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摘要：汽車產品作為現(xiàn)代大眾交通工具，其性能表現(xiàn)一直受到廣泛重視，而后驅動橋作為汽車傳統(tǒng)系統(tǒng)中的重要組成部分，自然也得到了高度關注。后驅動橋的疲勞性能將決定汽車整個傳動系統(tǒng)運作的可靠性，而現(xiàn)代很多汽車產品后驅動橋都存在疲勞性能上的問題，因此本文出于提高汽車產品性能水平的目的，將現(xiàn)有后驅動橋設計進行分析，得出設計中影響疲勞性能的問題，再針對性的提出優(yōu)化設計策略。

關鍵詞：疲勞性能；后驅動橋；設計優(yōu)化

現(xiàn)代大部分車型中后驅動橋都是安置在傳動系統(tǒng)末端，具有對變速器的轉速、轉矩進行控制，同時將變速器動能傳遞給驅動輪的功能，這一點上可以看出，后驅動橋在汽車傳動系統(tǒng)中的重要性，當后驅動橋出現(xiàn)問題時，必然會導致汽車運行異常。而實際上，因為后驅動橋運作特征會對其造成較大損耗，所以當后驅動橋疲勞性能不佳，則代表汽車運行異常概率增大，不利于傳統(tǒng)系統(tǒng)可靠性，駕駛者將面對較高的安全風險，因此不斷提升后驅動橋的疲勞性能，是現(xiàn)代汽車產品研發(fā)中心必須攻克的問題。

1后驅動橋疲勞分析

要實現(xiàn)優(yōu)化目的，需先對后驅動橋原有疲勞性能進行分析，確認其中問題，因此下文將通過四個步驟來進行分析，即疲勞載荷生成、有限元模型建設、模型試驗方法、疲勞性能計算。1.1疲勞載荷生成。為了了解汽車后驅動橋原有疲勞性能，需要在試驗臺上先設置疲勞載荷，目的是將載荷施加于汽車后驅動橋上，進行反復運作，直至后驅動橋無法承受，根據(jù)反復測試與載荷力度綜合計算出后驅動橋的疲勞性能參數(shù)。這一基礎上，首先因為后驅動橋運作工況分為垂、縱、橫三項，所以疲勞載荷需要滿足工況要求，其次采用正弦波來實現(xiàn)載荷的規(guī)律循環(huán)，對后驅動橋反復運作，最終采用軟件記錄后驅動橋在載荷當中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，以供疲勞性能計算參考。此外，因為現(xiàn)代汽車產品的后驅動橋疲勞性能均達到了數(shù)十萬的水準，所以無法將所有數(shù)據(jù)列出，這一條件下將取4000次載荷運作數(shù)據(jù)為參考。1.2有限元模型建設。在疲勞載荷生成基礎上，采用仿真軟件建設汽車后驅動橋有限元模型，具體見圖1。考慮到不同汽車產品驅動橋之間的差異，無法將其一概而論，因此將以某普及性較廣的皮卡汽車產品驅動橋最為參照來建設有限元模型。建設當中為了保障試驗的針對性，將取出該汽車驅動橋周邊的附屬組件，例如主減速器、鋼板彈簧、車輪等，此類組件與驅動橋疲勞性能存在一定程度上的關聯(lián)，但程度較小，因此去除此類組件并不會對試驗準確性造成影響，反而在這些組件存在的條件下，會使得試驗數(shù)據(jù)模糊。驅動橋有限元模型中包含驅動橋橋殼、突緣、支架等生成有限元模型、制動盤及半軸組件，各組件在模型上進行了簡化處理，可以保障載荷傳遞。1.3模型試驗方法。結合以上兩個步驟，對汽車后驅動橋有限元模型進行三項試驗，即垂、縱、橫三項工況下的模型疲勞性能試驗。①垂向工況試驗。首先針對有限元模型中鋼板彈簧處安置座位，由此產生垂直向下的載荷，其次在半軸外側施加垂直向上的載荷，此部分試驗可以了解后驅動橋的整車垂向沖擊載荷，同時考慮到實際工況中存在慣性對載荷的影響，因此試驗系統(tǒng)將增加慣性力，可保障模型計算平衡。②縱向工況試驗。主要在垂向工況的兩個載荷生成部分，另外對輪胎接地點設置整車縱向的載荷，且同樣增加慣性力，此舉可以對整車制動載荷進行分析。③橫向工況試驗。在垂向工況第一步驟基礎上，首先對驅動橋模型的半軸外側設置整車橫向載荷，可知整車橫向沖擊載荷，其次在輪胎接地點設置整車橫向的載荷，可知整車轉向載荷，試驗中同樣增加慣性力。1.4疲勞性能計算。借助軟件當中的計算功能，對汽車后驅動橋的有限元模型進行計算，同時生成驅動橋各部位材料修整標準值。結果顯示，經過4000次的反復載荷運作，驅動橋橋殼的最大損傷數(shù)據(jù)達到了0.0057，將該數(shù)值代入各工況反復運行總數(shù)當中進行折算，可知橋殼部位的損傷數(shù)據(jù)為0.57，這一數(shù)據(jù)表面上可滿足驅動橋疲勞性能標準，但兩者之間較為接近，因此考慮到實際沖壓過程當中，驅動橋橋殼會局部變薄的特征，在運行40萬次時，該驅動橋橋殼厚度會降低15%左右，此時橋殼疲勞性能不滿足標準數(shù)值，因此需要得到修復[1]。

2后驅動橋疲勞性能優(yōu)化設計與分析

2.1優(yōu)化設計。針對汽車后驅動橋橋殼進行優(yōu)化設計，設計為了提升橋殼疲勞性能，主要針對其剛度與強度進行優(yōu)化。在橋殼剛度優(yōu)化設計部分，首先依照單倍滿載軸荷進行計算，得到橋殼垂向工況當中受載荷后的位移量，其次依照標準確認橋殼在受載荷條件下的位移量優(yōu)化值，即單倍滿載軸荷下的每米不可大于0.7mm/m，設計上依照優(yōu)化值對橋殼厚度進行了設計，設計后厚度大于原有設計0.3mm，理論上可提升橋殼剛度；在橋殼強度優(yōu)化設計部分，首先在2.5倍滿載軸荷條件下對橋殼應力值進行計算，結果顯示橋殼在受載荷條件下其最大綜合應力不能超過材料的抗拉應力，因此設計當中考慮到綜合應力不可控特征，對材料進行了更換，使材料抗拉強度提升，理論上可滿足計算結果要求。此外，在結構部署上也進行了優(yōu)化設計，即在鋼板板簧的表面節(jié)點處，對載荷分布進行了調整，且約束輪距位置，對輪距一端移動自由度進行全約束設計，另一端則完全放開移動自由度約束[2]。2.2優(yōu)化分析。為了校驗優(yōu)化設計的有效性，下文將進行相關分析，分析主要分為三個步驟，即橋殼剛度與強度分析、優(yōu)化橋殼模態(tài)分析、驅動橋疲勞性能分析，各步驟具體內容見下文。2.2.1橋殼剛度與強度分析。優(yōu)化前后的橋殼剛度分析結果顯示，首先在優(yōu)化前，該驅動橋橋殼垂直工況中，其受到單倍載荷的最大垂直位移量數(shù)據(jù)為1.080mm、每米輪距的變形量為0.58mm，其次在優(yōu)化后，該驅動橋橋殼垂直工況中，其受到單倍載荷的最大垂直位移量數(shù)據(jù)為1.092mm、每米輪距的變形量為0.59mm，通過對比可見，在受載荷條件下橋殼優(yōu)化設計后的剛度滿足要求，且優(yōu)于優(yōu)化設計前，說明優(yōu)化設計有效；優(yōu)化前后的橋殼強度分析結果顯示，首先在優(yōu)化前，于2.5倍滿載軸荷條件下，垂直工況驅動橋橋殼的最大強度應力分別為346.2~346.9MPa，對比于材料拉伸強度，不滿足“最大綜合應力不能超過材料的抗拉應力”的要求，其次優(yōu)化后垂直工況驅動橋橋殼的最大強度應力平均降低了52MPa，滿足以上要求。2.2.2優(yōu)化橋殼模態(tài)分析?？紤]到實際工況中存在不可控因素的影響，針對優(yōu)化前后橋殼進行了模態(tài)分析，主要檢驗優(yōu)化前后后驅動橋橋殼對不可控因素的抵抗能力，如果優(yōu)化后抵抗能力良好則代表其疲勞性能提升。取實際工況中橋殼與路面顛簸可能產生共振的因素來進行分析，通過仿真軟件進行了六階段模態(tài)，模態(tài)數(shù)據(jù)見表1。表1優(yōu)化橋殼1-6階段模態(tài)數(shù)據(jù)階段表1可見，因為本試驗中汽車在路面顛簸時，其后驅動橋橋殼受到的垂直振動頻率為0~50Hz，所以對比與表中數(shù)據(jù)，橋殼在優(yōu)化設計后于六階段模態(tài)中的固有頻率超過垂直振動頻率，且具有較大差距，說明橋殼不易與路面顛簸工況發(fā)生共振，疲勞性能在穩(wěn)定性上有良好表現(xiàn)，證實優(yōu)化設計有效。2.2.3驅動橋疲勞性能分析。以上兩個步驟主要校驗了后驅動橋橋殼優(yōu)化設計前后的疲勞性能剛度與強度、穩(wěn)定性，但考慮到長時間運作下的工況，有必要進行驅動橋疲勞性能分析，確認優(yōu)化設計前后橋殼長時間工況的疲勞性能變化曲線。長時間疲勞性能變化曲線參考S-N曲線進行設置，在該曲線理論下對優(yōu)化后的橋殼材料、半軸管套材料進行了試驗，得到兩者疲勞性能曲線。根據(jù)曲線進行計算可知，橋殼材料相關參數(shù)為8SRI=930MPa，b=-0.084，NC1=1.8e；半軸管套的軸截距及斜率分別為8SRI=4177.74MPa，b=-0.125，NC1=5e[3]。依照原有設計中的仿真實驗方法，對橋殼鋼板彈簧施加垂、縱、橫正弦波載荷，載荷頻率為5Hz，結果顯示驅動橋殼在優(yōu)化設計后，于下過渡面受拉應力的位置最先出現(xiàn)疲勞破壞，此時停止仿真，從數(shù)據(jù)上可見，該橋殼斷裂現(xiàn)象發(fā)生在載荷反復運行第150.4萬次，說明其抗疲勞性能超過原有設計基礎的40萬次。另外，為了得到實際測驗結果，依照《汽車后橋殼臺架試驗方法》進行了后驅動橋殼實際垂直彎曲疲勞試驗，試驗采用液壓疲勞試驗機進行，施加與原有設計相同的垂、縱、橫載荷，以5Hz頻率運行，結果見表2。表2可見，在實際試驗中后驅動橋殼的疲勞性能均值為144.17萬次，雖然低于仿真實驗標準，但也達到了100萬次以上，同樣超過原有設計的40萬次，說明優(yōu)化設計有效。

3結語

本文主要對疲勞性能基礎下的后驅動橋設計優(yōu)化進行了分析，分析中首先對某皮卡汽車后驅動原有設計進行了疲勞性能仿真分析，結果顯示疲勞性能不滿足現(xiàn)代汽車后驅動橋標準，主要問題在于驅動橋橋殼缺陷。其次針對原有設計進行了優(yōu)化設計，同時對優(yōu)化設計進行了仿真分析，結果可見，在各仿真分析步驟當中優(yōu)化后橋殼優(yōu)于原有設計，且滿足標準，說明優(yōu)化設計有效。最后進行了實際試驗，結果顯示，實際試驗結果雖然低于仿真結果，但疲勞性能同樣遠超原有設計與標準。

參考文獻：

[1]范例，謝里陽，張娜.重卡驅動橋殼疲勞穩(wěn)健性與輕量化設計[J].東北大學學報（自然科學版），2019，40（3）：365-369.

[2]孟欣佳，敬石開，劉繼紅，等.基于可能性的汽車驅動橋殼設計優(yōu)化[J].機械設計與制造，2016（12）：187-189.

[3]楊芙蓉，陳鋒鋒，董志明，等.礦用自卸車驅動橋殼有限元分析與輕量化[J].煤炭技術，2019，38（2）：156-159.

作者:吳國華 單位:江西江鈴底盤股份有限公司