基于有限元的某輪邊電機驅動橋結構優(yōu)化設計

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驅動橋結構優(yōu)化設計

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，輪邊電機驅動橋以其優(yōu)越的性能逐漸成為商用車車橋首選產品。文章對國內某輪邊電機驅動橋在設計工況下的可靠性進行有限元分析，并對該驅動橋進行結構優(yōu)化。采用有限元分析方法，以降低結構應力、提高橋總成安全系數(shù)為目標，對該驅動橋進行結構優(yōu)化設計。經過多輪優(yōu)化后，橋總成結構應力明顯下降，且滿足橋總成安全系數(shù)要求。

輪邊電機驅動橋；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。輪邊電機驅動橋具有總量輕、成本低、整車布置方便等優(yōu)點，逐漸成為商用車車橋首選產品，所以，對輪邊電機驅動橋的可靠性分析很有必要。

目前，對于車橋結構強度可靠性分析主要通過試驗的方法進行驗證，而通過有限元分析對車橋結構強度分析的方法并不多見。王旭[1]等建立了某型商用車結構有限元模型，以管材厚度為設計變量，以扭轉剛度為約束函數(shù)，以降低整車重量為目標函數(shù)，進行優(yōu)化設計。丁煒琦[2]等度某商用車結構進行優(yōu)化設計，降低了結構最大應力，并減輕了重量。本文通過建立某輪邊電機驅動橋結構有限元模型，采用非線性有限元方法，得到該結構在設計工況下的應力分布。以改善結構受力，提高結構安全系數(shù)為目標，對該橋總成進行結構優(yōu)化設計。

1、輪邊電機驅動橋簡介

電驅動車橋分為中央電機驅動和輪邊電機驅動兩種形式，中央電機驅動形式，其橋產品與傳統(tǒng)動力形式相同，只是用電動機取代了發(fā)動機、離合器、變速箱和傳動軸。輪邊電機驅動是在取消了傳統(tǒng)橋產品中的中央減速器，取而代之的是兩個位于輪端的電動機和減速器。將兩臺電機、減速機構、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彎的功能。輪邊減速電驅動橋與傳統(tǒng)的方案相比具有重量輕、成本低、整車布置方便等優(yōu)點。該輪邊電動驅動橋結構示意圖如圖1。

圖1 某輪邊電機驅動橋結構示意圖

2、有限元模型

有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬,其用簡單的問題代替復雜問題后再求解。目前，有限元方法已經成為科學研究、工程設計、產品優(yōu)化不可缺少的重要工具。

該橋總成結構為實體結構，采用10結點四面體單元劃分。橋總成中箱體、C型梁、橋殼中段材料屈服強度均為310MPa。

在有限元軟件中對橋總成進行網格劃分，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所示橋總成結構有限元模型，其中包括2998923個單元。

圖2 橋殼總成結構有限元模型

3、有限元分析

分析時考慮重載、制動、驅動三種設計工況，各工況施加載荷的計算參見文獻[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，進行線性靜力學計算，得到各設計工況下的應力云圖如下所示。

圖3 重載工況應力云圖

圖4 制動工況應力云圖

圖5 驅動工況應力云圖

表1給出了各設計工況下結構的最大應力值。

表1 優(yōu)化前結構最大應力

4、結構優(yōu)化

由各設計工況的最大應力可知，箱體和C型梁的安全系數(shù)均大于1.0，根據箱體和C型梁實際使用的可靠性，一般要求其安全系數(shù)大于1.5，所以需對現(xiàn)有結構進行優(yōu)化設計。

4.1 優(yōu)化數(shù)學模型

根據設計要求，以不增加質量為約束條件，降低結構受力、提高結構可靠性為目標函數(shù)，可將優(yōu)化方法轉化為數(shù)學模型如式1所示。

4.2 優(yōu)化前后對比

結合箱體和C型梁應力云圖進行多輪結構優(yōu)化。將優(yōu)化后的結構進行有限元建模，并分析前述設計工況下的可靠性，與優(yōu)化前結構對比如表2。

表2 優(yōu)化前后強度對比

綜上所述，優(yōu)化后，箱體重量無變化，C型梁重量增加3%，各設計工況下的結構最大應力小于屈服強度，且安全系數(shù)大于1.5，滿足強度要求。可以說，經過對箱體和C型梁優(yōu)化后，有效的提高了該輪邊電機驅動橋總成的可靠性。

5、結論

基于有限元方法，對某輪邊電機驅動橋進行結構優(yōu)化。優(yōu)化后，有效降低了各個工況下的應力值，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.大客車結構有限元分析及輕量化設計[J].汽車技術,2007 （2）：28-30.

[2] 丁煒琦，等.基于應力優(yōu)化的大客車結構多目標優(yōu)化[J].汽車技術, 2010（4）：4-7.

[3] 竺延年.最新車橋設計、制造、質量檢測及國內外標準實用手冊.北京：中國知識出版社,2005.

[4] 劉維信.汽車車橋設計.北京：清華大學出版社,2004.1.

[5] 賴姆佩爾.懸架元件及底盤力學.吉林：吉林科學技術出版社, 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。