì)工況的最大應(yīng)力可知，箱體和C型梁的安全系數(shù)均大于1.0，根據(jù)箱體和C型梁實(shí)際使用的可靠性，一般要求其安全系數(shù)大于1.5，所以需對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以不增加質(zhì)量為約束條件，降低結(jié)構(gòu)受力、提高結(jié)構(gòu)可靠性為目標(biāo)函數(shù)，可將優(yōu)化方法轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型如式1所示。

4.2 優(yōu)化前后對比

結(jié)合箱體和C型梁應(yīng)力云圖進(jìn)行多輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，并分析前述設(shè)計(jì)工況下的可靠性，與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)對比如表2。

表2 優(yōu)化前后強(qiáng)度對比

綜上所述，優(yōu)化后，箱體重量無變化，C型梁重量增加3%，各設(shè)計(jì)工況下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，且安全系數(shù)大于1.5，滿足強(qiáng)度要求?？梢哉f，經(jīng)過對箱體和C型梁優(yōu)化后，有效的提高了該輪邊電機(jī)驅(qū)動橋總成的可靠性。

5、結(jié)論

基于有限元方法，對某輪邊電機(jī)驅(qū)動橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后，有效降低了各個工況下的應(yīng)力值，且安全系數(shù)均不小于1.5，保證了該橋總成的可靠性。

[1] 王旭,等.大客車結(jié)構(gòu)有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),2007 （2）：28-30.

[2] 丁煒琦，等.基于應(yīng)力優(yōu)化的大客車結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化[J].汽車技術(shù), 2010（4）：4-7.

[3] 竺延年.最新車橋設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量檢測及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊.北京：中國知識出版社,2005.

[4] 劉維信.汽車車橋設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社,2004.1.

[5] 賴姆佩爾.懸架元件及底盤力學(xué).吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社, 1991.

Structural Opt imization Design of An Electric Drive Axle Based on Finite Element Method

He Weicong, Ding Weiqi, Su Wu, Zhang Long, Zheng Xiaoyan, Chu Feng
( Shaanxi Hande Axle Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

With the development of new energy automobile, electric drive axle became the best product of commercial vehicle by high performance. Finite element analysis was performed on the reliability under design conditions of an electric drive axle, and structural optimization was performed. Using finite element analysis method, optimization design was performed, reducing the structural stress and improving safety coefficient of the axle were taken as the objective function. After several rounds of optimization, the structure stress of axle assembly was decreased, and the safety factor met the axle strength requirement.

Electric Drive Axle; Reliability; Finite element analysis; Safety Factor

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.009

何維聰，就職于陜西漢德車橋有限公司。

蘇武，就職于陜西漢德車橋有限公司。