轻型汽车驱动桥建模与模态分析

胡铁牛

（河北省交通职业技术学校，河北 石家庄 052100）

随着社会经济的繁荣发展及汽车产业的壮大，我国汽车拥有量越来越多.大力发展汽车工业成为必然趋势.汽车驱动桥是汽车的重大总成，在整车中十分重要.它承载着汽车的满载簧载重量及地面经车轮、车架及承载式车身经悬架给予的铅垂力、纵向力、横向力及其力矩，以及冲击载荷；驱动桥还传递着传动系中的最大转矩[1].同时，桥壳还承受着反作用力矩.汽车驱动桥的结构型式和设计参数不仅对汽车的可靠性与耐久性有重要影响外，还对汽车的行驶性能如动力性、经济性、平顺性、通过性、机动性和操动稳定性等有直接影响.设计一种结构简单、工作可靠、造价低廉的驱动桥壳，能降低整车生产的总成本，提高我国汽车的竞争力.

在汽车设计中，将驱动桥壳视为简支梁，基于几种特定工况，对几个关键截面进行应力值校核，并根据选定的安全系数来确定工作应力[2].而且多采用图解法，其计算精度比较低，费时费力，局限性大.如能将模块化、参数化建模及计算机可视化技术用于汽车驱动桥设计中，再以有限元为工具进行满载荷力学分析、模态分析和参数化结构优化，会大大提高车辆驱动桥壳结构的设计水平.

本文以轻型货车的后驱动桥壳（满载后轴重为5.5 t，簧距880 mm，轮距1 540 mm，板簧座表面面积7 000 mm2，桥壳本体材料选用09siVL钢板）为例，对其进行了建模分析研究，取得了满意的效果.

1 驱动桥总成简介

汽车驱动桥位于传动系的末端.其基本功用首先是增扭，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，并将转矩合理的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等[3].驱动桥一般由主减速器，差速器，车轮传动装置和桥壳组成.

驱动桥壳大致可分为可分式、整体式和组合式3种形式.本文以整体式桥壳为例进行研究.

2 驱动壳三维建模

本文基于UG软件对壳体进行了实体参数化建模，构造出零件内各特征之间的相互拓扑关系.通过设计时设定的关联参数，实现了部件间的关联改变.设计过程采用自顶向下(Top-Down)原则.然后以无缝链接方式导入有限元软件进行机构运动分析、模态分析和实验仿真[4-5].

根据关键参数和UG/WAVE技术建立起零部件之间的几何和位置的相关性[6].其参数化模型如图1所示.

图1 建立的驱动桥壳实体模型Fig.1 The solid mode1 of drive axle housing

在完成实体建模后，在有限元软件中构建了力学分析模型，首先根据有限元建模策，对原部件进行了主从分析，删除了对变形影响小的微细结构；然后根据工程经验以函数形式进行了网格划分，添加了约束条件；最后根据工况添加了接点载荷.

3 桥壳有限元静力学分析及模态分析

3.1 静力学分析

本文采用的桥壳数据：驱动桥满载后轴重5.5 t，簧距880mm，轮距1540mm，板簧座表面面积7000mm2，桥壳本体材料为09siVL-8.为保证后桥设计的可行性和工作的可靠性，对其在实际工况下的应力分布、变形等进行了校核.主要包括：1）汽车后桥壳体在垂直方向受力弯曲时力学性能的计算；2）后桥总成在不同工况下动力学析，后桥壳总成的固有频率及振型的分析计算.

根据工程经验，垂直载荷均取桥壳满载负荷的2.5倍，即9.625 MPa.

计算桥壳的垂直弯曲刚度和强度的方法是将后桥两端约束，在弹簧座处施加载荷，对桥壳两端实施全自由度约束.

基于上述有限元模型，以NASTRAN软件为工具，对桥体总成2.5倍满载荷条件下的力学特性就能行了分析解算.分析得到的结果如图2、图3所示.

有限元分析结果表明：汽车驱动桥体在垂直方向的最大位移量仅为2.3mm，满载下最大应力面位于半轴套管受约束位置，最大应力值为644 MPa，轮距的单位长度变形量为1.493 mm/m，优于国家标准规定的指标.

3.2 模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，利用有限元对驱动桥壳进行模态分析，可得出各振型的固有频率，对驱动桥壳的设计和制造有很大的指导意义.

图2 满载荷条件下的位移云图Fig.2 Displacement under the full load

图3 满载荷条件下的应力云图Fig.3 Stress under the full load

表1 驱动桥壳体固有频率Tab.1 Natural frequency of Drive axle housing

本次设计利用 UG NASTRAN软件分别对厚度为8mm、7 mm、6 mm的驱动桥壳进行模态分析，得出了10阶约束模态振型，固有频率结果如表1（单位Hz）.

从表1可以看出，在厚度降低时，桥壳的低阶固有频率是在不断地增加的，说明降低桥壳的厚度可以提高其低阶固有频率，从而提高桥壳刚度.

部分振型如图4、图5.

图4 1阶模态云图Fig.4 The first modal Nephogram

图5 2阶模态云图Fig.5 The second modal Nephogram

3.3 驱动桥壳的优化

驱动桥壳的优化设计是以重量最小化为定义目标，定义约束为许可应力.把桥壳厚度定为设计变量[3]，其最大值定为8mm，最小值定为6mm，然后利用UG电子表格，绘制优化图，选出最优值.

经过迭代计算，得到一个最优点，即在接近7mm壳厚时，驱动桥壳也满足强度和刚度要求.

综上分析，桥壳本体厚度从8mm降到了7mm，不仅在质量上实现了轻量化，而且也满足驱动桥壳强度和刚度的要求.

图6 桥壳优化图Fig.6 Optimization parameters of axle housing

4 结论

本文构建了轻型汽车驱动桥壳三维模型，并利用UG NASTRAN软件对驱动桥壳进行了2.5倍满载轴荷下的垂直弯曲强度和刚度的计算，进行了模态分析和参数化结构优化，最后得出了不同厚度下驱动桥壳的各阶固有频率，确定了最优的驱动桥壳厚度.

[1]周中坚，卢耀祖.机械与汽车结构的有限元分析 [J].同济大学学报，1997，28（3）：42-46.

[2]王斌.汽车驱动桥桥壳结构强度与模态的有限元法分析 [J].合肥工业大学学报，2008，34（4）：24-28.

[3]朱峥涛，丁成辉.不同厚度驱动桥桥壳有限元分析 [J].现代制造工程，2006（11）：55-58.

[4]郑燕萍.汽车驱动桥壳的有限元动态分析 [J].林业机械与木工设备，2004，32（11）：21-24.

[5]郑燕萍，羊玢.汽车驱动桥壳台架试验的有限元模拟 [J].南京林业大学学报：自然科学版，2004，28（4）：50-53.

[6]苏恩生.汽车驱动桥壳的有限元建模与分析 [J].吉林大学学报，2005，42（5）：43-46.