某越野車多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘要：多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架是連接多連桿驅(qū)動(dòng)后橋與車架的部件，其作用是確保后橋能夠正常工作并承受各種力和力矩。文章針對(duì)某越野車多連桿驅(qū)動(dòng)后橋在道路耐久可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的安裝支架與驅(qū)動(dòng)后橋殼焊縫開(kāi)裂失效問(wèn)題，利用CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）軟件進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，安裝支架與驅(qū)動(dòng)后橋殼焊縫端頭存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。為解決此問(wèn)題，對(duì)安裝支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以分散或消除焊縫端頭的應(yīng)力集中點(diǎn)。通過(guò)CAE技術(shù)輔助搭建臺(tái)架復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)優(yōu)化前后的安裝支架方案進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架通過(guò)了道路耐久可靠性試驗(yàn)。研究可為類似多連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：多連桿驅(qū)動(dòng)；CAE分析；臺(tái)架試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；應(yīng)力集中

中圖分類號(hào)：U463.3" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）05-0119-04

0 引言

車輛行駛系統(tǒng)由車橋、車輪、車架和懸架四大主要部分組成。車橋的作用主要是支撐并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等組件，確保左右驅(qū)動(dòng)車輪相對(duì)位置的穩(wěn)定。車輛在行駛過(guò)程中，后橋不僅需要承受來(lái)自路面和車架（或承載車身）之間的垂向、縱向、橫向力及其力矩，還需放大由傳動(dòng)軸或變速器直接傳遞的轉(zhuǎn)矩，并將此轉(zhuǎn)矩分配至左右驅(qū)動(dòng)車輪，同時(shí)使左右驅(qū)動(dòng)車輪具有汽車行駛運(yùn)動(dòng)所要求的差速功能。因此，驅(qū)動(dòng)后橋的性能直接關(guān)系到整車的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及乘坐舒適性，是車輛極為重要的安全件和功能件。開(kāi)裂現(xiàn)象是國(guó)產(chǎn)汽車驅(qū)動(dòng)后橋常見(jiàn)的故障類型，有效分析并準(zhǔn)確找到驅(qū)動(dòng)后橋開(kāi)裂的原因，對(duì)提高和改進(jìn)驅(qū)動(dòng)后橋質(zhì)量具有重要意義。本文針對(duì)某越野車多連桿驅(qū)動(dòng)后橋在道路耐久可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的安裝支架與驅(qū)動(dòng)后橋殼的焊縫開(kāi)裂失效問(wèn)題，使用CAE分析軟件HyperWorks進(jìn)行分析。此次研究中，CAE有限元分析技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，而臺(tái)架試驗(yàn)則提供了實(shí)踐驗(yàn)證，兩者相輔相成，不僅有效縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，還顯著提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 故障分析

1.1 故障情況

某越野車多連桿驅(qū)動(dòng)后橋在進(jìn)行道路耐久可靠性試驗(yàn)時(shí)，在壞路工況累積行駛7 200 km后出現(xiàn)安裝支架焊縫開(kāi)裂故障（見(jiàn)圖1）。需對(duì)該故障進(jìn)行研究分析，提出改進(jìn)措施。

1.2 材料化學(xué)成分及機(jī)械性能分析

依據(jù)《汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板及鋼帶》（Q/BQB 310—2014），對(duì)故障失效的驅(qū)動(dòng)后橋殼（材料為QStE550TM，厚度t=7.0 mm）和安裝支架（材料為SAPH440，厚度t=3.5 mm）進(jìn)行化學(xué)元素分析及機(jī)械性能拉伸試驗(yàn)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，兩者的化學(xué)成分（見(jiàn)表1）及原材料的機(jī)械性能拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果（見(jiàn)表2）均符合設(shè)計(jì)規(guī)定的材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 焊縫熔深金相組織檢驗(yàn)

在故障件焊縫失效處取樣，進(jìn)行熔深與金相分析檢測(cè)。失效件焊縫熔深檢測(cè)結(jié)果顯示合格（見(jiàn)表3）。故障件R1及R2處的焊縫區(qū)金相組織檢測(cè)結(jié)果均為柱狀晶粒、鐵素體+珠光體、魏氏組織3級(jí)，相應(yīng)熱影響區(qū)均顯示為鐵素體+珠光體、魏氏組織2級(jí)（見(jiàn)圖2、圖3）。以上檢測(cè)結(jié)果均表明焊縫焊接質(zhì)量合格。

1.4 CAE分析

對(duì)原方案多連桿驅(qū)動(dòng)后橋的安裝支座（見(jiàn)圖4）進(jìn)行CAE分析［1］。在進(jìn)行有限元處理分析過(guò)程中，主要采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。該支座系統(tǒng)中，上下推力桿、橫梁桿及穩(wěn)定桿等懸架部件的一端通過(guò)螺栓與驅(qū)動(dòng)后橋殼上各安裝支架連接，另一端與車身的相應(yīng)安裝支架螺栓連接。因此，在構(gòu)建有限元模型時(shí)，將上述連接點(diǎn)與車身的連接點(diǎn)設(shè)為完全固定約束，作為模型的邊界條件。加載點(diǎn)則設(shè)在左右后橋輪胎與地面的接觸點(diǎn)，加載點(diǎn)的載荷見(jiàn)表4。多連桿驅(qū)動(dòng)后橋及其附屬的上下推力桿、橫拉桿、穩(wěn)定桿等組件的CAE分析模型見(jiàn)圖5。

通過(guò)CAE分析，多連桿驅(qū)動(dòng)后橋的驅(qū)動(dòng)工況最大應(yīng)力為370.47 MPa，制動(dòng)工況最大應(yīng)力為373.07 MPa。兩處工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)均位于安裝支架與驅(qū)動(dòng)后橋殼的焊縫端頭處，并且這些應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了安裝支架材料的屈服強(qiáng)度極限，因此CAE分析顯示該位置存在極高的失效風(fēng)險(xiǎn)。此應(yīng)力點(diǎn)與故障件開(kāi)裂位置相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了焊縫端頭處的應(yīng)力集中是造成道路耐久可靠性試驗(yàn)中開(kāi)裂問(wèn)題的根本原因。

2 臺(tái)架故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

2.1 臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

基于上述CAE分析揭示的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)工況下的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了能快速模擬道路耐久可靠性試驗(yàn)過(guò)程中多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架的開(kāi)裂失效狀況，需建立相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

（1）設(shè)定加載力方向。車輛前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力方向向前，多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架因此受到向后的力，相應(yīng)地，安裝支架與驅(qū)動(dòng)后橋殼焊縫處受到的是壓應(yīng)力；而在剎車制動(dòng)時(shí)，安裝支架受力方向相反，焊縫處轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。鑒于壓應(yīng)力通常不會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂，臺(tái)架試驗(yàn)加載力方向設(shè)定為向前（見(jiàn)圖6）。

（2）設(shè)定約束點(diǎn)。由于開(kāi)裂問(wèn)題集中于多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架與驅(qū)動(dòng)后橋殼的焊縫處，因此加載力應(yīng)直接加載在支架安裝點(diǎn)上，以更嚴(yán)格地評(píng)估安裝支架性能。制動(dòng)工況CAE分析中的加載點(diǎn)雖為后橋兩端輪心，約束點(diǎn)為多連桿驅(qū)動(dòng)后橋上的各支架連桿安裝點(diǎn)，但復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)需調(diào)整加載力直接作用于安裝支架，因此約束點(diǎn)設(shè)定為驅(qū)動(dòng)后橋兩端的輪心位置。

（3）設(shè)定加載力大小。為了確保多連桿驅(qū)動(dòng)后橋故障失效處能達(dá)到制動(dòng)工況下最大應(yīng)力373.07 MPa的要求，利用CAE軟件進(jìn)行了多輪模擬優(yōu)化。最終確定，在多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架上施加向前的力F=21 500 N時(shí)（見(jiàn)圖7），能在支架與橋殼焊縫端頭處產(chǎn)生399.93 MPa的拉應(yīng)力（見(jiàn)圖8），該值高于制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M復(fù)現(xiàn)

通過(guò)以上分析，針對(duì)多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架焊縫失效的故障，制定了臺(tái)架復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)方案：加載點(diǎn)直接作用于支架安裝點(diǎn)，加載方向?yàn)檎嚽斑M(jìn)方向，加載力F從0逐步增加至21 500 N，試驗(yàn)頻率設(shè)定為5 Hz，固定約束點(diǎn)位于驅(qū)動(dòng)后橋兩端的輪心處（見(jiàn)圖9）。按照方案進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，結(jié)果為1.7萬(wàn)次循環(huán)加載后，安裝支架與驅(qū)動(dòng)后橋的焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂（見(jiàn)圖10），開(kāi)裂位置及形狀與道路耐久可靠性試驗(yàn)失效模式一致，說(shuō)明該試驗(yàn)方案能夠有效復(fù)現(xiàn)故障失效模式。

3 安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1 安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

資料顯示，焊縫的疲勞破壞與焊接基材關(guān)系不大，因此通過(guò)改變基材的方式改善焊縫疲勞性能的可能性不大［2］。焊縫的改進(jìn)通常有以下兩種策略［3］：一是通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變焊縫的受力形式與量級(jí)大?。欢峭ㄟ^(guò)增加焊縫周圍基材的厚度以便降低焊縫應(yīng)力。

由于道路耐久可靠性試驗(yàn)中，開(kāi)裂問(wèn)題的原因在于驅(qū)動(dòng)后橋殼與安裝支架之間焊縫較短（僅40 mm），相較于其他類似車型普遍較長(zhǎng)的焊縫設(shè)計(jì)（70 mm以上），此短焊縫在道路耐久可靠性試驗(yàn)時(shí)疲勞強(qiáng)度不足且易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致開(kāi)裂。為此，提出以下安裝支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案：在保持原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加翻邊結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖11），采用厚度為3.5 mm的SAPH440材料。此改進(jìn)將焊縫長(zhǎng)度由原來(lái)的40 mm延長(zhǎng)至80 mm，同時(shí)優(yōu)化了焊縫布局，由原先的單一豎直焊縫形式改為既有豎直焊縫又有水平焊縫的復(fù)合形式。在制動(dòng)工況下，原結(jié)構(gòu)的豎直焊縫僅受到拉應(yīng)力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)由于既有豎直焊縫又有水平焊縫，水平焊縫受到壓應(yīng)力，豎直焊縫受到拉應(yīng)力，從而提高焊縫區(qū)域的疲勞強(qiáng)度。

3.2 安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化CAE分析

優(yōu)化后的安裝支架結(jié)構(gòu)模型在驅(qū)動(dòng)制動(dòng)工況下的CAE分析結(jié)果顯示，道路耐久可靠性試驗(yàn)中的故障失效區(qū)域應(yīng)力顯著降低，驅(qū)動(dòng)工況下應(yīng)力減至222.21 MPa，比優(yōu)化前降低了148.26 MPa；制動(dòng)工況下應(yīng)力為226.02 MPa，比優(yōu)化前降低了147.05 MPa。這表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化大幅改善了故障失效處的應(yīng)力狀態(tài)。

3.3 安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架在完成17萬(wàn)次循環(huán)后，其焊縫區(qū)域未出現(xiàn)開(kāi)裂失效現(xiàn)象。相較于原結(jié)構(gòu)在臺(tái)架試驗(yàn)中僅能承受約1.7萬(wàn)次循環(huán)就開(kāi)裂的情況，優(yōu)化后的安裝支架壽命是優(yōu)化前的10倍，具體對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。原結(jié)構(gòu)安裝支架在模擬壞路工況累計(jì)行駛7 200 km后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，說(shuō)明原結(jié)構(gòu)的安裝支架比要求的略差。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的安裝支架在顧客端的道路耐久可靠性試驗(yàn)中（包括7 200 km的壞路工況及2 000 km的越野路況）成功通過(guò)驗(yàn)證，未出現(xiàn)焊縫失效現(xiàn)象，不僅證明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案滿足使用要求，也說(shuō)明了臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)芸焖購(gòu)?fù)現(xiàn)道路耐久可靠性試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)CAE有限元分析技術(shù)，對(duì)某越野車型多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架焊縫問(wèn)題進(jìn)行了研究，確認(rèn)開(kāi)裂處焊縫存在應(yīng)力集中是導(dǎo)致疲勞失效的主要原因。針對(duì)此問(wèn)題，提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，并利用CAE有限元分析技術(shù)輔助構(gòu)建了臺(tái)架復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)比方案改進(jìn)前后的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，快速?gòu)?fù)現(xiàn)了道路耐久可靠性試驗(yàn)中多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架的失效模式。最終，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架通過(guò)了道路耐久可靠性試驗(yàn)。此次改進(jìn)過(guò)程中，CAE有限元分析技術(shù)為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)，而臺(tái)架試驗(yàn)則是快速反饋產(chǎn)品可靠性的有效手段，顯著縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并減少了產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用。

5 參考文獻(xiàn)

［1］李麗.汽車后橋有限元分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)［D］.吉林：吉林大學(xué)，2008.

［2］張洪武，關(guān)振群.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

【作者簡(jiǎn)介】陳衍標(biāo)，男，廣西桂平人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應(yīng)用；莫偉忠，男，廣西賀州人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應(yīng)用；黃恒仕，男，廣西平南人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應(yīng)用；黃榮國(guó)，男，廣西欽州人，工程師，研究方向：汽車底盤、后橋及其零件的應(yīng)用。

【引用本文】陳衍標(biāo)，莫偉忠，黃恒仕，等.某越野車多連桿驅(qū)動(dòng)后橋安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（5）：119-122.