某雙胎輕卡驅(qū)動橋的輕量化設(shè)計和有限元分析

陳冠旭，聶采順，李永放，孫偉元

（四川建安工業(yè)有限責(zé)任公司 研發(fā)中心，四川 雅安 625100）

驅(qū)動橋作為整個車身的主要承載件，也是差速器總成、主減速器總成以及半軸總成的裝配基體，占整車10%的質(zhì)量。因此，車橋應(yīng)具有足夠的強度和剛度面對不同路面狀況傳遞的反作用力和力矩。輕量化設(shè)計不僅能夠增大汽車車橋傳動和底盤系統(tǒng)的設(shè)計空間，提高整車的承載效率，還可以降低質(zhì)量和能源的消耗。整體來看，輕量化的實施對于提高整車的燃油經(jīng)濟性和行駛順滑能力有顯著效果，還能提高對應(yīng)車型的綜合競爭能力[1]。

本文將在保證某輕卡的強度和安全性能前提下，根據(jù)產(chǎn)品的輸入?yún)?shù)，在選材和結(jié)構(gòu)上輕量化其驅(qū)動橋質(zhì)量。對整體后橋的疲勞耐久性做出分析，對橋殼結(jié)構(gòu)和材料進行優(yōu)化。

1 研究背景

某主機廠面向市場的一款雙胎輕卡汽車處于后橋設(shè)計和驗證階段，為保證產(chǎn)品的可行性和經(jīng)濟性，我司負責(zé)研發(fā)設(shè)計該車型的后橋總成。在保證橋殼試制和驗證分析階段，根據(jù)主機廠的輸入?yún)?shù)要求，將橋殼結(jié)構(gòu)和橋殼材料作為設(shè)計變量，在結(jié)構(gòu)強度和變形量為約束前提下，基于ABAQUS 對橋殼進行和分析驗證。對后橋多方案的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計去確定驅(qū)動橋的最終設(shè)計方案。

基于輸入?yún)?shù)的要求，結(jié)合公司后橋標準化開發(fā)平臺，選用整體沖焊式Φ105×6 圓管橋殼結(jié)構(gòu)，Q345B 作為橋殼材料的研究對象，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)和橋殼材料實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

2 橋殼模型分析

2.1 橋殼三維模型建立

驅(qū)動后橋橋殼的參數(shù)化模型基于 SolidWorks建立，為了驗證驅(qū)動橋殼在整車中的性能表現(xiàn)，圓管Φ105×6 后橋總成示意圖，如圖1 所示。

圖1 圓管Φ105×6 后橋3D 模型

2.2 有限元模型建立和分析

通過接入ABAQUS 分析軟件，將建立的橋殼模型導(dǎo)入，在保證分析精度和表達結(jié)果準確的情況下，精簡橋殼的非必要特征[2]：

1）忽略橋殼上不影響整體結(jié)構(gòu)的小附屬配件；

2）忽略放油孔、加強圈孔、法蘭盤連接孔等；

3）忽略橋殼各焊接組件材料特性的變化；

4）將橋殼結(jié)構(gòu)中存在的倒角和圓角精簡直角化。

該橋殼全部采用四面體網(wǎng)格劃分得到有限元模型，在重點關(guān)注的一些部件進行加密的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸和節(jié)點數(shù)如表1 所示。

表1 橋殼網(wǎng)格尺寸劃分

驅(qū)動橋殼的滿載軸荷為3 t，極限載荷為3.5 t，后輪間距為1 458 mm，板簧間距為890 mm?；贏BAQUS 分析，在要求工況下施加載荷分析模型后橋結(jié)構(gòu)的強度和剛度。輕型卡車通常在多工況下行駛，需要分析在靜應(yīng)力下最大工況的受力情況才能保證可靠性。

驅(qū)動后橋的主要受力部位在兩側(cè)支撐的板簧座，有來自垂直方向的簧上質(zhì)量帶來的沖擊載荷，以及橫向的制動力和慣性產(chǎn)生的制動扭矩。因此，在左右的鋼板彈簧座上施加均勻的載荷，轉(zhuǎn)換為作用在其上大小和方向相同的力偶[2]。在根據(jù)實際要求和最大的靜應(yīng)力分析時，限制半軸套管的兩端，約束與輪轂軸承相接面節(jié)點X、Y、Z軸方向的位移，同時約束X軸在橋殼中心處節(jié)點的轉(zhuǎn)動，放開Y、Z軸方向的轉(zhuǎn)動。驅(qū)動后橋在滿載下剛度受力，如圖2 所示，在2.5 倍載荷下強度受力力偶，如圖3 所示。

圖2 Φ105×6 后橋在滿載下剛度受力示意圖

圖3 Φ105×6 后橋在2.5 倍載荷下強度受力示意圖

由分析結(jié)果可以看出，選用Φ105×6 圓管鋼板整體沖焊式，上下半體材料采用Q345，按滿載3 000 kg 進行ABAQUS 分析，滿載剛度為1.05 N/m，2.5 倍滿載時的應(yīng)力為263 MPa，理論上橋殼的剛度和強度均滿足要求，如表2 所示。

表2 Φ105×6 后橋強度分析結(jié)果

3 輕量化設(shè)計

在設(shè)計驗證階段，考慮其工藝性和經(jīng)濟性，對橋殼的結(jié)構(gòu)和選材做了優(yōu)化分析。方管屬于異形管，與橫截面是圓管相比，非圓形橫截面的異形管有較大的慣性扭矩和截面模數(shù)。同時也可以簡化制造加工工序工藝，提高材料的利用率。性能上來說有較大的抗彎、抗扭能力，結(jié)構(gòu)上來說能夠減輕自身的重力和節(jié)省材料[3]。

因此，選取管徑更小的后橋結(jié)構(gòu)和高強度的橋殼材料更能滿足工藝和經(jīng)濟性，達到輕量化設(shè)計的目的。優(yōu)化后的新后橋采用（85×85×6）mm的方管后橋結(jié)構(gòu)，同時選取高強度材料QSTE460TM作為方管后橋的橋殼材料，方管（85×85×6）mm后橋總成示意圖，如圖4 所示。

圖4 方管（85×85×6）mm 后橋3D 模型

3.1 沖壓成型分析

新結(jié)構(gòu)選用（85×85×6）mm 方管高強度材料整體沖焊式，為了確保上下殼體的合格可靠性，避免沖壓過程中由外力對于板材的成形質(zhì)量有影響，需檢驗板材的沖壓性能。對其失穩(wěn)形式做驗證分析，對局部材料過薄失穩(wěn)導(dǎo)致的斷裂、翻孔、拉皺等變形問題做嚴格把控[4]。

基于ABAQUS 分析，在施加載荷后橋殼發(fā)生最大極限的變形，根據(jù)成形極限的指定參數(shù)標準確定穩(wěn)定形式和成形要求，（85×85×6）mm 橋殼上半體受力如圖5 所示。

圖5 方管（85×85×6）mm 上半體沖壓模型分析

選用（85×85×6）mm 方管鋼板整體沖焊式，上下半體材料采用高強度鋼QSTE460TM。分析后得出，其成型減薄率僅為2.855%，遠小于材料延伸率19%，成型良好。增厚數(shù)也小于標準的0.5。本結(jié)構(gòu)橋殼選用QSTE460TM 高強度材料滿足沖壓成型標準，滿足輕量化材料設(shè)計標準，如表3所示。

表3 方管（85×85×6）mm 上半體材料沖壓成型結(jié)果

3.2 后橋整體分析

在相同工況條件下和網(wǎng)格要求下，基于ABAQUS 對（85×85×6）mm 的方管橋總成進行強度剛度分析。在兩側(cè)的鋼板彈簧座上施加均勻的載荷，限制半軸套管的兩端，同時約束X軸在橋殼中心處節(jié)點的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)換為大小和方向相同的力偶得到滿載剛度和2.5 倍強度的受力圖，分別如圖6、圖7 所示。

圖6 （85×85×6）mm 后橋在滿載下剛度受力示意圖

圖7 （85×85×6）mm 后橋在2.5 倍載荷下強度受力示意圖

由分析結(jié)果可以看出，采用高強度鋼QSTE 460TM 的方管橋，在相同工況和橋殼網(wǎng)格劃分下，進行ABAQUS 分析。滿載剛度為1.09 N/m，2.5倍滿載時的應(yīng)力為 295 MPa，理論上橋殼的剛度和強度均滿足要求，如表4 所示。

表4 （85×85×6）mm 后橋強度分析結(jié)果

4 結(jié)論

1）基于Φ105×6 圓管Q345B 后橋，對目標優(yōu)化和建立參數(shù)化模型，進行輕量化后橋設(shè)計。輕量化的 （85×85×6）mm 方管QSTE460TM 后橋，后橋的總質(zhì)量減少5.663 kg，約減輕5.75%，輕量化的效果顯著。

2）通過ABAQUS 分析得出，輕量化的后橋在滿載時的剛度和2.5 倍載荷時的強度都滿足理論要求，證明優(yōu)化后的橋體結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度面對多工況下的載荷。

3）通過分析表明后橋設(shè)計合理，設(shè)計安全的裕度滿足要求。結(jié)合ABAQUS 有限元分析計算分析對汽車后驅(qū)動橋的輕量化改善、工藝可行性驗證和生產(chǎn)成本降本有指導(dǎo)意義。