導(dǎo)語：疲勞性能下后驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)優(yōu)化分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：汽車產(chǎn)品作為現(xiàn)代大眾交通工具，其性能表現(xiàn)一直受到廣泛重視，而后驅(qū)動(dòng)橋作為汽車傳統(tǒng)系統(tǒng)中的重要組成部分，自然也得到了高度關(guān)注。后驅(qū)動(dòng)橋的疲勞性能將決定汽車整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作的可靠性，而現(xiàn)代很多汽車產(chǎn)品后驅(qū)動(dòng)橋都存在疲勞性能上的問題，因此本文出于提高汽車產(chǎn)品性能水平的目的，將現(xiàn)有后驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，得出設(shè)計(jì)中影響疲勞性能的問題，再針對(duì)性的提出優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：疲勞性能；后驅(qū)動(dòng)橋；設(shè)計(jì)優(yōu)化

現(xiàn)代大部分車型中后驅(qū)動(dòng)橋都是安置在傳動(dòng)系統(tǒng)末端，具有對(duì)變速器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，同時(shí)將變速器動(dòng)能傳遞給驅(qū)動(dòng)輪的功能，這一點(diǎn)上可以看出，后驅(qū)動(dòng)橋在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要性，當(dāng)后驅(qū)動(dòng)橋出現(xiàn)問題時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致汽車運(yùn)行異常。而實(shí)際上，因?yàn)楹篁?qū)動(dòng)橋運(yùn)作特征會(huì)對(duì)其造成較大損耗，所以當(dāng)后驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能不佳，則代表汽車運(yùn)行異常概率增大，不利于傳統(tǒng)系統(tǒng)可靠性，駕駛者將面對(duì)較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此不斷提升后驅(qū)動(dòng)橋的疲勞性能，是現(xiàn)代汽車產(chǎn)品研發(fā)中心必須攻克的問題。

1后驅(qū)動(dòng)橋疲勞分析

要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的，需先對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋原有疲勞性能進(jìn)行分析，確認(rèn)其中問題，因此下文將通過四個(gè)步驟來進(jìn)行分析，即疲勞載荷生成、有限元模型建設(shè)、模型試驗(yàn)方法、疲勞性能計(jì)算。1.1疲勞載荷生成。為了了解汽車后驅(qū)動(dòng)橋原有疲勞性能，需要在試驗(yàn)臺(tái)上先設(shè)置疲勞載荷，目的是將載荷施加于汽車后驅(qū)動(dòng)橋上，進(jìn)行反復(fù)運(yùn)作，直至后驅(qū)動(dòng)橋無法承受，根據(jù)反復(fù)測(cè)試與載荷力度綜合計(jì)算出后驅(qū)動(dòng)橋的疲勞性能參數(shù)。這一基礎(chǔ)上，首先因?yàn)楹篁?qū)動(dòng)橋運(yùn)作工況分為垂、縱、橫三項(xiàng)，所以疲勞載荷需要滿足工況要求，其次采用正弦波來實(shí)現(xiàn)載荷的規(guī)律循環(huán)，對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋反復(fù)運(yùn)作，最終采用軟件記錄后驅(qū)動(dòng)橋在載荷當(dāng)中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，以供疲勞性能計(jì)算參考。此外，因?yàn)楝F(xiàn)代汽車產(chǎn)品的后驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能均達(dá)到了數(shù)十萬的水準(zhǔn)，所以無法將所有數(shù)據(jù)列出，這一條件下將取4000次載荷運(yùn)作數(shù)據(jù)為參考。1.2有限元模型建設(shè)。在疲勞載荷生成基礎(chǔ)上，采用仿真軟件建設(shè)汽車后驅(qū)動(dòng)橋有限元模型，具體見圖1?？紤]到不同汽車產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)橋之間的差異，無法將其一概而論，因此將以某普及性較廣的皮卡汽車產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)橋最為參照來建設(shè)有限元模型。建設(shè)當(dāng)中為了保障試驗(yàn)的針對(duì)性，將取出該汽車驅(qū)動(dòng)橋周邊的附屬組件，例如主減速器、鋼板彈簧、車輪等，此類組件與驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能存在一定程度上的關(guān)聯(lián)，但程度較小，因此去除此類組件并不會(huì)對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性造成影響，反而在這些組件存在的條件下，會(huì)使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)模糊。驅(qū)動(dòng)橋有限元模型中包含驅(qū)動(dòng)橋橋殼、突緣、支架等生成有限元模型、制動(dòng)盤及半軸組件，各組件在模型上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，可以保障載荷傳遞。1.3模型試驗(yàn)方法。結(jié)合以上兩個(gè)步驟，對(duì)汽車后驅(qū)動(dòng)橋有限元模型進(jìn)行三項(xiàng)試驗(yàn)，即垂、縱、橫三項(xiàng)工況下的模型疲勞性能試驗(yàn)。①垂向工況試驗(yàn)。首先針對(duì)有限元模型中鋼板彈簧處安置座位，由此產(chǎn)生垂直向下的載荷，其次在半軸外側(cè)施加垂直向上的載荷，此部分試驗(yàn)可以了解后驅(qū)動(dòng)橋的整車垂向沖擊載荷，同時(shí)考慮到實(shí)際工況中存在慣性對(duì)載荷的影響，因此試驗(yàn)系統(tǒng)將增加慣性力，可保障模型計(jì)算平衡。②縱向工況試驗(yàn)。主要在垂向工況的兩個(gè)載荷生成部分，另外對(duì)輪胎接地點(diǎn)設(shè)置整車縱向的載荷，且同樣增加慣性力，此舉可以對(duì)整車制動(dòng)載荷進(jìn)行分析。③橫向工況試驗(yàn)。在垂向工況第一步驟基礎(chǔ)上，首先對(duì)驅(qū)動(dòng)橋模型的半軸外側(cè)設(shè)置整車橫向載荷，可知整車橫向沖擊載荷，其次在輪胎接地點(diǎn)設(shè)置整車橫向的載荷，可知整車轉(zhuǎn)向載荷，試驗(yàn)中同樣增加慣性力。1.4疲勞性能計(jì)算。借助軟件當(dāng)中的計(jì)算功能，對(duì)汽車后驅(qū)動(dòng)橋的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)生成驅(qū)動(dòng)橋各部位材料修整標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)果顯示，經(jīng)過4000次的反復(fù)載荷運(yùn)作，驅(qū)動(dòng)橋橋殼的最大損傷數(shù)據(jù)達(dá)到了0.0057，將該數(shù)值代入各工況反復(fù)運(yùn)行總數(shù)當(dāng)中進(jìn)行折算，可知橋殼部位的損傷數(shù)據(jù)為0.57，這一數(shù)據(jù)表面上可滿足驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能標(biāo)準(zhǔn)，但兩者之間較為接近，因此考慮到實(shí)際沖壓過程當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)橋橋殼會(huì)局部變薄的特征，在運(yùn)行40萬次時(shí)，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼厚度會(huì)降低15%左右，此時(shí)橋殼疲勞性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，因此需要得到修復(fù)[1]。

2后驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)汽車后驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為了提升橋殼疲勞性能，主要針對(duì)其剛度與強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。在橋殼剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)部分，首先依照單倍滿載軸荷進(jìn)行計(jì)算，得到橋殼垂向工況當(dāng)中受載荷后的位移量，其次依照標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)橋殼在受載荷條件下的位移量?jī)?yōu)化值，即單倍滿載軸荷下的每米不可大于0.7mm/m，設(shè)計(jì)上依照優(yōu)化值對(duì)橋殼厚度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后厚度大于原有設(shè)計(jì)0.3mm，理論上可提升橋殼剛度；在橋殼強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)部分，首先在2.5倍滿載軸荷條件下對(duì)橋殼應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示橋殼在受載荷條件下其最大綜合應(yīng)力不能超過材料的抗拉應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)當(dāng)中考慮到綜合應(yīng)力不可控特征，對(duì)材料進(jìn)行了更換，使材料抗拉強(qiáng)度提升，理論上可滿足計(jì)算結(jié)果要求。此外，在結(jié)構(gòu)部署上也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在鋼板板簧的表面節(jié)點(diǎn)處，對(duì)載荷分布進(jìn)行了調(diào)整，且約束輪距位置，對(duì)輪距一端移動(dòng)自由度進(jìn)行全約束設(shè)計(jì)，另一端則完全放開移動(dòng)自由度約束[2]。2.2優(yōu)化分析。為了校驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，下文將進(jìn)行相關(guān)分析，分析主要分為三個(gè)步驟，即橋殼剛度與強(qiáng)度分析、優(yōu)化橋殼模態(tài)分析、驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能分析，各步驟具體內(nèi)容見下文。2.2.1橋殼剛度與強(qiáng)度分析。優(yōu)化前后的橋殼剛度分析結(jié)果顯示，首先在優(yōu)化前，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直工況中，其受到單倍載荷的最大垂直位移量數(shù)據(jù)為1.080mm、每米輪距的變形量為0.58mm，其次在優(yōu)化后，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直工況中，其受到單倍載荷的最大垂直位移量數(shù)據(jù)為1.092mm、每米輪距的變形量為0.59mm，通過對(duì)比可見，在受載荷條件下橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)后的剛度滿足要求，且優(yōu)于優(yōu)化設(shè)計(jì)前，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)有效；優(yōu)化前后的橋殼強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，首先在優(yōu)化前，于2.5倍滿載軸荷條件下，垂直工況驅(qū)動(dòng)橋橋殼的最大強(qiáng)度應(yīng)力分別為346.2~346.9MPa，對(duì)比于材料拉伸強(qiáng)度，不滿足“最大綜合應(yīng)力不能超過材料的抗拉應(yīng)力”的要求，其次優(yōu)化后垂直工況驅(qū)動(dòng)橋橋殼的最大強(qiáng)度應(yīng)力平均降低了52MPa，滿足以上要求。2.2.2優(yōu)化橋殼模態(tài)分析?？紤]到實(shí)際工況中存在不可控因素的影響，針對(duì)優(yōu)化前后橋殼進(jìn)行了模態(tài)分析，主要檢驗(yàn)優(yōu)化前后后驅(qū)動(dòng)橋橋殼對(duì)不可控因素的抵抗能力，如果優(yōu)化后抵抗能力良好則代表其疲勞性能提升。取實(shí)際工況中橋殼與路面顛簸可能產(chǎn)生共振的因素來進(jìn)行分析，通過仿真軟件進(jìn)行了六階段模態(tài)，模態(tài)數(shù)據(jù)見表1。表1優(yōu)化橋殼1-6階段模態(tài)數(shù)據(jù)階段表1可見，因?yàn)楸驹囼?yàn)中汽車在路面顛簸時(shí)，其后驅(qū)動(dòng)橋橋殼受到的垂直振動(dòng)頻率為0~50Hz，所以對(duì)比與表中數(shù)據(jù)，橋殼在優(yōu)化設(shè)計(jì)后于六階段模態(tài)中的固有頻率超過垂直振動(dòng)頻率，且具有較大差距，說明橋殼不易與路面顛簸工況發(fā)生共振，疲勞性能在穩(wěn)定性上有良好表現(xiàn)，證實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)有效。2.2.3驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能分析。以上兩個(gè)步驟主要校驗(yàn)了后驅(qū)動(dòng)橋橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的疲勞性能剛度與強(qiáng)度、穩(wěn)定性，但考慮到長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作下的工況，有必要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能分析，確認(rèn)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后橋殼長(zhǎng)時(shí)間工況的疲勞性能變化曲線。長(zhǎng)時(shí)間疲勞性能變化曲線參考S-N曲線進(jìn)行設(shè)置，在該曲線理論下對(duì)優(yōu)化后的橋殼材料、半軸管套材料進(jìn)行了試驗(yàn)，得到兩者疲勞性能曲線。根據(jù)曲線進(jìn)行計(jì)算可知，橋殼材料相關(guān)參數(shù)為8SRI=930MPa，b=-0.084，NC1=1.8e；半軸管套的軸截距及斜率分別為8SRI=4177.74MPa，b=-0.125，NC1=5e[3]。依照原有設(shè)計(jì)中的仿真實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)橋殼鋼板彈簧施加垂、縱、橫正弦波載荷，載荷頻率為5Hz，結(jié)果顯示驅(qū)動(dòng)橋殼在優(yōu)化設(shè)計(jì)后，于下過渡面受拉應(yīng)力的位置最先出現(xiàn)疲勞破壞，此時(shí)停止仿真，從數(shù)據(jù)上可見，該橋殼斷裂現(xiàn)象發(fā)生在載荷反復(fù)運(yùn)行第150.4萬次，說明其抗疲勞性能超過原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的40萬次。另外，為了得到實(shí)際測(cè)驗(yàn)結(jié)果，依照《汽車后橋殼臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行了后驅(qū)動(dòng)橋殼實(shí)際垂直彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)采用液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，施加與原有設(shè)計(jì)相同的垂、縱、橫載荷，以5Hz頻率運(yùn)行，結(jié)果見表2。表2可見，在實(shí)際試驗(yàn)中后驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞性能均值為144.17萬次，雖然低于仿真實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但也達(dá)到了100萬次以上，同樣超過原有設(shè)計(jì)的40萬次，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)有效。

3結(jié)語

本文主要對(duì)疲勞性能基礎(chǔ)下的后驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了分析，分析中首先對(duì)某皮卡汽車后驅(qū)動(dòng)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行了疲勞性能仿真分析，結(jié)果顯示疲勞性能不滿足現(xiàn)代汽車后驅(qū)動(dòng)橋標(biāo)準(zhǔn)，主要問題在于驅(qū)動(dòng)橋橋殼缺陷。其次針對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果可見，在各仿真分析步驟當(dāng)中優(yōu)化后橋殼優(yōu)于原有設(shè)計(jì)，且滿足標(biāo)準(zhǔn)，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)有效。最后進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)，結(jié)果顯示，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果雖然低于仿真結(jié)果，但疲勞性能同樣遠(yuǎn)超原有設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)。

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作者:吳國(guó)華 單位:江西江鈴底盤股份有限公司