某车型桥壳结构性能分析及轻量化方案设计

朱华宇 罗俊华 潘勇才 梁程华

摘  要：为了在不降低安全性能的基础上完成轻量化指标，采用有限元仿真技术对某车型桥壳结构性能进行分析，包括模态分析、强度分析，并根据桥壳结构应力随材料厚度、强度的变化规律提出该桥壳轻量化选材方案，即选材由原来的5.0 mm-SAPH440优化为4.0 mm-P590QK，此时桥壳的疲劳强度后备系数指标及刚度指标均满足标准要求，静强度后备系数略低于标准要求，但由于材料实物强度均高于理论计算时采用的最低值，故其静强度后备系数能够满足实际要求.现场冲压试验及台架性能检测结果表明，4.0 mm-P590QK桥壳成形性及结构疲劳、刚度、强度等性能均达到了设计要求.本方案使桥壳零件减重20%，达到了轻量化指标.

关键词：桥壳;轻量化;性能分析;选材;有限元仿真

中图分类号：U463.218.5          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.014

0    引言

随着我国“蓝天保卫战”战略的深入推进，汽车排放标准升级、油耗限值、一超四罚等政策陆续出台，国家对汽车超重超载等问题的治理越来越严格.目前，汽车轻量化因其有利于提高汽车有效负载能力，节能减排，安全环保，已成为行业发展的重要趋势.为了实现整车轻量化的总目标，各零部件均需承担相应的减重指标.桥壳是汽车后驱设计中的主要承载构件之一，承载了主减速器、差速器的重量以及大部分减震弹簧以上的载荷，同时还保护传动系统中的各部件，要求材料强度高、成形性好并具有优良的焊接性能[1-3].桥壳设计研究方法主要有实验法、经验法以及有限元仿真法等3种，由于计算机软硬件技术的迅速发展，有限元仿真方法逐渐被大量的研究者采用.国外在 20 世纪 70年代前后，就开始将有限元法应用于汽车的驱动桥壳设计方面，如美国机械研究所及万国汽车公司，都曾利用有限元法对桥壳结构强度进行计算分析[4].近年来国内学者在不同种类的桥壳强度校核分析方面取得了多项成果[5-11]，但目前的研究成果多是校核桥壳强度，验证结构性能[12-13]，而对一定加载条件下桥壳结构受力与材料厚度、强度之间的变化关系则研究较少.本文对某车型桥壳结构性能进行了仿真分析，在兼顾桥壳轻量化和安全性的基础上，根据结构性能随材料厚度、强度的变化趋势提出了该桥壳轻量化选材方案，并进行了冲压生产试验验证.

1    模型建立与受力分析

1.1    有限元模型及分析计算条件

所有零件都采用壳单元离散，并尽量采用四边形网格单元.焊点采用spot单元连接，螺栓连接采用rb2刚性连接.该桥壳有限元模型基本数据如表1所示，最终建立的有限元模型如图1所示.

完成建模后，对桥壳结构中的材料定义基本属性，见表2.

1.2    桥壳原结构性能分析

1.2.1    桥壳模态分析

模态分析的目的是了解桥壳总成结构的固有频率及振动型式是否合理，为结构动态特性的评价提供参考.

此处分析该桥壳结构的自由模态，加载工况为无约束.鉴于对车身的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，本文只列出了刚体模态前四阶频率及振型.桥壳结构的固有频率如表3所示.

该桥壳前四阶模态振型如图2所示.

由表3及图2可知，该桥壳的结构振频较高，刚性好，结构有限元模型良好，没有明显影响计算结果的问题.

1.2.2    桥壳强度分析

材料：厚度为5.0 mm的SAPH440.

约束：左端是铰链约束（可绕Z轴旋转，约束3个位移+2个旋转），右端是“小车+铰链”（可绕Z轴旋转及X轴伸缩，约束2个位移+2个旋转）.

加载：以直接载荷加载的方式加载到两端的板簧坐板上，后桥满载轴荷1 070 kg.在桥壳结构两端板簧位置处各施加5 350 N载荷（1 070×10÷2=5 350 N）.

约束和施加载荷情况如图3所示.

5.0 mm-SAPH440橋壳在加载载荷下的位移云图见图4.

由图4可知，桥壳在满载载荷条件下，最大位移出现在结构中间部位，最大位移为0.438 mm.

桥壳应力分布云图如图5所示，最大应力集中在桥壳与板簧坐板连接部位.通过图5可知，5.0 mm厚度桥壳此时最大应力值为71.875 MPa（焊点附近）.

1.3   桥壳位移及应力与材料厚度的关系

为了确定合理的轻量化方案，首先考察相同加载及边界条件、不同材料厚度下的桥壳结构性能变化情况.依次取材料厚度为5.0 mm、4.8 mm、    4.6 mm、…、3.2 mm，其他条件不变，桥壳结构最大位移及最大应力计算结果如表4所示.

根据表4中的数据绘制出该桥壳最大位移及最大应力随材料厚度的变化趋势图，如图6、图7所示.

由图6、图7可知，相同边界条件下，桥壳的最大位移、最大应力均与材料厚度基本上成反比关系，变化曲线比较光顺，没有突变点.

2    桥壳结构性能评价指标及轻量化

方案设计

2.1   桥壳结构性能评价指标

根据《QC/T533—1999汽车驱动桥台架试验方法》，桥壳结构性能评价指标如下：

1）强度评价指标：

静强度后备系数 = 抗拉强度/满载应力[>]6.00，

疲劳强度后备系数 = 屈服强度/2.5倍满载应力[>]1.40.

2）刚度评价指标：

轮距变形量[≤]1.500 mm/m.

由表4可知，即使材料厚度减薄为3.2 mm，当前模型条件下该桥壳的最大位移仅为0.713 mm，故该桥壳的结构刚度足够.本文主要考察不同材料厚度下的桥壳强度指标.

根据表4中的数据，该桥壳要满足静强度后备系数[>]6.00、疲劳强度后备系数[>]1.40，则不同厚度材料的最小屈服强度及抗拉强度理论上应该满足  表5.

當前桥壳选材为5.0 mm-SAPH440，该材料屈服强度为300～350 MPa，抗拉强度为不低于440 MPa，由表5可知该材料满足QC/T533—1999标准中规定的桥壳静强度后备系数及疲劳强度后备系数要求.

制定桥壳轻量化方案时，材料的屈服强度、抗拉强度应该满足表5中的要求.

2.2    桥壳轻量化方案设计

为了将对现场的影响降到最低限度，本次轻量化方案设计主要集中于上下半桥壳及4块连接板组件，如图8所示.

根据表5中的计算结果，设计该上下半桥壳及4块连接板组件轻量化方案（表6）.

由表6可知，所设计的轻量化方案的疲劳强度后备系数超过了标准要求（[>]1.40），而静强度后备系数略低于标准要求（[>]6.00），但由于计算静强度后备系数时采用的抗拉强度值是材料的最低值，而材料实物的抗拉强度一般比最低值高出20 MPa以上，故该方案的静强度后备系数是能够满足实际需要的.

当桥壳厚度为4.0 mm时，其最大位移位置如图9所示，与图4相比最大位移位置没有发生改变，仍然是集中在桥壳结构的中部，但最大位移为0.557 mm.

4.0 mm厚度桥壳应力分布如图10所示，与图5相比位置没有发生改变，最大应力集中在桥壳与板簧坐板连接部位，但最大应力为103.851 MPa（焊点附近）.

4.0 mm厚度桥壳前四阶模态振型与图2所示基本一致，但是固有频率数值略有下降.该桥壳结构的自由模态前四阶固有频率如表7所示.

汽车受到的激励频率一般为几赫兹到几十赫兹.由表7可知，由于频带范围远离激励频率，该轻量化桥壳结构不会发生共振现象.

3    轻量化桥壳生产验证

3.1   轻量化桥壳冲压成形性验证

采用本文所推荐的桥壳轻量化方案（见表6），现场采用4.0 mm-P590QK材料冲压出了某车型驱动桥桥壳（见图11），零件成形合格，表明P590QK材料成形性能良好.

3.2   轻量化桥壳台架试验验证

根据QC/T533—1999《汽车驱动桥台架试验方法》中的相关标准，在典型桥壳结构性能检测平台上（图12）开展了某驱动桥P590QK材料桥壳性能检测试验.该桥壳的垂直弯曲疲劳性能、弯曲静刚度、弯曲静强度等指标的检测结果见表8—表10.

由表8—表10可知，该桥壳结构垂直方向的弯曲疲劳性能、弯曲静刚度、弯曲静强度等性能指标均合格，这表明所设计的轻量化方案是合理的、可行的.

4    结论

1）该桥壳选材为5.0 mm厚度SAPH440或4.0 mm厚度P590QK材料，疲劳强度后备系数指标及刚度指标均满足标准要求，4.0 mm厚度P590QK材料静强度后备系数略低于标准要求，但由于P590QK材料实物强度均高于理论计算时采用的最低值，故其静强度后备系数能够满足实际要求.

2）生产现场冲压成形试验结果及台架试验性能检测结果表明：选材为4.0 mm厚度P590QK，材料成形性能良好，零件成形合格，桥壳结构性能合格，已经在某车型桥壳上应用，这表明所设计的轻量化方案合理、可行.

3）该桥壳选材由5.0 mm厚度SAPH440优化为4.0 mm厚度P590QK，零件减重20%，2种材料价格差别只有7%～8%，因减重显著、价格差异小，故本文所设计的桥壳轻量化方案具有显著的经济效益和社会效益.

参考文献

[1]     PRABHAKAR M，PRASAD A K，PASWAN M K.Durability improvement of axle housings by compressive residual stress inducement[J].Applied Materials Today，2020，19：100584.DOI：10.1016/j.apmt.2020.100584.

[2]     王海龙，刘晓龙，张艳娥，等. 重型桥壳开发设计的若干考虑[J].汽车工艺师，2020（4）：53-55.

[3]     何甘林.关于一种卡车轻量化桥壳优化设计方法[J].低碳世界，2018（8）：299-300.

[4]     苏恩生.汽车驱动桥壳的有限元建模与分析[D].长春：吉林大学，2005.

[5]     宋晓飞，林荣会，李帅朝，等.基于OptiStruct的驱动桥壳轻量化设计[J].机械传动，2019，43（4）：83-88.

[6]     蒋捷峰，胡瑞飞，殷国富.微型车驱动桥壳不同工况下强度有限元分析[J].机械研究与应用，2017，30（6）：4-6，11.

[7]     JIA G Z，YUAN Y，WANG S H. Lightweight design of rear axle housing based on FEM[J].Engineering Solutions for Manufacturing Processes，2014，889-890：277.DOI：10.4028/www.scientific.net/AMR.889-890.277.

[8]     孙辉，王吉忠，沙德文，等.微型车驱动桥壳结构强度与模态分析[J].机械设计与制造，2011（8）：219-221.

[9]     廖抒华，陶砾莹，赵亮，等.基于ABAQUS的微型車驱动桥壳有限元分析[J].广西工学院学报，2011，22（3）：32-34，40.

[10]   周伟.某微型车驱动桥桥壳有限元分析及优化[D].成都：西南交通大学，2008.

[11]   郑慧林.基于有限元法的微型车驱动桥结构分析及疲劳寿命预测研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[12]   农天武，黄惠星，吴磊，等.基于某新能源车后排安全带固定点强度的车身局部结构优化[J].广西科技大学学报，2020，31（4）：112-117.

[13]   张炜培，范健文，华磊.分布式双电机后驱电动汽车横摆工况下转向特性研究[J].广西科技大学学报，2019，30（2）：25-29，71.

The structural performance analysis and lightweight design of

a model axle housing

ZHU Huayu1， LUO Junhua2， PAN Yongcai2， LIANG Chenghua*2

（1.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China; 2. School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： Aiming at completing the lightweight index without reducing the safety performance， the      finite element simulation is used to analyze the structural performance of the axle housing of a certain vehicle model， including modal analysis， stiffness， and strength analysis. Based on the law of strength changes， the plan is proposed for selecting lightweight material for the axle housing， that is， the material is optimized from the original 5.0 mm-SAPH440 to 4.0 mm-P590QK. At this time， the fatigue strength reserve factor index and stiffness index of the axle housing meet the standard requirements， and the