驱动桥桥壳的疲劳寿命分析

李妮妮，袁文强，吴袁生，王秋敏

(广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)

0 引言

按照静强度和刚度准则设计的零件，在小于其强度的载荷往复作用下也会突然地断裂。从19世纪中期开始，人们才逐渐认识这一现象，发展至今，对其机制也并未完全掌握。大多数机械结构和零部件都在循环载荷下工作，往复循环的载荷会使满足刚度强度的零件逐渐产生裂纹直至突然断裂，即为机械疲劳现象。机械疲劳是机械结构和零部件的主要破坏形式，据统计有50%～90%的机械失效都源于疲劳破坏[1]。疲劳寿命分析就是通过分析机械构件在其工作周期内的载荷、应力、结构、材料特性和扩展机制等来确定设计中存在的问题并估算产品工作寿命的过程。

对零件的疲劳寿命研究主要有两种方法：一种方法是疲劳耐久台架试验，模拟使用工况对零件样品施加载荷，统计零件的疲劳寿命、破坏形式和破坏位置等信息；另一种是计算分析的方法，采用有限元软件，结合零件的载荷、材料特性、结构和表面质量等因素，分析零件的疲劳寿命和失效位置。

疲劳试验结果准确但是耗时长、成本高。相比而言仿真分析则简单许多，但是由于零件疲劳涉及的影响因素众多，仿真分析往往很难合理设置各个影响因素的大小，一旦将各个影响因素设置正确后，仿真分析可以很方便地得出分析结果，进而对零件做出优化，进行部分结构改进后依然能采用仿真结果。

本文作者针对某型号车桥，依照标准QC/T 533-1999中介绍的搭建疲劳试验系统，并用于该车桥的疲劳试验。然后采用ABAQUS和FE-SAFE软件根据实际情况对车桥进行有限元分析。目的是获得相互印证的试验结论，并获得可靠的有限元分析中的设置参数。

1 桥壳疲劳耐久台架试验

汽车的驱动桥位于传动系的末端，其作用首先是增扭、降速、改变转矩的传递方向，即增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩，并将转矩合理地分配给左右驱动车轮；其次，驱动桥还要承受作用于路面或车身之间的垂直力、纵向力和横向力，以及制动力矩和反作用力矩[2]。

标准QC/T 533-1999和QC/T 534-1999给出了检测桥壳疲劳寿命的方法概述，该标准主要考虑的是路面和车身之间的垂向力。文中依据这两份标准的介绍，采用电液伺服系统搭建了一套车桥壳疲劳试验系统。该系统能实现标准所要求的载荷方向和约束条件，同时能保证运动不发生干涉，不使车桥壳受到额外的力或者力矩。该试验系统不仅可以进行桥壳的疲劳试验，还能够进行弯曲刚性、垂直弯曲静强度试验。

该系统的主要结构如图1和图2所示，主要包括液压油缸、力传感器、龙门架和其他工装部分，除此之外还有液压泵、控制器等。

图2 车桥壳疲劳耐久试验示意

试验前，将车桥安装于实验台架上。油缸作为施力部件，提供试验所需的力，并由力传感器反馈力的大小，由控制器直观显示和控制力值。油缸的两端各有一个球铰，其作用是确保油缸只受轴向力，从而对油缸起保护作用。

为了保证车桥在垂直作用载荷下，发生受力变形时不产生运动干涉，不产生额外的力和力矩。所以光轴和车桥的弹簧安装座之间需要有个消除干涉的加载模块，如图3所示，左右两个加载模块略有不同，它们均由三部分组成，包括加载模块上部分、圆柱、加载模块下部分。差别是下模块，其中一个下模块有凹槽，凹槽与圆柱相配合，另一个下模块没有凹槽。

图3 车桥壳疲劳耐久试验加载模块

光轴将油缸的力传递至加载模块，直线轴承和直线轴承支架对光轴起导向的作用，保证光轴始终在竖直方向移动。

轴端夹具与车桥两端连接，滚轮安装在其底部，并且滚轮的位置可以调节，即左右两个滚轮之间的距离可以调节。因为左右两个滚轮之间的距离必须和汽车的轮距相等。因此该装置可以适用于不同型号的车桥试验。

针对某型号的车桥，其轮距为1 600 mm，满载轴荷为1 871 kg。装配完成后，按照满轴载荷的2.5倍同相位对左右两个弹簧座施加载荷，载荷波形为正弦，频率5 Hz，如图4所示。试验过程中可以通过力传感器和油缸内部的位移传感器实时监控加载过程的载荷以及车桥的变形情况。实验进行至130万次时，车桥发生断裂，断裂图如图5所示。

图4 车桥壳疲劳耐久试验载荷

图5 车桥壳疲劳破裂

2 车桥的疲劳寿命有限元分析

采用有限元方法分析零件的疲劳寿命，发现零件的薄弱环节进而优化结构，是一种行之有效的设计方法。随着分析理论和工程软件发展得越来越成熟，分析结果越来越精确。FE-SAFE软件具有算法先进、功能全的优点，是世界公认精度最高的疲劳寿命分析软件之一[3]，使用FE-SAFE对桥壳进行疲劳寿命分析，可直接读取ABAQUS的ODB文件。

文中针对某型号的车桥壳，采用SolidWorks、ABAQUS和FE-SAFE软件相结合的方法分析该车桥壳体在规定载荷下的疲劳寿命。

首先利用SolidWorks建立车桥的三维模型，再将模型导入ABAQUS中，设置材料属性、装配部件、设置分析步、设置耦合、划分网格、添加边界条件，然后进行静力分析。最后将ABAQUS分析得到的ODB文件导入FE-SAFE中，设置材料属性、载荷、表面质量、算法，求解得到最先破坏点的寿命和发生破坏的单元。

为了能反映实车情况，并且可以和疲劳试验进行对比，车桥壳的约束和载荷情况与实车、疲劳试验时保持一致。在初始分析步中约束车桥左端面中点的5个自由度，只留下绕车辆前进方向的转动自由度，同时约束车桥右端面中点的竖直方向的位移。按照标准QC/T 533-1999的要求，在弹簧安装面上施加2.5倍的满载轴荷，满载轴荷1 871 kg。在FE-SAFE中，设置载荷为正弦波，峰值为2.5倍的满载轴荷，谷值为零。

在ABAQUS中划分网格时，因为车桥形状不规则，采用自由网格划分技术，并选择十节点二次四面体C3D10单元，采用该单元可以得到较高精度的分析结果，但是相比六面体单元需要消耗更多的计算时间。

在ODB文件中导入FE-SAFE时，只导入最后一个分析步中的应力，并设置对应的单位。

材料的弹性模量为210×109Pa，泊松比设置为0.3, 在FE-SAFE中设置材料的极限抗拉强度为540 MPa，表面粗糙度Ra设置为40～75 μm。

ABAQUS计算结果如图6所示，应力最大处主要在桥壳管的下部分、弹簧安装座与车桥壳连接处。

图6 ABAQUS静力分析应力结果

FE-SAFE的计算结果显示车桥可以经历150万次的循环载荷(见图7)。该分析结果和疲劳试验结果相一致，由此可见该分析方法较为合理。

图7 FE-SAFE疲劳分析计算结果

3 结论

针对模型号的车桥，分别进行耐久试验和有限元仿真分析。得到的试验结果一致性较好。两种方法均可以发现车桥壳的疲劳性能薄弱点，两种方法获得的桥壳疲劳寿命也很接近。

因为车桥的疲劳寿命影响因素众多，除了材料特性、载荷大小和表面粗糙度，还和表面残余应力、焊接质量以及铸造质量等因素有关[4]，因此台架试验是零件疲劳性能的最直接反映。即使同一批次的零件，其疲劳寿命也会呈现较大的差异。但是进行疲劳试验的成本高、周期长。采用有限元分析的方法能很好地为车桥开发过程提供参考信息，并且节约成本和时间，在各参数设置适当的情况下，其结果能很好地与实际情况相吻合。针对一款车桥建立仿真分析和试验数据的关联后，在结构改进时可以不需要重复进行台架试验而通过有限元分析的方法分析改进效果。合理运用两种方法可以提高车桥壳体的开发速度，节约开发成本。