驱动桥壳一体化结构和制造技术研究现状及发展趋势(上)

2023-02-07岳峰丽孙小婷沈阳理工大学汽车与交通学院

锻造与冲压 2023年2期

文／岳峰丽，孙小婷·沈阳理工大学汽车与交通学院

陈大勇，宋鸿武，徐勇，张士宏·中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心

我国于2020 年提出的“双碳”目标，是我国应对气候变化的重要措施之一。其中，汽车降低碳排放对于温室气体减排起着关键的作用，同时也兼具了提高能源利用率以达到节约能源的作用。随着我国“双碳”政策的不断深入实施，交通运输行业面临巨大的控制能源消耗的压力，其中轻量化仍然是汽车行业现在乃至将来实现“双碳”目标较为理想的举措。轻量化作为汽车节能减排以及性能改善的有利措施，正受到汽车制造企业、汽车行业、政府部门越来越多地重视。目前，汽车轻量化主要有三种实现途径，包括优化结构、轻质材料、新型工艺等都可以达到最大限度降低整车质量的目的，而不影响汽车使用过程中的各项性能指标。

作为车辆重要传动和承载构件的驱动桥壳，其结构关系到车辆的可靠性和耐久性，甚至直接影响车辆使用过程中车载人员的安全。所以，为确保车辆的可靠性、耐久性以及使用过程中的安全性，设计驱动桥壳时不仅要充分保证其强度和刚度良好，还应考虑到经济因素以及轻量化的要求。即使在新能源汽车迅猛崛起的现阶段，驱动桥壳作为必备构件，仍然具有不可替代的地位。在新的时代背景下，对驱动桥壳的重量、产品质量、服役性能等提出越来越高的要求。如何满足新形势下驱动桥壳的轻量化、高精度、高性能的成形需求，已经成为各个零部件供应商及相关科研院所关注和研究的重点。为了对驱动桥壳成形工艺的现状和未来发展趋势有更好地把握，本文针对汽车驱动桥壳成形工艺的历史、发展和现状，对近十年有关汽车驱动桥壳轻量化相关的文献进行了梳理和归纳，主要介绍了驱动桥壳的结构及演变、一体化桥壳设计及优化研究进展、一体化桥壳的制造工艺、未来发展趋势等相关内容。

驱动桥壳的结构

承载整车重量是汽车驱动桥壳的基本功能，并且驱动桥壳可以保护差速器、半轴和主减速器等零件不受损伤，此外还承受着路面给予车轮的反力和反力矩，并经悬架传递给车身。由于实际行驶过程中受力复杂，所以驱动桥壳需具有良好的强度、刚度和疲劳寿命，并且为了车辆行驶的平顺性，而尽可能地减小其自身重量。根据结构特点不同，驱动桥壳的结构形式可分为下列三种。

分段式桥壳

分段式桥壳的结构又分为两段可分式和三段可分式，该桥壳结构的各个部分通过螺栓连接起来，所以易于制造加工。但使用过程中若进行维修、拆卸及调整都极为麻烦，而且该类型桥壳的强度、刚度等力学性能的表现情况也不尽理想，过去也只是用于轻型商用汽车，如今已很少在车辆上使用。

组合式桥壳

组合式桥壳是由几部分壳体与钢管铸造成一体的，对加工过程精度要求较为严格，具有质量轻、精度高等特点。但缺点也比较明显，该类型桥壳的刚度性能较差，所以主要在微型汽车、轿车和轻型载货汽车上使用。

由于在车辆的使用过程中存在着检查、维修和更换不方便等情况，所以上述两种结构的桥壳目前已经很少在车辆中使用，而一体化结构桥壳即整体式桥壳得到了较为广泛的使用。

整体式桥壳

整体式桥壳强度、刚度等力学性能较高，得益于此，主减速器等零件在车辆使用中便于拆装和调整，因此近年来该类型桥壳被广泛使用。与前面介绍的两种桥壳类型相比，虽然整体式桥壳的力学性能更好，但由于本身的结构复杂，所以进行应力、模态求解分析过程较为复杂。近年来，越来越多的研发人员利用有限元仿真对桥壳进行计算分析和结构优化。西安石油大学周裕民等人在有限元分析软件的帮助下，在典型工况下对驱动桥壳进行相关的仿真分析，获得了满足强度、刚度条件的驱动桥壳结构，为企业研发新产品提供了理论基础；河南工程学院郭冬青等人以公共交通车辆驱动桥壳作为参考目标，使用有限元软件分析了三种典型工况下桥壳的受力与位移情况，并分别进行了桥壳的约束、自由模态分析，得出分析结果以验证该车型桥壳结构的合理性。

一体化桥壳设计及优化研究进展

随着有限元模拟方法的成熟发展，驱动桥壳的设计行业也普遍应用该方法进行桥壳零件的静力学、模态分析等过程。除此之外，还可以设计多种方案进行仿真模拟，在满足静力要求的前提下，为桥壳零件的结构优化提出合理的修改措施。

桥壳断裂失效研究

桥壳零件在实际使用时的受力情况较为复杂，不仅要承受弯矩、扭矩的作用，还有在某些工况下来自地面由车轮传至桥壳零件的冲击载荷。根据经验可知，桥壳零件的寿命与其所承受的平均应力数值大小息息相关，且受到的冲击载荷应力幅和循环次数越高，寿命就越小。所以，桥壳零件在车辆使用过程中避免不了冲击载荷的作用，极易在所受载荷较大的区域产生裂纹，并在循环疲劳载荷的冲击下逐渐扩大，最终导致桥壳零件疲劳断裂。

目前工程中应用的疲劳分析方法有E-N 局部应变法、LEFM 疲劳裂纹扩展法及S-N 名义应力法。E-N局部应变法是将裂纹萌生寿命和扩展寿命相加得出总寿命的一种估算方法，多用于高应力低周疲劳寿命的预测，具有很强的理论性，但在实际应用中需考虑平均应力、零件表面的工艺及表面粗糙度等很多不确定因素的影响。LEFM 疲劳裂纹扩展法主要适用于对于零件结构的损伤容限，以及大型零件结构基于线弹性断裂力学进行疲劳裂纹扩展的分析。而S-N 名义应力法在分析时数据获取容易，在工程中实施性高，相较于上述的E-N 局部应变法，此方法适用于低应力高周疲劳寿命预测。

合肥工业大学刘为等人运用有限元分析软件对某轻型货车驱动桥壳进行静力学校核和模态分析，仿真结果显示该桥壳具有较好的强度、刚度，进而开展了桥壳的疲劳寿命分析，寻找该桥壳相对危险的位置区域；吉林大学李玲玉等人运用有限元仿真分析，得出某装载机驱动桥壳的强度和刚度，通过计算结果得到了该桥壳各区域的应力、位移变化情况，明确了危险区域的位置，并结合名义应力法的疲劳损伤累计理论，使用有限元软件进行了桥壳寿命的估算。在桥壳设计的研发阶段对其进行疲劳寿命分析，可以减少产品的研发周期和试错成本，同时也为后期桥壳的结构优化打下坚实的基础；武汉理工大学潘运平等人针对某款驱动桥壳出现早期疲劳断裂问题，运用有限元分析桥壳的疲劳寿命，获得桥壳零件的S-N曲线如图1 所示。

图1 S-N 曲线

郑州科技学院杨晓娜等人根据某轻卡驱动桥壳持续工作导致易变形断裂的情况，利用有限元仿真对该驱动桥壳进行自由模态分析，计算出自由模态下该轻卡驱动桥壳的振动频率，这也有助于指导后续的结构优化。

桥壳结构设计及优化研究

桥壳的结构优化是采取系统的、目标定向的流程与方式而非传统设计方法，旨在以经济且满足要求的桥壳结构保持车辆使用过程中的良好状态。由于管坯壁厚存在一定偏差，在液压成形过程中，容易出现管坯的变形量不均衡。若要桥壳实现结构优化，则需要桥壳零件的强度、刚度性能良好且存在较大优化空间，需保证在各个工况下桥壳的最大位移量小于台架试验要求，受到的最大应力远小于桥壳材料的屈服强度。

李志虎通过有限元仿真软件对壁厚5mm 的驱动桥壳进行分析计算，获取驱动桥壳所受最大应力的区域，结合驱动桥壳垂直刚度试验，采用拓扑优化进行设计，驱动桥壳结构优化前后的应力云图分别如图2、图3 所示，减轻了驱动桥壳的质量，同时提高了汽车的动力性和燃油经济性。

图2 桥壳结构优化前应力云图

图3 桥壳结构优化后应力云图

山东大学崔岩岩等人利用有限元分析软件计算出该车型驱动桥壳的应力、应变云图，在保证桥壳整体性能良好的基础上对其进行优化处理，从而减轻桥壳重量。杨靖丞等通过将最优参数组导入数值模拟软件来优化工艺参数，而之后应用于仿真分析和试验的成形工艺取得良好的效果，这说明了参数组寻优的准确性、数值仿真分析的过程可行性，进一步保证了准确的优化结果，如图4 分别表示仿真结果与成形试验结果。