某重型卡車驅(qū)動橋主減速器殼體逆向設(shè)計與輕量化研究

孫 瑩， 邱 陽

（1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系， 內(nèi)蒙古 包頭 014030； 2.包頭北奔重汽橋箱有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

逆向設(shè)計是在沒有設(shè)計圖樣或設(shè)計圖樣不全、不完整以及沒有CAD 模型的情況下，通過數(shù)字化設(shè)備（如坐標(biāo)測量機(jī)、激光測量設(shè)備等）獲取物體表面的空間數(shù)據(jù)，利用逆向軟件重建產(chǎn)品的三維模型，然后再對原型進(jìn)行復(fù)制或在原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化與創(chuàng)新。 逆向設(shè)計作為一種新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，在汽車設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)快速消化和吸收先進(jìn)技術(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高研發(fā)成功率，是提升汽車研發(fā)水平的重要途徑。

在汽車領(lǐng)域，目前面臨的三大問題就是節(jié)能、環(huán)保和安全，隨著GB/T1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》標(biāo)準(zhǔn)的修訂發(fā)布，對各類車型的最大總質(zhì)量進(jìn)行了限制， 使得輕量化成為該行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)，同時也是節(jié)能、環(huán)保的重要方法和途徑。 根據(jù)某科研機(jī)構(gòu)的成果表明，如果汽車的整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，汽車的整備質(zhì)量每減少100kg，則百公里油耗可以降低0.3～0.6L；在駕駛操控性上，汽車輕量化以后，整車的加速性能會提高、剎車距離會縮短、車輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)、 操控穩(wěn)定性及安全性都會得到不同程度的提高；此外，從環(huán)保的角度來說，汽車的總質(zhì)量每減少100kg，二氧化碳排放量可減少5g/km[1]。

目前，汽車上的金屬材料約占整車自重的60%～80%，底盤類零件占到約20%～26%， 其中驅(qū)動橋是重要的組成，所占的比重很大。 驅(qū)動橋作為車身的主要承載件，直接決定著車輛的承載安全性和可靠性， 故在設(shè)計時橋殼的強(qiáng)度和剛度上往往會留出很大的裕度， 存在重量冗余問題。 因此驅(qū)動橋輕量化設(shè)計一直是行業(yè)內(nèi)的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

牛湛滔[1]以某輕型載貨車驅(qū)動橋為實(shí)例，通過材料改進(jìn)，采用整體式鑄造實(shí)現(xiàn)輕量化；楊明政[2]以直聯(lián)電驅(qū)動橋為例對純電動汽車車橋進(jìn)行輕量化設(shè)計及疲勞壽命分析；劉威[3]以某型號大功率拖拉機(jī)驅(qū)動橋殼為研究對象，采用仿真和試驗相結(jié)合的方法開展了基于可靠性的拖拉機(jī)驅(qū)動橋殼輕量化設(shè)計研究；安俊霖等[4]采用CATIA 軟件對福田雷沃輕型貨車的驅(qū)動橋殼進(jìn)行了輕量化設(shè)計。本課題針對某企業(yè)重型卡車后驅(qū)動橋輕量化設(shè)計需求，以主減速器殼體為研究對象， 在缺少原始數(shù)據(jù)的情況下，采用逆向設(shè)計的方法， 首先獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 再采用GeomagicDesignX 軟件重構(gòu)其三維CAD 模型， 在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行輕量化設(shè)計改進(jìn)，通過對重新設(shè)計的模型進(jìn)行力學(xué)分析，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性，最終實(shí)現(xiàn)成功減重3.14kg，此項研究推動了企業(yè)的驅(qū)動橋整體輕量化設(shè)計，提高了企業(yè)效益。

1 減速器殼體數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集指采用某種設(shè)備和測量方法獲取實(shí)物表面的幾何坐標(biāo)，并將所獲數(shù)據(jù)存儲或輸出。不同的測量方法采集效率、難度不同，點(diǎn)云精度也存在差異，后期處理難度和逆向后的精度也會受到不同程度的影響， 因此數(shù)據(jù)采集時要根據(jù)被測工件的特征選擇合適的測量設(shè)備及掃描策略。

1.1 零件分析

該減速器殼體為深灰色鑄鐵件，外形尺寸約為（540×354×286）mm， 表面多為不規(guī)則幾何形狀且細(xì)節(jié)特征較多，外表面上分布著一系列加強(qiáng)散熱筋、與小齒輪殼的連接面和20 個沉頭孔等特征，內(nèi)表面方向有兩個與輪間差速器軸承連接的安裝座孔和與橋殼連接的連接面及連接孔，具體特征布置如圖1 所示。

圖1 某重型卡車后驅(qū)動橋主減速器殼體Fig.1 Main reducer housing of rear drive axle of a heavy truck

1.2 測量規(guī)劃

在測量硬件方面，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掃描時為更好的保留零件原有細(xì)節(jié)特征和提高效率， 選擇非接觸式掃描，這里選用形創(chuàng)handscan700 手持式激光掃描儀。 該掃描儀的精度為0.030mm，分辨率0.050，可重復(fù)性和可追蹤性好，掃描期間可以按需要移動物體，無須配備外部跟蹤或定位設(shè)備，校準(zhǔn)方便，測量速率可達(dá)480000 次/s，且能自動網(wǎng)格輸出， 采集完成之后即可將掃描文件導(dǎo)入至RE/CAD 軟件，無須執(zhí)行復(fù)雜的對齊等點(diǎn)云預(yù)處理過程。

在掃描策略方面，采取整體掃描方案如下：

（1）由于殼體表面經(jīng)過噴漆處理，掃描時會出現(xiàn)反光，故需對零件表面進(jìn)行噴粉處理。

（2）由于零件內(nèi)外表面均不規(guī)則、不對稱，需要多次、多角度、多范圍掃描，故需要在零件表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一。

（3）殼體掃描之前需進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定，并設(shè)置掃描分辨率、曝光時間、激光功率、光源形式等參數(shù)，以保證數(shù)據(jù)的完整性，為后期處理減少工作量。

（4）掃描時手持激光掃描儀距離零件大約20cm 為宜，先掃描外表面，然后翻轉(zhuǎn)零件掃描內(nèi)表面，隨時觀察距離指示燈并進(jìn)行調(diào)整，有遮擋的部分應(yīng)保證采集到關(guān)鍵數(shù)據(jù)，方便逆向建模時的特征擬合。零件掃描過程如圖2 所示。

圖2 零件掃描過程Fig.2 Part scanning process

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用掃描儀得到零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，接下來就是數(shù)據(jù)處理階段，通常分為點(diǎn)云預(yù)處理階段和多邊形處理階段。 點(diǎn)云預(yù)處理階段主要解決異常點(diǎn)的剔除、多次測量點(diǎn)云的對齊、缺失數(shù)據(jù)的填充修補(bǔ)和冗余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)精簡等問題。 多邊形處理階段主要是將預(yù)處理過的點(diǎn)云集用多邊形相互連接， 其實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)點(diǎn)與其臨近點(diǎn)間的拓?fù)溥B接關(guān)系以三角面的形式反映出來。 點(diǎn)云在轉(zhuǎn)換為多邊形之后，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失、噪聲、拓?fù)潢P(guān)系混亂、頂點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差、網(wǎng)格化算法缺陷等原因，轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)格會出現(xiàn)網(wǎng)格退化、自交、孤立、重疊以及孔洞等錯誤。這些缺陷將嚴(yán)重影響網(wǎng)格模型后續(xù)的曲面重構(gòu)、有限元分析、快速原型制造等，因此需要在此階段解決。

本例中由于使用形創(chuàng)handscan700 手持式激光掃描儀具有自動網(wǎng)格輸出功能， 故無須進(jìn)行點(diǎn)云的預(yù)處理階段， 而直接進(jìn)入多邊形處理階段， 降低了數(shù)據(jù)處理的難度、提高了數(shù)據(jù)處理的效率。 這里運(yùn)用GeomagicWrap 軟件處理過程如下：

（1）孔洞填充及破面修補(bǔ)。由于該殼體零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部有遮擋、存在深孔且表面貼有標(biāo)志點(diǎn)等原因?qū)е路庋b后的三角面片產(chǎn)生了大量破面或孔。需用“填充孔”命令來進(jìn)行修補(bǔ)。 對于有曲率的孔洞采用“曲率+內(nèi)部孔”的方式修補(bǔ)；對曲率較小的孔洞采用“平面+內(nèi)部孔”；對于邊緣數(shù)據(jù)的缺失，采用“曲率+邊界孔”；對于缺失較大的孔洞應(yīng)先進(jìn)行“搭橋”，在劃分區(qū)域之后，再選擇合適的方式補(bǔ)洞。

（2）應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生。 將非流形邊、自相交、高度折射邊、釘狀物、小組件、小通道、小孔選項全部勾選，讓軟件自動分析并修復(fù)。

（3）平滑曲面。平滑曲面主要用于對網(wǎng)格進(jìn)行平滑操作，消除尖角，使表面更加光順，從而為逆向設(shè)計提供更為精確的數(shù)據(jù)。 “平滑”主要有松弛、刪除釘狀物、較少噪音、快速光順、砂紙等命令，這里選擇松弛、光順和砂紙。數(shù)據(jù)處理前后的殼體零件如圖3 所示。

圖3 殼體零件數(shù)據(jù)處理前后對比Fig.3 Comparison before and after data processing of shell parts

2 減速器殼體模型重構(gòu)

2.1 軟件選擇

三維CAD 模型重構(gòu)是逆向設(shè)計的核心內(nèi)容，根據(jù)造型方法可分為基于曲線的模型重建和基于曲面的直接擬合。 本文采用GeomagicDesignX 軟件進(jìn)行模型重構(gòu)，它不僅擁有參數(shù)化實(shí)體建模的能力，還擁有NURBS 曲面擬合能力， 能夠利用這兩種能力共同創(chuàng)建有規(guī)則特征及自由曲面特征的CAD 模型。 主要工作過程如圖4 所示。

圖4 GeomagicDesignX 主要工作過程Fig.4 Main working process of GeomagicDesignX

（1）領(lǐng)域劃分。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的曲率和特征將面片分為相應(yīng)的幾何領(lǐng)域， 得到經(jīng)過領(lǐng)域劃分后的面片數(shù)據(jù)， 為后續(xù)建模提供參考。

（2）模型重建。分為精確曲面階段和實(shí)體建模階段。精確曲面階段的主要目的是進(jìn)行規(guī)則的網(wǎng)格劃分， 通過對各網(wǎng)格曲面片的擬合和拼接，擬合出光順的NURBS 曲面。 實(shí)體建模階段的主要目的是以所劃分的面片數(shù)據(jù)為參考建立截面草圖，再通過旋轉(zhuǎn)、拉伸等正向建模方法重構(gòu)實(shí)體模型。

2.2 逆向建模過程

（1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入：將掃描并處理后的.stl 數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeomagicDesignX。

（2）領(lǐng)域分割：根據(jù)減速器殼體表面的曲率設(shè)置合適的敏感度，將模型自動分割成多個特征領(lǐng)域。

（3）坐標(biāo)系對齊：追加參照平面，通過由領(lǐng)域劃分自動提取出的特征手動對齊坐標(biāo)、擺正視角以便更好的建模。

（4）獲取截面線：通過定義基準(zhǔn)面和拖動基準(zhǔn)面改變與模型相交的位置來獲取模型特征截面線， 并利用草圖工具進(jìn)行草圖擬合，精確還原模型局部特征的二維平面草圖。

（5）實(shí)體建模：依據(jù)提取的截面線運(yùn)用偏移、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略、布爾運(yùn)算、切割、合并等操作，完成減速器殼體的逆向建模，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 減速器殼體逆向建模Fig.5 Reducer housing reverse modeling

（6）誤差分析：對重構(gòu)的減速器殼體模型進(jìn)行局部尺寸修正，輸出最終的.stp 格式文件。

3 減速器殼體的輕量化設(shè)計

3.1 輕量化主要途徑

有各種能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化的方法：

（1）在保證整車各項設(shè)計主要參數(shù)不變的前提下，提高單個零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化，減少材料的消耗量。

（2）采用輕質(zhì)材料。 如鋁合金、鎂合金、塑料材料、陶瓷材料、碳纖維復(fù)合材料或玻璃纖維等。

（3）采用計算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。如應(yīng)用三維設(shè)計軟件模擬、有限元分析等。

（4）采用輕量化工藝，比如鍛造、3D 打印、高強(qiáng)度鋼板材的冷沖壓工藝等。組裝式粉末冶金空心凸輪軸，與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%～30%。

（5）采用合適的車身結(jié)構(gòu)，如承載式車身，降低車身板料的厚度規(guī)格等。

本文在實(shí)現(xiàn)了主減速器殼體逆向建模的基礎(chǔ)上，通過有限元分析，在保證整車主要參數(shù)不變的前提下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)輕量化。

3.2 有限元分析

將逆向得到的模型導(dǎo)入SolidWorks 軟件， 簡化為適合力學(xué)分析的模型，通過對加工面、受力面、固定面施加約束和負(fù)載，對產(chǎn)生曲面形狀變化進(jìn)行力學(xué)分析。

3.2.1 材料屬性設(shè)定

減速器殼體主體及軸承蓋全部采用球墨鑄鐵的材質(zhì)，具體的材料屬性如表1 所示[5]。

表1 材料屬性表Tab.1

3.2.2 約束及負(fù)載情況

主減速器殼為主減速器的內(nèi)部零件提供安裝支承、保護(hù)、潤滑的作用，同時，主減速器殼還要承受來自傳動軸、橋殼、懸架系統(tǒng)傳遞過來的載荷。 受力模型的約束根據(jù)實(shí)際情況， 固定主減速器的下法蘭表面， 對其進(jìn)行約束。 其中徑向力和軸向力的大小可按下式計算得到：

式中：Tmax—主減速總成的最大輸出扭矩；r—從動錐齒輪的節(jié)圓直徑；a—主動錐齒輪的節(jié)錐角。 根據(jù)實(shí)際受力情況，F(xiàn)徑向受力在軸承蓋端面，F(xiàn)軸向受力在底部法蘭面上[6]。約束及外加負(fù)載如圖6 所示。

圖6 減速器殼體約束及外加負(fù)載Fig.6 Restraint and imposed load of reducer housing

3.2.3 網(wǎng)格劃分及受力分析

采用實(shí)體網(wǎng)格類型和基于混合曲率的網(wǎng)格器， 重點(diǎn)區(qū)域采用細(xì)分網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格單元總數(shù)為14322 個，最大高寬比例為175.32，之后進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)果如圖7所示。 最大受力部位為軸承蓋底部邊緣處， 受力值為145MPa，其余地方受力均在100MPa 以內(nèi)，相對于QT450-10 本身的屈服強(qiáng)度310MPa，還有很大的受力裕度。

圖7 減速器殼體受力分析圖Fig.7 Force analysis diagram of reducer housing

3.3 輕量化設(shè)計

基于上圖受力分析從如下兩部位入手減重：

（1）將固定法蘭邊緣厚度由18mm 減至16mm；

（2）將下軸承法蘭的圓形過度部分由原來的12mm厚減至10.5mm。

為保證該殼體的可靠性對減重后的模型再重新進(jìn)行力學(xué)分析計算，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 輕量化后減速器殼體受力分析Fig.8 Force analysis of reducer housing after lightweight

從受力結(jié)果可以看出，輕量化后最大受力為184MPa，法蘭盤位置受力為45MPa 左右，下軸承法蘭過度部分為105MPa 左右， 此受力結(jié)果相對于QT450-10 本身的屈服強(qiáng)度310MPa，是完全可靠的。 經(jīng)計算減重后模型由原來的36.25kg，最終達(dá)到目前的33.11kg，成功減重近3.14kg。

4 結(jié)論

（1）本文通過運(yùn)用手持式激光掃描儀和GeomagicWrap軟件，獲取并處理得到了減速器殼體的掃描數(shù)據(jù)。

（2）運(yùn)用GeomagicDesignX 軟件進(jìn)行模型重構(gòu)，得到數(shù)字化實(shí)體模型。

（3）通過SolidWorks 軟件對原模型進(jìn)行材料屬性定義、約束固定、負(fù)載施加，分析出受力較小的區(qū)域并進(jìn)行輕量化設(shè)計。

（4）經(jīng)計算，模型由36.25kg 減至33.11kg，成功減重近3.14kg，并通過力學(xué)分析再次驗證了可行性。