汽车驱动桥壳发展现状及其研究缺陷

郭 强 郑燕萍

(南京林业大学汽车与交通工程学院， 南京 210037)

1 驱动桥壳的发展现状

驱动桥壳是汽车总成中的主要承载件之一[1-2]，它既是传动系的组成部分，也是行驶系的组成部分。 驱动桥壳分为分段式桥壳、组合式桥壳、整体式桥壳[3]。

分段式桥壳一般分为2段，因而易于铸造加工；但检修及拆卸很不方便，而且桥壳的强度和刚度比较低，过去主要用于轻型商用汽车，目前较少采用。

组合式桥壳的铸件尺寸较小，因此桥壳质量较轻；但它还不具备将主减速器及差速器总成调整好后再装入桥壳的优势，而是需要边安装边调整。组合式桥壳对加工精度的要求较高，其整个桥壳的刚度与整体式相比较差[4]。

整体式桥壳使用较广泛。整体式桥壳具有较高的强度和刚度，便于主减速器的装配、调整和维修；但其形状复杂，应力计算相对较困难[5]。整体式桥壳按照成形方式又可分为铸造桥壳、冲焊桥壳、机械胀形桥壳和内高压成形桥壳，各有其优缺点(见表1)[4]。

表1 各类整体式桥壳的对比

早期的中重型车以铸造桥壳为主。铸造桥壳可以保证足够的壁厚和承载能力，但缺点是自重较大，而且常会出现制造砂眼等问题。2002年，一汽集团开始在中重型车中采用冲焊桥壳。与铸造桥壳相比，冲焊桥壳具有重量轻、工艺性好、成形效率高、成本低等优点。冲焊桥壳的热成型不仅有效降低了成形力，而且基本解决了回弹问题，使产品质量得到很大提升。但一些卡车制造商已经开始采用抗疲劳性能更好的管坯胀形桥壳[6]。

在关于驱动桥壳强度和刚度考核的研究中，以往我国主要采用台架试验和整车行驶试验的方法，或采用在桥壳上贴应变片的电测方法。但这些方法都是在有桥壳样品的情况下才能采用[7]，研究成本较高。为了节约研发成本，目前国内很多桥壳生产厂家依照经验来修改主要部件的参数，往往只校核一般静态工况下的强度、刚度，对动态特性的研究较少。汽车实际行驶中的工况比较复杂，驱动桥需要承受各种复杂工况所产生的动态载荷，而这些动态载荷所产生的动应力往往比静态应力高出很多倍；因此，动态荷载才是真正导致桥壳破坏的危险因素[8]，按照经验修改参数的方法存在较大局限性。随着汽车智能化技术的发展，人们对汽车的舒适性、安全性要求也不断提高。国内外汽车专业研究人员投入了大量的时间和精力来分析研究驱动桥壳总成，研究新材料、创新结构、改进工艺等，并取得了阶段性的成果。研究中主要运用了有限元法，提高产品的设计质量，缩短开发周期，降低成本[9]。

2 驱动桥壳的研究缺陷

根据汽车设计理论，传统的驱动桥壳设计方法包括分析模型简化法、图解法、实验法等。这些方法主要是将桥壳简化成一简支梁并校核典型计算工况下的特定最大应力值，再考虑一个安全系数来确定许用的工作应力[10]。这些方法均存在一定缺陷[11]。许多厂家在实际设计过程中，往往只是根据经验和类比，设计出汽车驱动桥壳，然后进行试产，并通过驱动桥壳台架试验对设计方案进行修正。这是一个反复修改和调整的过程，费时费力[12]。目前国内驱动桥壳制造工艺技术水平仍相对较低，零件材料性能、制造工艺水平不足，存在整体重量与体积较大、可靠性差、使用寿命短等缺陷，而且用于指导生产的设计理念较滞后。国内研究设施相对落后，科研力量较弱[13]。同时随着整车性能的不断提高，市场对包括驱动桥壳在内的各总成要求也逐渐提高。特别是对于重型卡车而言，大吨位和复杂路况都对桥壳的性能提出了挑战，其动态性能的优劣直接影响整车的安全性、舒适性及平稳性[14-15]。驱动桥壳设计缺陷体现在以下几方面。

2．1 桥壳的CAE建模方面

为了便于进行有限元分析，目前桥壳CAE建模时将驱动桥壳和半轴套管视为一个整体，将冲压部分的桥壳看做是均匀、等厚的[16]。将实体模型导入有限元分析软件中，选用具有较高刚度及计算精度的四面体单元对整体进行网格划分[17]；为了提高计算速度，也可将非承载部件采用六面体单元划分网格。这些均匀等厚模型以及网格划分的建模方法，并没有考虑到实际冲压工艺过程和焊缝精度对桥壳性能的影响，因此对桥壳的分析存在局限性。

2．2 桥壳的性能分析方面

传统的桥壳性能计算方法中，只能计算出某一断面的应力平均值，而不能完全反映桥壳上应力及分布的真实情况。目前主要以CAE分析为基础，结合动力学分析开展车桥机械部分的力学分析。使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析，只要模型简化得当，受力约束处理合理，就能得到比较详细的应力与变形分布情况，这些是传统计算方法难以实现的[18]。郑燕萍曾以南京车桥厂的驱动桥壳为例，对传统研究设计方法和有限元研究设计方法的强度计算结果进行比较，验证了有限元设计方法的简便实用性[19]。但在疲劳寿命分析中，由于材料在焊接过程中受热较强，材料焊缝处的分子结构会产生相应变化，从而失去原有材料状态致使材料强度降低[20]，因此在焊缝处易出现脱焊开裂、变形、疲劳性能差等问题[21]。关于焊接工艺对桥壳疲劳寿命的影响，在目前桥壳性能研究中并未考虑到。

2．3 桥壳的工艺设计方面

目前关于驱动桥壳的组成及生产桥壳的各种工艺设计，已有大量详细的研究；但在驱动桥系统开发方面，研究者往往只是关注其中某类零部件的设计要求，未予整体考虑。在面向网络环境下的电动车桥集成设计技术研究中，针对电动车桥总成件的自动装配、装配体的有限元分析及动力学仿真的集成设计技术的研究成果还未见到。另外，冲压加工、焊接工艺、保护工艺、桥壳模具等方面的研究很多；但这些都是从单方面的工艺来进行分析，并没有充分考虑冲压工艺、焊接质量这一完整的制造工艺过程对桥壳性能的影响。

3 结 语

目前国内外汽车驱动桥壳研究取得了很大的成果，但桥壳设计方面还存在很多缺陷。无论从传统研究方法的不确定性，到目前有限元方法研究的局限性，还是从CAE建模、性能分析到工艺设计方面研究等方面都存在不同程度的缺陷。若仅从单一工艺角度来进行分析，无法满足整体设计的精度要求。今后的研究重点应该是寻求考虑复杂因素分析的设计方法，以提升桥壳制造工艺的准确性。

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