纯电动汽车一体化驱动后桥结构设计及优化分析

张汤姆

摘 要：对于车辆的整体使用寿命和使用品质而言，驱动后桥动力总成系统扮演着非常重要的角色。本研究就工信部公开的某车参数为基础，以ANSYS workbench为基础建立有限元模型，对其驱动桥壳进行不同极限工况下的仿真模拟，之后完成优化设计，以轻量化以及降低最大位移变形量为目标，桥壳相关尺寸为参数，最终实现了质量降低0.96%，最大变形值减少0.93%目标。

关键词：驱动后桥;ANSYS;workbench;仿真计算;优化

0 引言

本篇文章以市面上某款电动汽车的驱动桥为研究对象，使用ANSYS workbench对其进行有限元模型分析，证实其强度刚度等都可满足使用标准，在此基础上采取直接优化方法，制定目标函数和输入参数后实施优化，从而获得更加可靠的数据，达到了轻量化的目标。

1 有限元分析

1.1 构建车架模型及网格划分

在建立驱动桥壳的模型时，需要抹去不影响整体性能的小孔与圆角，如此可降低网格划分难度。选用的桥壳材料为45Cr合金钢，屈服应力为450 MPa，总质量为28.15 kg，对各部件材料属性设置完成后，采取网格划分，使用的是六面体网格，网格数量为27 620，节点数为119 725。

1.2 极限工况仿真分析

汽车在道路中行驶时会受到不同方向和大小的力，不过大都可以概括为四类工况，在进行计算时选用了这四类工况下的极限数值，对驱动桥桥壳进行仿真计算，获得了四类极

限工况下桥壳的应力、位移分布规律。最终的结论表明，一体化驱动桥桥壳在最大垂直力工况下桥壳中心处应力较大，为438.63 MPa;最大单位变形量是0.904 mm/m，都远低于国家标准值，所以此次研发的后桥结构满足极限工况中的应用要求，在极限状态下不会出现损伤。

1.3 疲劳寿命分析

根据汽车规定标准QCT533-1999中对驱动桥壳疲劳试验的要求，测试负载最大按照满载时的2.5倍加载，为36 kN;最小按照满载时的0.25倍加载，为3.6 kN。所得结果为在满载轴荷作用下驱动桥桥壳的最低寿命为52万次，与国家规定的最低次数50万次相比略高，所以驱动桥壳在该极限工况中的疲劳寿命仿真计算中是满足要求的。

2 优化设计

2.1 目标函数设定

经过上面的计算可以了解到，桥壳的最大应力为438.63 MPa，最大位移为1.529 2，远小于材料极限值，所以驱动桥在强度及刚度方面远超过车辆的使用要求。考虑到生产成本及耗油量等问题，在确保安全基础下可采取轻量化设计，此处可对其尺寸进行优化设计。设定输入参数为桥壳尺寸。驱动桥壳优化参数P1为桥壳中段长度;P2为桥壳厚度，P3为桥壳中间装配圆圆周，P4为桥壳中间装配圆直径，p5为套筒直径，p6为桥壳中段长度。按照此次优化的标准，设定约束区间为：

300 mm≤P1≤350 mm，6 mm≤P2≤10 mm，P3=250 mm，260 mm≤P4≤300 mm，80 mm≤P5≤85 mm，680 mm≤P6≤690 mm

取不平路面制动工况下桥壳的最大等效应力和最大变形为约束条件，以轻量化为优化目标。建立多目标优化的数学模型：

2.2 优化结果选择

在ANSYS workbench中建立优化分析模块，此模块包括：模型部分、静力学分析部分和响应优化分析部分。在上述三个模块中设定输入参数和输出参数的边界值，之后完成优化分析。得到参数的敏感图。

根据该图可以看出，桥壳凸壳处的高度p4对桥壳质量以及位移敏感度最高，而桥壳内径p5对应力影响最大，同时为负相关关系。基于此，在后桥进行设计过程中如果桥壳发生了位移变形过大或应力过大的情况，就要提高中间壳体厚度而非两端的厚度以对其实施优化。基于以上分析对桥壳进行最终的优化求解，求得轻量化模型目标函数的2个最优候选解，经综合评估后，选择其中的一组解集。最终得到优化前后的參数对比表：

可以发现，在保持驱动桥性能的基础上，其主要参数都得到了一定的优化，质量降低0.96%，最大变形值减少0.93%。完成了轻量化的目标。

3 结论

结论本文基于参数化思想，在保证整车性能的前提下，采用模块对驱动桥进行尺寸优化设计，并将优化前、后的分析结果进行对比。对比结果表明：优化后最大应力值减少7.8%;质量减轻3.9%;变形减少了8.6%，证明此次优化后的结果是可行的。

参考文献：

[1]李万历.基于Hyperworks的客车车身结构有限元分析及优化设计[D].重庆：重庆大学，2015.

[2]杨晓慧，雷金平.电动汽车驱动桥设计及疲劳寿命分析[J].2017（29）：156+159.

[3]杨丽英.汽车驱动桥总成疲劳寿命试验关键技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.