驅(qū)動(dòng)橋橋殼的疲勞壽命分析

李妮妮，袁文強(qiáng)，吳袁生，王秋敏

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

按照靜強(qiáng)度和剛度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的零件，在小于其強(qiáng)度的載荷往復(fù)作用下也會(huì)突然地?cái)嗔?。?9世紀(jì)中期開始，人們才逐漸認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象，發(fā)展至今，對(duì)其機(jī)制也并未完全掌握。大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件都在循環(huán)載荷下工作，往復(fù)循環(huán)的載荷會(huì)使?jié)M足剛度強(qiáng)度的零件逐漸產(chǎn)生裂紋直至突然斷裂，即為機(jī)械疲勞現(xiàn)象。機(jī)械疲勞是機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件的主要破壞形式，據(jù)統(tǒng)計(jì)有50%～90%的機(jī)械失效都源于疲勞破壞[1]。疲勞壽命分析就是通過分析機(jī)械構(gòu)件在其工作周期內(nèi)的載荷、應(yīng)力、結(jié)構(gòu)、材料特性和擴(kuò)展機(jī)制等來確定設(shè)計(jì)中存在的問題并估算產(chǎn)品工作壽命的過程。

對(duì)零件的疲勞壽命研究主要有兩種方法：一種方法是疲勞耐久臺(tái)架試驗(yàn)，模擬使用工況對(duì)零件樣品施加載荷，統(tǒng)計(jì)零件的疲勞壽命、破壞形式和破壞位置等信息；另一種是計(jì)算分析的方法，采用有限元軟件，結(jié)合零件的載荷、材料特性、結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量等因素，分析零件的疲勞壽命和失效位置。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確但是耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。相比而言仿真分析則簡(jiǎn)單許多，但是由于零件疲勞涉及的影響因素眾多，仿真分析往往很難合理設(shè)置各個(gè)影響因素的大小，一旦將各個(gè)影響因素設(shè)置正確后，仿真分析可以很方便地得出分析結(jié)果，進(jìn)而對(duì)零件做出優(yōu)化，進(jìn)行部分結(jié)構(gòu)改進(jìn)后依然能采用仿真結(jié)果。

本文作者針對(duì)某型號(hào)車橋，依照標(biāo)準(zhǔn)QC/T 533-1999中介紹的搭建疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，并用于該車橋的疲勞試驗(yàn)。然后采用ABAQUS和FE-SAFE軟件根據(jù)實(shí)際情況對(duì)車橋進(jìn)行有限元分析。目的是獲得相互印證的試驗(yàn)結(jié)論，并獲得可靠的有限元分析中的設(shè)置參數(shù)。

1 橋殼疲勞耐久臺(tái)架試驗(yàn)

汽車的驅(qū)動(dòng)橋位于傳動(dòng)系的末端，其作用首先是增扭、降速、改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向，即增大由傳動(dòng)軸或直接從變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩合理地分配給左右驅(qū)動(dòng)車輪；其次，驅(qū)動(dòng)橋還要承受作用于路面或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力，以及制動(dòng)力矩和反作用力矩[2]。

標(biāo)準(zhǔn)QC/T 533-1999和QC/T 534-1999給出了檢測(cè)橋殼疲勞壽命的方法概述，該標(biāo)準(zhǔn)主要考慮的是路面和車身之間的垂向力。文中依據(jù)這兩份標(biāo)準(zhǔn)的介紹，采用電液伺服系統(tǒng)搭建了一套車橋殼疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)所要求的載荷方向和約束條件，同時(shí)能保證運(yùn)動(dòng)不發(fā)生干涉，不使車橋殼受到額外的力或者力矩。該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行橋殼的疲勞試驗(yàn)，還能夠進(jìn)行彎曲剛性、垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)。

該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，主要包括液壓油缸、力傳感器、龍門架和其他工裝部分，除此之外還有液壓泵、控制器等。

圖2 車橋殼疲勞耐久試驗(yàn)示意

試驗(yàn)前，將車橋安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上。油缸作為施力部件，提供試驗(yàn)所需的力，并由力傳感器反饋力的大小，由控制器直觀顯示和控制力值。油缸的兩端各有一個(gè)球鉸，其作用是確保油缸只受軸向力，從而對(duì)油缸起保護(hù)作用。

為了保證車橋在垂直作用載荷下，發(fā)生受力變形時(shí)不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，不產(chǎn)生額外的力和力矩。所以光軸和車橋的彈簧安裝座之間需要有個(gè)消除干涉的加載模塊，如圖3所示，左右兩個(gè)加載模塊略有不同，它們均由三部分組成，包括加載模塊上部分、圓柱、加載模塊下部分。差別是下模塊，其中一個(gè)下模塊有凹槽，凹槽與圓柱相配合，另一個(gè)下模塊沒有凹槽。

圖3 車橋殼疲勞耐久試驗(yàn)加載模塊

光軸將油缸的力傳遞至加載模塊，直線軸承和直線軸承支架對(duì)光軸起導(dǎo)向的作用，保證光軸始終在豎直方向移動(dòng)。

軸端夾具與車橋兩端連接，滾輪安裝在其底部，并且滾輪的位置可以調(diào)節(jié)，即左右兩個(gè)滾輪之間的距離可以調(diào)節(jié)。因?yàn)樽笥覂蓚€(gè)滾輪之間的距離必須和汽車的輪距相等。因此該裝置可以適用于不同型號(hào)的車橋試驗(yàn)。

針對(duì)某型號(hào)的車橋，其輪距為1 600 mm，滿載軸荷為1 871 kg。裝配完成后，按照滿軸載荷的2.5倍同相位對(duì)左右兩個(gè)彈簧座施加載荷，載荷波形為正弦，頻率5 Hz，如圖4所示。試驗(yàn)過程中可以通過力傳感器和油缸內(nèi)部的位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控加載過程的載荷以及車橋的變形情況。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至130萬次時(shí)，車橋發(fā)生斷裂，斷裂圖如圖5所示。

圖4 車橋殼疲勞耐久試驗(yàn)載荷

圖5 車橋殼疲勞破裂

2 車橋的疲勞壽命有限元分析

采用有限元方法分析零件的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)零件的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是一種行之有效的設(shè)計(jì)方法。隨著分析理論和工程軟件發(fā)展得越來越成熟，分析結(jié)果越來越精確。FE-SAFE軟件具有算法先進(jìn)、功能全的優(yōu)點(diǎn)，是世界公認(rèn)精度最高的疲勞壽命分析軟件之一[3]，使用FE-SAFE對(duì)橋殼進(jìn)行疲勞壽命分析，可直接讀取ABAQUS的ODB文件。

文中針對(duì)某型號(hào)的車橋殼，采用SolidWorks、ABAQUS和FE-SAFE軟件相結(jié)合的方法分析該車橋殼體在規(guī)定載荷下的疲勞壽命。

首先利用SolidWorks建立車橋的三維模型，再將模型導(dǎo)入ABAQUS中，設(shè)置材料屬性、裝配部件、設(shè)置分析步、設(shè)置耦合、劃分網(wǎng)格、添加邊界條件，然后進(jìn)行靜力分析。最后將ABAQUS分析得到的ODB文件導(dǎo)入FE-SAFE中，設(shè)置材料屬性、載荷、表面質(zhì)量、算法，求解得到最先破壞點(diǎn)的壽命和發(fā)生破壞的單元。

為了能反映實(shí)車情況，并且可以和疲勞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，車橋殼的約束和載荷情況與實(shí)車、疲勞試驗(yàn)時(shí)保持一致。在初始分析步中約束車橋左端面中點(diǎn)的5個(gè)自由度，只留下繞車輛前進(jìn)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同時(shí)約束車橋右端面中點(diǎn)的豎直方向的位移。按照標(biāo)準(zhǔn)QC/T 533-1999的要求，在彈簧安裝面上施加2.5倍的滿載軸荷，滿載軸荷1 871 kg。在FE-SAFE中，設(shè)置載荷為正弦波，峰值為2.5倍的滿載軸荷，谷值為零。

在ABAQUS中劃分網(wǎng)格時(shí)，因?yàn)檐嚇蛐螤畈灰?guī)則，采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，并選擇十節(jié)點(diǎn)二次四面體C3D10單元，采用該單元可以得到較高精度的分析結(jié)果，但是相比六面體單元需要消耗更多的計(jì)算時(shí)間。

在ODB文件中導(dǎo)入FE-SAFE時(shí)，只導(dǎo)入最后一個(gè)分析步中的應(yīng)力，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的單位。

材料的彈性模量為210×109Pa，泊松比設(shè)置為0.3, 在FE-SAFE中設(shè)置材料的極限抗拉強(qiáng)度為540 MPa，表面粗糙度Ra設(shè)置為40～75 μm。

ABAQUS計(jì)算結(jié)果如圖6所示，應(yīng)力最大處主要在橋殼管的下部分、彈簧安裝座與車橋殼連接處。

圖6 ABAQUS靜力分析應(yīng)力結(jié)果

FE-SAFE的計(jì)算結(jié)果顯示車橋可以經(jīng)歷150萬次的循環(huán)載荷(見圖7)。該分析結(jié)果和疲勞試驗(yàn)結(jié)果相一致，由此可見該分析方法較為合理。

圖7 FE-SAFE疲勞分析計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

針對(duì)模型號(hào)的車橋，分別進(jìn)行耐久試驗(yàn)和有限元仿真分析。得到的試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。兩種方法均可以發(fā)現(xiàn)車橋殼的疲勞性能薄弱點(diǎn)，兩種方法獲得的橋殼疲勞壽命也很接近。

因?yàn)檐嚇虻钠趬勖绊懸蛩乇姸?，除了材料特性、載荷大小和表面粗糙度，還和表面殘余應(yīng)力、焊接質(zhì)量以及鑄造質(zhì)量等因素有關(guān)[4]，因此臺(tái)架試驗(yàn)是零件疲勞性能的最直接反映。即使同一批次的零件，其疲勞壽命也會(huì)呈現(xiàn)較大的差異。但是進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的成本高、周期長(zhǎng)。采用有限元分析的方法能很好地為車橋開發(fā)過程提供參考信息，并且節(jié)約成本和時(shí)間，在各參數(shù)設(shè)置適當(dāng)?shù)那闆r下，其結(jié)果能很好地與實(shí)際情況相吻合。針對(duì)一款車橋建立仿真分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)后，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)可以不需要重復(fù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)而通過有限元分析的方法分析改進(jìn)效果。合理運(yùn)用兩種方法可以提高車橋殼體的開發(fā)速度，節(jié)約開發(fā)成本。