疲劳性能下后驱动桥设计优化分析

摘要：汽车产品作为现代大众交通工具，其性能表现一直受到广泛重视，而后驱动桥作为汽车传统系统中的重要组成部分，自然也得到了高度关注。后驱动桥的疲劳性能将决定汽车整个传动系统运作的可靠性，而现代很多汽车产品后驱动桥都存在疲劳性能上的问题，因此本文出于提高汽车产品性能水平的目的，将现有后驱动桥设计进行分析，得出设计中影响疲劳性能的问题，再针对性的提出优化设计策略。

关键词：疲劳性能；后驱动桥；设计优化

现代大部分车型中后驱动桥都是安置在传动系统末端，具有对变速器的转速、转矩进行控制，同时将变速器动能传递给驱动轮的功能，这一点上可以看出，后驱动桥在汽车传动系统中的重要性，当后驱动桥出现问题时，必然会导致汽车运行异常。而实际上，因为后驱动桥运作特征会对其造成较大损耗，所以当后驱动桥疲劳性能不佳，则代表汽车运行异常概率增大，不利于传统系统可靠性，驾驶者将面对较高的安全风险，因此不断提升后驱动桥的疲劳性能，是现代汽车产品研发中心必须攻克的问题。

1后驱动桥疲劳分析

要实现优化目的，需先对后驱动桥原有疲劳性能进行分析，确认其中问题，因此下文将通过四个步骤来进行分析，即疲劳载荷生成、有限元模型建设、模型试验方法、疲劳性能计算。1.1疲劳载荷生成。为了了解汽车后驱动桥原有疲劳性能，需要在试验台上先设置疲劳载荷，目的是将载荷施加于汽车后驱动桥上，进行反复运作，直至后驱动桥无法承受，根据反复测试与载荷力度综合计算出后驱动桥的疲劳性能参数。这一基础上，首先因为后驱动桥运作工况分为垂、纵、横三项，所以疲劳载荷需要满足工况要求，其次采用正弦波来实现载荷的规律循环，对后驱动桥反复运作，最终采用软件记录后驱动桥在载荷当中的数据表现，以供疲劳性能计算参考。此外，因为现代汽车产品的后驱动桥疲劳性能均达到了数十万的水准，所以无法将所有数据列出，这一条件下将取4000次载荷运作数据为参考。1.2有限元模型建设。在疲劳载荷生成基础上，采用仿真软件建设汽车后驱动桥有限元模型，具体见图1。考虑到不同汽车产品驱动桥之间的差异，无法将其一概而论，因此将以某普及性较广的皮卡汽车产品驱动桥最为参照来建设有限元模型。建设当中为了保障试验的针对性，将取出该汽车驱动桥周边的附属组件，例如主减速器、钢板弹簧、车轮等，此类组件与驱动桥疲劳性能存在一定程度上的关联，但程度较小，因此去除此类组件并不会对试验准确性造成影响，反而在这些组件存在的条件下，会使得试验数据模糊。驱动桥有限元模型中包含驱动桥桥壳、突缘、支架等生成有限元模型、制动盘及半轴组件，各组件在模型上进行了简化处理，可以保障载荷传递。1.3模型试验方法。结合以上两个步骤，对汽车后驱动桥有限元模型进行三项试验，即垂、纵、横三项工况下的模型疲劳性能试验。①垂向工况试验。首先针对有限元模型中钢板弹簧处安置座位，由此产生垂直向下的载荷，其次在半轴外侧施加垂直向上的载荷，此部分试验可以了解后驱动桥的整车垂向冲击载荷，同时考虑到实际工况中存在惯性对载荷的影响，因此试验系统将增加惯性力，可保障模型计算平衡。②纵向工况试验。主要在垂向工况的两个载荷生成部分，另外对轮胎接地点设置整车纵向的载荷，且同样增加惯性力，此举可以对整车制动载荷进行分析。③横向工况试验。在垂向工况第一步骤基础上，首先对驱动桥模型的半轴外侧设置整车横向载荷，可知整车横向冲击载荷，其次在轮胎接地点设置整车横向的载荷，可知整车转向载荷，试验中同样增加惯性力。1.4疲劳性能计算。借助软件当中的计算功能，对汽车后驱动桥的有限元模型进行计算，同时生成驱动桥各部位材料修整标准值。结果显示，经过4000次的反复载荷运作，驱动桥桥壳的最大损伤数据达到了0.0057，将该数值代入各工况反复运行总数当中进行折算，可知桥壳部位的损伤数据为0.57，这一数据表面上可满足驱动桥疲劳性能标准，但两者之间较为接近，因此考虑到实际冲压过程当中，驱动桥桥壳会局部变薄的特征，在运行40万次时，该驱动桥桥壳厚度会降低15%左右，此时桥壳疲劳性能不满足标准数值，因此需要得到修复[1]。

2后驱动桥疲劳性能优化设计与分析

2.1优化设计。针对汽车后驱动桥桥壳进行优化设计，设计为了提升桥壳疲劳性能，主要针对其刚度与强度进行优化。在桥壳刚度优化设计部分，首先依照单倍满载轴荷进行计算，得到桥壳垂向工况当中受载荷后的位移量，其次依照标准确认桥壳在受载荷条件下的位移量优化值，即单倍满载轴荷下的每米不可大于0.7mm/m，设计上依照优化值对桥壳厚度进行了设计，设计后厚度大于原有设计0.3mm，理论上可提升桥壳刚度；在桥壳强度优化设计部分，首先在2.5倍满载轴荷条件下对桥壳应力值进行计算，结果显示桥壳在受载荷条件下其最大综合应力不能超过材料的抗拉应力，因此设计当中考虑到综合应力不可控特征，对材料进行了更换，使材料抗拉强度提升，理论上可满足计算结果要求。此外，在结构部署上也进行了优化设计，即在钢板板簧的表面节点处，对载荷分布进行了调整，且约束轮距位置，对轮距一端移动自由度进行全约束设计，另一端则完全放开移动自由度约束[2]。2.2优化分析。为了校验优化设计的有效性，下文将进行相关分析，分析主要分为三个步骤，即桥壳刚度与强度分析、优化桥壳模态分析、驱动桥疲劳性能分析，各步骤具体内容见下文。2.2.1桥壳刚度与强度分析。优化前后的桥壳刚度分析结果显示，首先在优化前，该驱动桥桥壳垂直工况中，其受到单倍载荷的最大垂直位移量数据为1.080mm、每米轮距的变形量为0.58mm，其次在优化后，该驱动桥桥壳垂直工况中，其受到单倍载荷的最大垂直位移量数据为1.092mm、每米轮距的变形量为0.59mm，通过对比可见，在受载荷条件下桥壳优化设计后的刚度满足要求，且优于优化设计前，说明优化设计有效；优化前后的桥壳强度分析结果显示，首先在优化前，于2.5倍满载轴荷条件下，垂直工况驱动桥桥壳的最大强度应力分别为346.2~346.9MPa，对比于材料拉伸强度，不满足“最大综合应力不能超过材料的抗拉应力”的要求，其次优化后垂直工况驱动桥桥壳的最大强度应力平均降低了52MPa，满足以上要求。2.2.2优化桥壳模态分析。考虑到实际工况中存在不可控因素的影响，针对优化前后桥壳进行了模态分析，主要检验优化前后后驱动桥桥壳对不可控因素的抵抗能力，如果优化后抵抗能力良好则代表其疲劳性能提升。取实际工况中桥壳与路面颠簸可能产生共振的因素来进行分析，通过仿真软件进行了六阶段模态，模态数据见表1。表1优化桥壳1-6阶段模态数据阶段表1可见，因为本试验中汽车在路面颠簸时，其后驱动桥桥壳受到的垂直振动频率为0~50Hz，所以对比与表中数据，桥壳在优化设计后于六阶段模态中的固有频率超过垂直振动频率，且具有较大差距，说明桥壳不易与路面颠簸工况发生共振，疲劳性能在稳定性上有良好表现，证实优化设计有效。2.2.3驱动桥疲劳性能分析。以上两个步骤主要校验了后驱动桥桥壳优化设计前后的疲劳性能刚度与强度、稳定性，但考虑到长时间运作下的工况，有必要进行驱动桥疲劳性能分析，确认优化设计前后桥壳长时间工况的疲劳性能变化曲线。长时间疲劳性能变化曲线参考S-N曲线进行设置，在该曲线理论下对优化后的桥壳材料、半轴管套材料进行了试验，得到两者疲劳性能曲线。根据曲线进行计算可知，桥壳材料相关参数为8SRI=930MPa，b=-0.084，NC1=1.8e；半轴管套的轴截距及斜率分别为8SRI=4177.74MPa，b=-0.125，NC1=5e[3]。依照原有设计中的仿真实验方法，对桥壳钢板弹簧施加垂、纵、横正弦波载荷，载荷频率为5Hz，结果显示驱动桥壳在优化设计后，于下过渡面受拉应力的位置最先出现疲劳破坏，此时停止仿真，从数据上可见，该桥壳断裂现象发生在载荷反复运行第150.4万次，说明其抗疲劳性能超过原有设计基础的40万次。另外，为了得到实际测验结果，依照《汽车后桥壳台架试验方法》进行了后驱动桥壳实际垂直弯曲疲劳试验，试验采用液压疲劳试验机进行，施加与原有设计相同的垂、纵、横载荷，以5Hz频率运行，结果见表2。表2可见，在实际试验中后驱动桥壳的疲劳性能均值为144.17万次，虽然低于仿真实验标准，但也达到了100万次以上，同样超过原有设计的40万次，说明优化设计有效。

3结语

本文主要对疲劳性能基础下的后驱动桥设计优化进行了分析，分析中首先对某皮卡汽车后驱动原有设计进行了疲劳性能仿真分析，结果显示疲劳性能不满足现代汽车后驱动桥标准，主要问题在于驱动桥桥壳缺陷。其次针对原有设计进行了优化设计，同时对优化设计进行了仿真分析，结果可见，在各仿真分析步骤当中优化后桥壳优于原有设计，且满足标准，说明优化设计有效。最后进行了实际试验，结果显示，实际试验结果虽然低于仿真结果，但疲劳性能同样远超原有设计与标准。

参考文献：

[1]范例，谢里阳，张娜.重卡驱动桥壳疲劳稳健性与轻量化设计[J].东北大学学报（自然科学版），2019，40（3）：365-369.

[2]孟欣佳，敬石开，刘继红，等.基于可能性的汽车驱动桥壳设计优化[J].机械设计与制造，2016（12）：187-189.

[3]杨芙蓉，陈锋锋，董志明，等.矿用自卸车驱动桥壳有限元分析与轻量化[J].煤炭技术，2019，38（2）：156-159.

作者:吴国华 单位:江西江铃底盘股份有限公司