驅(qū)動(dòng)橋殼一體化結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)(上)

文／岳峰麗，孫小婷·沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院

陳大勇，宋鴻武，徐勇，張士宏·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心

我國(guó)于2020 年提出的“雙碳”目標(biāo)，是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施之一。其中，汽車降低碳排放對(duì)于溫室氣體減排起著關(guān)鍵的作用，同時(shí)也兼具了提高能源利用率以達(dá)到節(jié)約能源的作用。隨著我國(guó)“雙碳”政策的不斷深入實(shí)施，交通運(yùn)輸行業(yè)面臨巨大的控制能源消耗的壓力，其中輕量化仍然是汽車行業(yè)現(xiàn)在乃至將來實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)較為理想的舉措。輕量化作為汽車節(jié)能減排以及性能改善的有利措施，正受到汽車制造企業(yè)、汽車行業(yè)、政府部門越來越多地重視。目前，汽車輕量化主要有三種實(shí)現(xiàn)途徑，包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)材料、新型工藝等都可以達(dá)到最大限度降低整車質(zhì)量的目的，而不影響汽車使用過程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

作為車輛重要傳動(dòng)和承載構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)橋殼，其結(jié)構(gòu)關(guān)系到車輛的可靠性和耐久性，甚至直接影響車輛使用過程中車載人員的安全。所以，為確保車輛的可靠性、耐久性以及使用過程中的安全性，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼時(shí)不僅要充分保證其強(qiáng)度和剛度良好，還應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)因素以及輕量化的要求。即使在新能源汽車迅猛崛起的現(xiàn)階段，驅(qū)動(dòng)橋殼作為必備構(gòu)件，仍然具有不可替代的地位。在新的時(shí)代背景下，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的重量、產(chǎn)品質(zhì)量、服役性能等提出越來越高的要求。如何滿足新形勢(shì)下驅(qū)動(dòng)橋殼的輕量化、高精度、高性能的成形需求，已經(jīng)成為各個(gè)零部件供應(yīng)商及相關(guān)科研院所關(guān)注和研究的重點(diǎn)。為了對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼成形工藝的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)有更好地把握，本文針對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)橋殼成形工藝的歷史、發(fā)展和現(xiàn)狀，對(duì)近十年有關(guān)汽車驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理和歸納，主要介紹了驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)及演變、一體化橋殼設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究進(jìn)展、一體化橋殼的制造工藝、未來發(fā)展趨勢(shì)等相關(guān)內(nèi)容。

驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)

承載整車重量是汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的基本功能，并且驅(qū)動(dòng)橋殼可以保護(hù)差速器、半軸和主減速器等零件不受損傷，此外還承受著路面給予車輪的反力和反力矩，并經(jīng)懸架傳遞給車身。由于實(shí)際行駛過程中受力復(fù)雜，所以驅(qū)動(dòng)橋殼需具有良好的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命，并且為了車輛行駛的平順性，而盡可能地減小其自身重量。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)形式可分為下列三種。

分段式橋殼

分段式橋殼的結(jié)構(gòu)又分為兩段可分式和三段可分式，該橋殼結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分通過螺栓連接起來，所以易于制造加工。但使用過程中若進(jìn)行維修、拆卸及調(diào)整都極為麻煩，而且該類型橋殼的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能的表現(xiàn)情況也不盡理想，過去也只是用于輕型商用汽車，如今已很少在車輛上使用。

組合式橋殼

組合式橋殼是由幾部分殼體與鋼管鑄造成一體的，對(duì)加工過程精度要求較為嚴(yán)格，具有質(zhì)量輕、精度高等特點(diǎn)。但缺點(diǎn)也比較明顯，該類型橋殼的剛度性能較差，所以主要在微型汽車、轎車和輕型載貨汽車上使用。

由于在車輛的使用過程中存在著檢查、維修和更換不方便等情況，所以上述兩種結(jié)構(gòu)的橋殼目前已經(jīng)很少在車輛中使用，而一體化結(jié)構(gòu)橋殼即整體式橋殼得到了較為廣泛的使用。

整體式橋殼

整體式橋殼強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能較高，得益于此，主減速器等零件在車輛使用中便于拆裝和調(diào)整，因此近年來該類型橋殼被廣泛使用。與前面介紹的兩種橋殼類型相比，雖然整體式橋殼的力學(xué)性能更好，但由于本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以進(jìn)行應(yīng)力、模態(tài)求解分析過程較為復(fù)雜。近年來，越來越多的研發(fā)人員利用有限元仿真對(duì)橋殼進(jìn)行計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。西安石油大學(xué)周裕民等人在有限元分析軟件的幫助下，在典型工況下對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行相關(guān)的仿真分析，獲得了滿足強(qiáng)度、剛度條件的驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)，為企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品提供了理論基礎(chǔ)；河南工程學(xué)院郭冬青等人以公共交通車輛驅(qū)動(dòng)橋殼作為參考目標(biāo)，使用有限元軟件分析了三種典型工況下橋殼的受力與位移情況，并分別進(jìn)行了橋殼的約束、自由模態(tài)分析，得出分析結(jié)果以驗(yàn)證該車型橋殼結(jié)構(gòu)的合理性。

一體化橋殼設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究進(jìn)展

隨著有限元模擬方法的成熟發(fā)展，驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)行業(yè)也普遍應(yīng)用該方法進(jìn)行橋殼零件的靜力學(xué)、模態(tài)分析等過程。除此之外，還可以設(shè)計(jì)多種方案進(jìn)行仿真模擬，在滿足靜力要求的前提下，為橋殼零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出合理的修改措施。

橋殼斷裂失效研究

橋殼零件在實(shí)際使用時(shí)的受力情況較為復(fù)雜，不僅要承受彎矩、扭矩的作用，還有在某些工況下來自地面由車輪傳至橋殼零件的沖擊載荷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，橋殼零件的壽命與其所承受的平均應(yīng)力數(shù)值大小息息相關(guān)，且受到的沖擊載荷應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)越高，壽命就越小。所以，橋殼零件在車輛使用過程中避免不了沖擊載荷的作用，極易在所受載荷較大的區(qū)域產(chǎn)生裂紋，并在循環(huán)疲勞載荷的沖擊下逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致橋殼零件疲勞斷裂。

目前工程中應(yīng)用的疲勞分析方法有E-N 局部應(yīng)變法、LEFM 疲勞裂紋擴(kuò)展法及S-N 名義應(yīng)力法。E-N局部應(yīng)變法是將裂紋萌生壽命和擴(kuò)展壽命相加得出總壽命的一種估算方法，多用于高應(yīng)力低周疲勞壽命的預(yù)測(cè)，具有很強(qiáng)的理論性，但在實(shí)際應(yīng)用中需考慮平均應(yīng)力、零件表面的工藝及表面粗糙度等很多不確定因素的影響。LEFM 疲勞裂紋擴(kuò)展法主要適用于對(duì)于零件結(jié)構(gòu)的損傷容限，以及大型零件結(jié)構(gòu)基于線彈性斷裂力學(xué)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展的分析。而S-N 名義應(yīng)力法在分析時(shí)數(shù)據(jù)獲取容易，在工程中實(shí)施性高，相較于上述的E-N 局部應(yīng)變法，此方法適用于低應(yīng)力高周疲勞壽命預(yù)測(cè)。

合肥工業(yè)大學(xué)劉為等人運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)某輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行靜力學(xué)校核和模態(tài)分析，仿真結(jié)果顯示該橋殼具有較好的強(qiáng)度、剛度，進(jìn)而開展了橋殼的疲勞壽命分析，尋找該橋殼相對(duì)危險(xiǎn)的位置區(qū)域；吉林大學(xué)李玲玉等人運(yùn)用有限元仿真分析，得出某裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度和剛度，通過計(jì)算結(jié)果得到了該橋殼各區(qū)域的應(yīng)力、位移變化情況，明確了危險(xiǎn)區(qū)域的位置，并結(jié)合名義應(yīng)力法的疲勞損傷累計(jì)理論，使用有限元軟件進(jìn)行了橋殼壽命的估算。在橋殼設(shè)計(jì)的研發(fā)階段對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析，可以減少產(chǎn)品的研發(fā)周期和試錯(cuò)成本，同時(shí)也為后期橋殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；武漢理工大學(xué)潘運(yùn)平等人針對(duì)某款驅(qū)動(dòng)橋殼出現(xiàn)早期疲勞斷裂問題，運(yùn)用有限元分析橋殼的疲勞壽命，獲得橋殼零件的S-N曲線如圖1 所示。

圖1 S-N 曲線

鄭州科技學(xué)院楊曉娜等人根據(jù)某輕卡驅(qū)動(dòng)橋殼持續(xù)工作導(dǎo)致易變形斷裂的情況，利用有限元仿真對(duì)該驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行自由模態(tài)分析，計(jì)算出自由模態(tài)下該輕卡驅(qū)動(dòng)橋殼的振動(dòng)頻率，這也有助于指導(dǎo)后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

橋殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是采取系統(tǒng)的、目標(biāo)定向的流程與方式而非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，旨在以經(jīng)濟(jì)且滿足要求的橋殼結(jié)構(gòu)保持車輛使用過程中的良好狀態(tài)。由于管坯壁厚存在一定偏差，在液壓成形過程中，容易出現(xiàn)管坯的變形量不均衡。若要橋殼實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，則需要橋殼零件的強(qiáng)度、剛度性能良好且存在較大優(yōu)化空間，需保證在各個(gè)工況下橋殼的最大位移量小于臺(tái)架試驗(yàn)要求，受到的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于橋殼材料的屈服強(qiáng)度。

李志虎通過有限元仿真軟件對(duì)壁厚5mm 的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行分析計(jì)算，獲取驅(qū)動(dòng)橋殼所受最大應(yīng)力的區(qū)域，結(jié)合驅(qū)動(dòng)橋殼垂直剛度試驗(yàn)，采用拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖分別如圖2、圖3 所示，減輕了驅(qū)動(dòng)橋殼的質(zhì)量，同時(shí)提高了汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖2 橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前應(yīng)力云圖

圖3 橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力云圖

山東大學(xué)崔巖巖等人利用有限元分析軟件計(jì)算出該車型驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，在保證橋殼整體性能良好的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，從而減輕橋殼重量。楊靖丞等通過將最優(yōu)參數(shù)組導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件來優(yōu)化工藝參數(shù)，而之后應(yīng)用于仿真分析和試驗(yàn)的成形工藝取得良好的效果，這說明了參數(shù)組尋優(yōu)的準(zhǔn)確性、數(shù)值仿真分析的過程可行性，進(jìn)一步保證了準(zhǔn)確的優(yōu)化結(jié)果，如圖4 分別表示仿真結(jié)果與成形試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 優(yōu)化后的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

濱州學(xué)院張義壯等人根據(jù)不同工況下的有限元分析結(jié)果，提出了輕量化設(shè)計(jì)思路，圖5 表示橋殼形狀優(yōu)化仿真結(jié)果的三維模型，可以發(fā)現(xiàn)該橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)采取了局部切除的手段進(jìn)行橋殼的形狀優(yōu)化，被除掉的部分是部分結(jié)構(gòu)厚度和彈簧底座等區(qū)域。

圖5 橋殼形狀優(yōu)化分析結(jié)果