汽車驅(qū)動(dòng)橋殼發(fā)展現(xiàn)狀及其研究缺陷

郭 強(qiáng) 鄭燕萍

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 南京 210037)

1 驅(qū)動(dòng)橋殼的發(fā)展現(xiàn)狀

驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車總成中的主要承載件之一[1-2]，它既是傳動(dòng)系的組成部分，也是行駛系的組成部分。 驅(qū)動(dòng)橋殼分為分段式橋殼、組合式橋殼、整體式橋殼[3]。

分段式橋殼一般分為2段，因而易于鑄造加工；但檢修及拆卸很不方便，而且橋殼的強(qiáng)度和剛度比較低，過(guò)去主要用于輕型商用汽車，目前較少采用。

組合式橋殼的鑄件尺寸較小，因此橋殼質(zhì)量較輕；但它還不具備將主減速器及差速器總成調(diào)整好后再裝入橋殼的優(yōu)勢(shì)，而是需要邊安裝邊調(diào)整。組合式橋殼對(duì)加工精度的要求較高，其整個(gè)橋殼的剛度與整體式相比較差[4]。

整體式橋殼使用較廣泛。整體式橋殼具有較高的強(qiáng)度和剛度，便于主減速器的裝配、調(diào)整和維修；但其形狀復(fù)雜，應(yīng)力計(jì)算相對(duì)較困難[5]。整體式橋殼按照成形方式又可分為鑄造橋殼、沖焊橋殼、機(jī)械脹形橋殼和內(nèi)高壓成形橋殼，各有其優(yōu)缺點(diǎn)(見(jiàn)表1)[4]。

表1 各類整體式橋殼的對(duì)比

早期的中重型車以鑄造橋殼為主。鑄造橋殼可以保證足夠的壁厚和承載能力，但缺點(diǎn)是自重較大，而且常會(huì)出現(xiàn)制造砂眼等問(wèn)題。2002年，一汽集團(tuán)開(kāi)始在中重型車中采用沖焊橋殼。與鑄造橋殼相比，沖焊橋殼具有重量輕、工藝性好、成形效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。沖焊橋殼的熱成型不僅有效降低了成形力，而且基本解決了回彈問(wèn)題，使產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提升。但一些卡車制造商已經(jīng)開(kāi)始采用抗疲勞性能更好的管坯脹形橋殼[6]。

在關(guān)于驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度和剛度考核的研究中，以往我國(guó)主要采用臺(tái)架試驗(yàn)和整車行駛試驗(yàn)的方法，或采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測(cè)方法。但這些方法都是在有橋殼樣品的情況下才能采用[7]，研究成本較高。為了節(jié)約研發(fā)成本，目前國(guó)內(nèi)很多橋殼生產(chǎn)廠家依照經(jīng)驗(yàn)來(lái)修改主要部件的參數(shù)，往往只校核一般靜態(tài)工況下的強(qiáng)度、剛度，對(duì)動(dòng)態(tài)特性的研究較少。汽車實(shí)際行駛中的工況比較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)橋需要承受各種復(fù)雜工況所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，而這些動(dòng)態(tài)載荷所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力往往比靜態(tài)應(yīng)力高出很多倍；因此，動(dòng)態(tài)荷載才是真正導(dǎo)致橋殼破壞的危險(xiǎn)因素[8]，按照經(jīng)驗(yàn)修改參數(shù)的方法存在較大局限性。隨著汽車智能化技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車的舒適性、安全性要求也不斷提高。國(guó)內(nèi)外汽車專業(yè)研究人員投入了大量的時(shí)間和精力來(lái)分析研究驅(qū)動(dòng)橋殼總成，研究新材料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、改進(jìn)工藝等，并取得了階段性的成果。研究中主要運(yùn)用了有限元法，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本[9]。

2 驅(qū)動(dòng)橋殼的研究缺陷

根據(jù)汽車設(shè)計(jì)理論，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)方法包括分析模型簡(jiǎn)化法、圖解法、實(shí)驗(yàn)法等。這些方法主要是將橋殼簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)支梁并校核典型計(jì)算工況下的特定最大應(yīng)力值，再考慮一個(gè)安全系數(shù)來(lái)確定許用的工作應(yīng)力[10]。這些方法均存在一定缺陷[11]。許多廠家在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和類比，設(shè)計(jì)出汽車驅(qū)動(dòng)橋殼，然后進(jìn)行試產(chǎn)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)橋殼臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正。這是一個(gè)反復(fù)修改和調(diào)整的過(guò)程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[12]。目前國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋殼制造工藝技術(shù)水平仍相對(duì)較低，零件材料性能、制造工藝水平不足，存在整體重量與體積較大、可靠性差、使用壽命短等缺陷，而且用于指導(dǎo)生產(chǎn)的設(shè)計(jì)理念較滯后。國(guó)內(nèi)研究設(shè)施相對(duì)落后，科研力量較弱[13]。同時(shí)隨著整車性能的不斷提高，市場(chǎng)對(duì)包括驅(qū)動(dòng)橋殼在內(nèi)的各總成要求也逐漸提高。特別是對(duì)于重型卡車而言，大噸位和復(fù)雜路況都對(duì)橋殼的性能提出了挑戰(zhàn)，其動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響整車的安全性、舒適性及平穩(wěn)性[14-15]。驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)缺陷體現(xiàn)在以下幾方面。

2．1 橋殼的CAE建模方面

為了便于進(jìn)行有限元分析，目前橋殼CAE建模時(shí)將驅(qū)動(dòng)橋殼和半軸套管視為一個(gè)整體，將沖壓部分的橋殼看做是均勻、等厚的[16]。將實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，選用具有較高剛度及計(jì)算精度的四面體單元對(duì)整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分[17]；為了提高計(jì)算速度，也可將非承載部件采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。這些均勻等厚模型以及網(wǎng)格劃分的建模方法，并沒(méi)有考慮到實(shí)際沖壓工藝過(guò)程和焊縫精度對(duì)橋殼性能的影響，因此對(duì)橋殼的分析存在局限性。

2．2 橋殼的性能分析方面

傳統(tǒng)的橋殼性能計(jì)算方法中，只能計(jì)算出某一斷面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及分布的真實(shí)情況。目前主要以CAE分析為基礎(chǔ)，結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析開(kāi)展車橋機(jī)械部分的力學(xué)分析。使用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析，只要模型簡(jiǎn)化得當(dāng)，受力約束處理合理，就能得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形分布情況，這些是傳統(tǒng)計(jì)算方法難以實(shí)現(xiàn)的[18]。鄭燕萍曾以南京車橋廠的驅(qū)動(dòng)橋殼為例，對(duì)傳統(tǒng)研究設(shè)計(jì)方法和有限元研究設(shè)計(jì)方法的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了有限元設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)便實(shí)用性[19]。但在疲勞壽命分析中，由于材料在焊接過(guò)程中受熱較強(qiáng)，材料焊縫處的分子結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而失去原有材料狀態(tài)致使材料強(qiáng)度降低[20]，因此在焊縫處易出現(xiàn)脫焊開(kāi)裂、變形、疲勞性能差等問(wèn)題[21]。關(guān)于焊接工藝對(duì)橋殼疲勞壽命的影響，在目前橋殼性能研究中并未考慮到。

2．3 橋殼的工藝設(shè)計(jì)方面

目前關(guān)于驅(qū)動(dòng)橋殼的組成及生產(chǎn)橋殼的各種工藝設(shè)計(jì)，已有大量詳細(xì)的研究；但在驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，研究者往往只是關(guān)注其中某類零部件的設(shè)計(jì)要求，未予整體考慮。在面向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電動(dòng)車橋集成設(shè)計(jì)技術(shù)研究中，針對(duì)電動(dòng)車橋總成件的自動(dòng)裝配、裝配體的有限元分析及動(dòng)力學(xué)仿真的集成設(shè)計(jì)技術(shù)的研究成果還未見(jiàn)到。另外，沖壓加工、焊接工藝、保護(hù)工藝、橋殼模具等方面的研究很多；但這些都是從單方面的工藝來(lái)進(jìn)行分析，并沒(méi)有充分考慮沖壓工藝、焊接質(zhì)量這一完整的制造工藝過(guò)程對(duì)橋殼性能的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外汽車驅(qū)動(dòng)橋殼研究取得了很大的成果，但橋殼設(shè)計(jì)方面還存在很多缺陷。無(wú)論從傳統(tǒng)研究方法的不確定性，到目前有限元方法研究的局限性，還是從CAE建模、性能分析到工藝設(shè)計(jì)方面研究等方面都存在不同程度的缺陷。若僅從單一工藝角度來(lái)進(jìn)行分析，無(wú)法滿足整體設(shè)計(jì)的精度要求。今后的研究重點(diǎn)應(yīng)該是尋求考慮復(fù)雜因素分析的設(shè)計(jì)方法，以提升橋殼制造工藝的準(zhǔn)確性。

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