基于变截面的驱动桥桥壳结构优化＊

杨彦超王铁张瑞亮

（太原理工大学）

基于变截面的驱动桥桥壳结构优化＊

杨彦超王铁张瑞亮

（太原理工大学）

以某商用车驱动桥桥壳为研究对象，建立该结构的体单元有限元模型；在此基础上对驱动桥桥壳结构的静力、模态性能进行分析与研究，得出应力分布情况和前6阶模态下的固有频率及振型，从而验证了设计的合理性；以该驱动桥桥壳的总体积为目标，以强度性能为约束条件进行结构优化。验证结果表明，优化后的桥壳不仅实现了轻量化，而且应力分布更均匀、结构更合理。

1 前言

驱动桥是汽车的重要组成部分，其不仅把发动机输出的扭矩传递到车轮，还承受车架及路面传递的各种力和力矩，因此驱动桥必须有足够的强度、刚度和疲劳寿命[1]。

目前，国内对驱动桥桥壳的研究分析主要是基于等截面进行的，对变截面桥壳的设计分析及研究比较匮乏。本文以某重型商用车驱动桥桥壳为研究对象，运用CAE技术对驱动桥桥壳结构进行变截面改进。

2 驱动桥桥壳有限元模型的建立

有限元分析结果的可信度直接受分析模型、载荷处理、约束条件和实际工程结构力学特性符合程度的影响，建立有限元分析模型时既要如实反映实际结构的重要力学特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态，以保证较高的计算精度和缩小解题规模[2]。

驱动桥桥壳属于板壳结构，主要零件采用等厚度热轧板材冲压成形。由于桥壳几何模型的复杂性，在不影响模型真实性的前提下，建模时忽略不影响分析结果的桥壳细节特征，如钢板弹簧座、加油口、放油口等，并在满足计算精度的前提下进行如下假定[3]：

a.不考虑焊接处材料特性的变化；

b.桥壳的材料为均质材料且各项同性。

将三维设计软件中建立的三维实体模型导入有限元软件，在对实体模型进行几何清理后进行网格划分，得到86648个六面体单元和118834个节点，如图1所示。

通过分析，桥壳弹簧座处和变截面处易产生应力集中，所以在该两处分别进行网格加密，而对后盖等非主要构件采用大网格进行划分。划分网格时提前对轮距轴承承载位置和钢板弹簧座进行定位，以便施加载荷与约束。

3 驱动桥桥壳的有限元分析

所选驱动桥桥壳主体材料为Q420B，外端插入的轮毂轴管材料为40MnB，后盖采用的是08AL，加强圈采用的是Q345B，各材料具体力学属性如表1所列。

表1 驱动桥桥壳的材料属性

3.1 驱动桥桥壳静力分析

商用车驱动桥桥壳受力情况通常十分复杂，行驶路况多变，工作环境相对恶劣。但只要保证4种典型工况下的桥壳强度，则该桥壳在汽车各种行驶条件下是可靠的[4]。但在现实生活中，经常是两种甚至3种工况同时存在，所以应该对组合工况下的桥壳进行分析。由于篇幅所限，本文主要对不平路面制动工况进行强度计算。

不平路面制动工况为汽车在不平路面上满载制动时的工况（不考虑侧向力）。此工况下，驱动桥桥壳除本身会产生制动惯性力外，还受到簧上质量垂直方向冲击载荷的作用、簧上质量纵向方向制动惯性力及因制动力产生的扭矩作用。

驱动桥桥壳承受垂向冲击载荷为：

式中，G为汽车满载静置于水平路面时板簧座处的垂直载荷；k为制动时后桥负荷转移系数，通常取值0.75～0.95，文中取0.8；δ为垂直动载系数，取值为2.5。

簧上质量制动惯性力为：

式中，φ为地面附着系数，通常取值为0.75～0.8，文中取0.8。

此外，桥壳因制动产生的扭矩为：

式中，rr为驱动车轮的滚动半径。

边界约束条件施加的合理性直接影响到分析结果的正确性和合理性。计算过程中，约束加在两侧车轮轴承处，模拟两端简支支承，并约束桥壳中心点的横向位移来消除刚性位移，载荷均匀的施加在板簧座处。选择不平路面制动工况作为驱动桥桥壳的试验验证工况，其约束与载荷分别为：约束轴套两端轴承处的X轴、Z轴两个方向的位移自由度，约束制动盘处相应节点绕Y轴的旋转自由度，约束桥壳中心点相应节点绕Y轴的位移自由度；冲击载荷与制动惯性力均匀加载于板簧座处，扭矩相应的力偶加载于板簧座位置的4个平面上。

桥壳的等效应力等值图如图2所示。桥壳轴套变截面区域的应力最大，其最大值为359.2 MPa，板簧座两侧与变截面处应力最大值为157.85 MPa，下部月牙缺口处的应力最大值为260.9 MPa，均远小于材料的屈服强度和抗拉强度极限。

桥壳变形后的挠度如图3所示。从图3可以看出，整体最大挠度发生在桥壳中部，依次向两侧递减，最大位移值为3.201 mm，每米轮距变形量稍大于1.5 mm，所以在之后的优化中应注意刚度的加强。

在动力传输的过程中桥壳会因受到扭矩的作用而绕X轴扭转，因此桥壳中上部与桥壳中下部的纵向变形并不相同。

3.2 模态分析

驱动桥桥壳的低阶模态频率不仅反映其整体动态刚度性能，而且是控制车辆振动特性的关键指标。车辆行驶过程中，在外部载荷的激励下驱动桥桥壳结构会发生低阶频率共振现象[5]。

对桥壳进行自由条件下的模态分析，得到其固有频率和振型。桥壳的前6阶是刚体模态，模态频率从计算模态的第7阶开始取，所得桥壳的前6阶模态下的固有频率如表2所列。

表2 桥壳前6阶固有频率Hz

车辆承受路面的激励多属于0～50 Hz之间的垂直振动，可知所研究的驱动桥桥壳前6阶模态固有频率不在此范围内，因此不会由路面激励引起桥壳的共振，桥壳结构设计比较合理。

4 桥壳结构优化

在满足许用应力的前提下，驱动桥桥壳的强度还有很大一部分的盈余，存在轻量化设计的空间。

4.1 尺寸优化

根据桥壳的构成特点，将其分为7个不同的设计区域，如图4所示。具体优化设置参数如表3所列。

表3 桥壳尺寸优化参数

运行OptiStruct求解器，经过7次迭代得到材料分布最优解。图5为驱动桥桥壳设计区域厚度随迭代的变化曲线，图6是驱动桥桥壳优化目标总体积随迭代的变化曲线。

4.2优化验证

根据优化结果，设定优化后的桥壳本体桥包顶部与底部厚度由16mm降为14mm；两端与轴套焊接的部位需保持强度，故尺寸不变，两者之间过渡连接。

根据以上变化，在三维设计软件中建立优化后的三维实体模型，然后导入有限元软件中对实体模型进行几何清理后再进行网格划分，得到170 105个体单元和106 266个节点。优化前、后桥壳的质量变化如表4所列。

表4 桥壳优化前、后质量变化

4.2.1 静力强度验证

对改进后的模型进行不平路面上制动工况的静力分析，边界约束条件的施加与前文一致。

优化后的桥壳等效应力等值图如图7所示。桥壳的最大应力位置仍然是轴套变截面区域，最大应力值为354.2 MPa，桥壳本体变截面处应力最大值为227.45 MPa，下部月牙缺口处的应力最大值为266.58 MPa。经过优化后，桥壳变截面处的应力有所增大，但是仍小于材料的屈服强度和抗拉强度极限，证明改进是合理可行的。

优化后的桥壳变形挠度如图8所示。可以看出，桥壳整体的最大挠度依然发生在桥壳的中部偏下，依次向两侧递减，最大位移值为2.963 mm，比优化前减小了0.238 mm。

4.2.2 模态分析验证

对改进后的桥壳进行自由条件下的模态分析，得到其固有频率和振型。桥壳优化前、后模态下前6阶的固有频率对比情况如表5所列。优化后的桥壳固有频率与优化前相比，第1阶频率有所增加，更加远离路面激振频率的范围，不会由路面激励引起桥壳的共振；其余阶数的固有频率分布更加紧凑，说明改进后桥壳结构更加合理。

表5 优化前、后桥壳固有频率对比

5 结束语

针对传统等截面驱动桥桥壳局部区域受力不均衡、应力分布不均匀、部分结构材料富裕较大的现象，提出桥壳的变截面优化。

优化后的桥壳采用两端厚、中间薄的变截面结构，改变了传统的等厚设计方案，不但实现了桥壳的轻量化，节约了材料，而且优化后的桥壳应力分布更均匀，结构更合理。

1王望予.汽车设计.北京：机械工业出版社，2004：169～170.

2张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术.北京：机械工业出版社，2007：1～10.

3孙辉.微型车驱动桥桥壳结构强度与模态分析.机械设计与制造，2011（8）：219～221.

4刘惟信.汽车车桥设计.北京：机械工业出版社，2004：330～338.

5王铁，赵震，陈峙，等.基于灵敏度分析的自卸车车架优化设计.太原理工大学学报，2012，43（5）：610～614.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2013年8月23日。

Structural Optimization of Drive Axle Housing Based On Variable Cross-section

Yang Yanchao1，Wang Tie2，Zhang Ruiliang3
（Taiyuan University of Technology）

With drive axle housing of a commercial vehicle as research object，we construct body element FE model of this structure.On this basis，we analyze and research static force and modal performance of the drive axle housing，and get stress distribution and the inherent frequency and vibration mode of the first six-order mode，thus verify rationality of such design.With total volume of this drive axle housing as objective and with strength performance as constraint，we make structure optimization.The results of verification show that，the optimized axle housing features not only light weight，but also more even stress distribution and more reasonable structure.

Drive axle housing,Variable cross-section,Structural optimization,Finite element

驱动桥桥壳变截面结构优化有限元

U463.218+.5

：A文献标识码：1000-3703（2014）02-0005-03

山西省高新技术项目资助(工程专用自卸车开发20111101)。