衛(wèi) 鋒

Wei Feng

（壁虎新能源汽車科技有限公司，廣東 深圳 518000）

皮卡作為客貨兩用型汽車，近5年來銷量逐年上升，后驅(qū)動橋是其最重要零部件之一，本文對某款皮卡車型后驅(qū)動橋的選型和設(shè)計進(jìn)行計算分析。

1 后驅(qū)動橋功用[1]

后驅(qū)動橋可將發(fā)動機扭矩通過主減速器、差速器、半軸等傳動裝置傳遞到驅(qū)動輪，實現(xiàn)減速增扭；同時，后驅(qū)動橋通過主減速器圓錐齒輪副改變扭矩的傳遞方向，并通過差速器實現(xiàn)內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向時具有不同轉(zhuǎn)速。

2 驅(qū)動橋類型

國內(nèi)皮卡車型的后驅(qū)動橋主要以非斷開式結(jié)構(gòu)為主，如圖1 所示，并輔以鼓式或盤鼓式制動器的輪邊結(jié)構(gòu)。

圖1 非斷開式后驅(qū)動橋（半軸部分）

3 計算校核[2-3]

某皮卡車型的基本參數(shù)見表1。

表1 某皮卡車型基本參數(shù)

3.1 橋殼靜彎曲應(yīng)力計算

將后驅(qū)動橋視為簡支梁結(jié)構(gòu)，其受力如圖2所示。

圖2 后驅(qū)動橋簡支梁結(jié)構(gòu)的受力分析

此時橋殼在兩鋼板彈簧座之間的靜彎矩最大，計算式為

式中：M靜彎max為簡支梁結(jié)構(gòu)下后驅(qū)動橋殼的最大靜彎矩。

由于車輪質(zhì)量遠(yuǎn)小于后驅(qū)動橋質(zhì)量，且初始設(shè)計時車輪質(zhì)量無法準(zhǔn)確估計，所以式（1）中可忽略g2，將表1中數(shù)值代入式（1）計算得

危險斷面處橋殼的垂向彎曲截面系數(shù)W彎為

將表1中數(shù)值代入式（2）計算得

后驅(qū)動橋殼的靜彎曲應(yīng)力δ靜彎為

將上述計算值代入式（3）計算得

δ靜彎=4299750 Nmm/61020 mm3=70.5 N/mm2

后驅(qū)動橋殼的材質(zhì)為16ML 或09SiVL，此材料的應(yīng)力[δS]=400 N/mm2，則安全系數(shù)n為

將上述數(shù)值代入式（4）計算得

一般推薦安全系數(shù)大于4，由此判定此款后驅(qū)動橋殼的靜彎曲強度安全可靠。

3.2 不平路面下橋殼強度計算

當(dāng)汽車行駛在不平路面時，橋殼除了承受靜止?fàn)顟B(tài)下的載荷外，還承受路面沖擊載荷，此時橋殼的動應(yīng)力為

式中：δ動彎為后驅(qū)動橋殼的動彎曲應(yīng)力；K動為動載荷系數(shù)，通常載貨汽車的動載荷系數(shù)為2.5。

將數(shù)值代入式（5）計算得

δ動彎=2.5×70.5 N/mm2=176.25 N/mm2

此時，δ動彎＜[δS]=400 N/mm2,由此判定動載荷作用下橋殼強度安全可靠。

3.3 緊急制動時橋殼強度計算

皮卡滿載時緊急制動，其整車受力分析如圖3所示，其中Far、Fbr分別為緊急制動時地面對前、后輪的摩擦力；N1為地面對前輪的法向作用力，N2為地面對后輪的法向作用力；a滿為滿載時汽車緊急制動的減速度。

圖3 緊急制動整車受力分析

地面對后驅(qū)動橋左、右車輪的垂向作用力為N2L、N2R，二者大小相等，則

將式（7）代入式（6）得

由式（8）得Δ=1-根據(jù)經(jīng)驗本文Δ取值0.85。

汽車緊急制動時，后驅(qū)動橋殼的受力分析如圖4所示。

圖4 緊急制動后驅(qū)動橋殼受力分析

以后驅(qū)動橋最大載荷這一極限工況計算橋殼在兩鋼板彈簧座間的垂向彎矩Mv和水平方向彎矩Mh，則

式（9）中忽略g2，將各數(shù)值代入式（9）、（10），計算得

橋殼在兩鋼板彈簧座外側(cè)同時承受制動力矩T，即

將各數(shù)值代入式（11）計算得

由式（9）～（11）得到緊急制動時后驅(qū)動橋殼的彎曲合成扭矩M合為

即

綜上，緊急制動時后驅(qū)動橋殼的彎曲扭矩應(yīng)力δ彎為

即

橋殼設(shè)計狀態(tài)下的危險斷面處的扭轉(zhuǎn)彎曲截面系數(shù)W扭為

即

W扭=2×8 mm ×(96 mm-8 mm)2=123904 mm3

由緊急制動引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力δ扭為

即

則在后驅(qū)動橋殼危險斷面處彎曲和扭轉(zhuǎn)的合成應(yīng)力為

即

計算結(jié)果表明，δ合＜ [δS]=400 N/mm2，由此判定緊急制動工況下后驅(qū)動橋殼強度安全可靠。

3.4 最大牽引力下橋殼強度計算

當(dāng)汽車以最大牽引力行駛時，其受力分析如圖5所示。

圖5 最大牽引力下整車受力分析

圖5中最大牽引力Fmax的計算式為

將各數(shù)值代入式（17）計算得

皮卡滿載時以最大牽引力行駛，后驅(qū)動橋殼的受力分析如圖6所示。

圖6 以最大牽引力行駛后驅(qū)動橋殼受力分析

后驅(qū)動橋殼在兩鋼板彈簧座間的垂向彎矩Mv′和水平方向彎矩Mh′分別為

式中：Δ′為以最大牽引力行駛時質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)；g2可忽略不計。

即

則

橋殼在兩鋼板彈簧座外側(cè)同時承受發(fā)動機輸出最大扭矩T′，即

則

由式（18）、（19）、（21）得到以最大牽引力行駛時后驅(qū)動橋殼的合成彎曲扭矩M合′為

即

綜上，以最大牽引力行駛時后驅(qū)動橋殼的彎曲扭矩應(yīng)力δ彎′為

即

橋殼設(shè)計狀態(tài)下的危險斷面處的扭轉(zhuǎn)彎曲截面系數(shù)W扭與式（14）一致，因此最大牽引力引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力δ扭′為

即

則后驅(qū)動橋殼在危險斷面處彎曲和扭轉(zhuǎn)的合成應(yīng)力為

即

計算結(jié)果表明，δ合′＜[δS]=400 N/mm2，由此判定汽車以最大牽引力行駛時后驅(qū)動橋殼的強度安全可靠。

3.5 后驅(qū)動橋半軸強度計算

此款皮卡車型的后驅(qū)動橋半軸為全浮式半軸，只承受扭矩，扭矩計算式為

即

M半軸扭=0.6 × 261Nm × 5.594 × 5.875=5147 Nm

當(dāng)發(fā)動機輸出最大扭矩時，半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ為

即

材料應(yīng)力[τS]取值為490～588 N/mm2，τ＜[τS]，由此判定后驅(qū)動橋半軸的扭轉(zhuǎn)強度安全可靠。

4 仿真分析

后驅(qū)動橋殼的材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

將表2 中各參數(shù)值輸入仿真軟件，軸管、橋殼、橋殼蓋、橋殼加強板均采用殼單元進(jìn)行模擬，焊縫處采用RBE2剛性單元進(jìn)行模擬，軸管法蘭盤及板簧座采用3D單元進(jìn)行模擬。后驅(qū)動橋殼的模擬加載力如圖7所示，其中，左右板簧座進(jìn)行全自由度約束，在左、右輪心處各施加22 500 N載荷，方向垂直板簧座平面，并施加扭矩1 200 Nm，方向垂直鼓式制動器安裝平面；后橋質(zhì)心處施加3倍重力場，質(zhì)心位置質(zhì)量為120 kg。

圖7 模擬后驅(qū)動橋殼的施力點

后驅(qū)動橋的仿真分析結(jié)果如圖8～12所示。

圖8 為仿真模擬加載力的后驅(qū)動橋的整體位移分布，最大位移值為0.697 5 mm，小于設(shè)計要求（1.5 mm），滿足設(shè)計強度要求。

圖9 為仿真模擬加載力的后驅(qū)動橋的整體應(yīng)力分布，最大應(yīng)力位于板簧座附近，最大應(yīng)力值為226 MPa，低于材料最小屈服強度（295 MPa），滿足設(shè)計強度要求。

圖9 后驅(qū)動橋整體應(yīng)力分布

圖10、11為仿真模擬加載力的后驅(qū)動橋橋殼上下片、橋殼蓋和加強環(huán)的應(yīng)力分布，其中最大應(yīng)力值為112.2 MPa，低于材料屈服強度（295MPa），滿足設(shè)計強度要求。

圖10 后驅(qū)動橋橋殼上下片應(yīng)力分布

圖11 橋殼蓋、加強環(huán)應(yīng)力分布

圖12為仿真模擬加載力后驅(qū)動橋法蘭盤的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力值為327.3 MPa，微高于材料屈服強度（315 MPa），將法蘭材料調(diào)整為40#鋼，其屈服強度為335 MPa，使材料滿足設(shè)計要求。

圖12 后橋法蘭盤應(yīng)力分布

5 耐久測試

5.1 橋殼測試

對后驅(qū)動橋殼進(jìn)行垂直彎曲疲勞臺架測試，共選取了3 個試驗樣件，其中2 個樣件進(jìn)行了8×105次疲勞測試后未出現(xiàn)裂紋，1 個樣件進(jìn)行了1.07×106次測試后出現(xiàn)橋管破壞現(xiàn)象，疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)要求大于等于8×105次測試，橋殼滿足要求。

在橋殼垂直彎曲剛性測試中，滿載軸荷時每米輪距橋殼垂直彎曲變形量為0.95 mm，未超過標(biāo)準(zhǔn)要求（1.5 mm）。

5.2 總成測試

對橋殼總成按照疲勞設(shè)計要求進(jìn)行臺架測試，測試進(jìn)行53.7 萬次時出現(xiàn)主齒斷裂失效，標(biāo)準(zhǔn)要求最低疲勞壽命為30萬次，總成滿足要求。

5.3 整車測試

進(jìn)行上述臺架測試后，將此后驅(qū)動橋裝車進(jìn)行整車可靠耐久測試，試驗過程中未出現(xiàn)橋殼開裂失效和漏油等問題。

6 結(jié)束語

本文針對非斷開式后驅(qū)動橋進(jìn)行強度計算校核，通過CAE仿真模擬，初步驗證設(shè)計滿足要求，為后期臺架測試和整車可靠性測試提供數(shù)據(jù)參考。