輕型汽車驅動橋建模與模態分析

胡鐵牛

（河北省交通職業技術學校，河北 石家莊 052100）

隨著社會經濟的繁榮發展及汽車產業的壯大，我國汽車擁有量越來越多.大力發展汽車工業成為必然趨勢.汽車驅動橋是汽車的重大總成，在整車中十分重要.它承載著汽車的滿載簧載重量及地面經車輪、車架及承載式車身經懸架給予的鉛垂力、縱向力、橫向力及其力矩，以及沖擊載荷；驅動橋還傳遞著傳動系中的最大轉矩[1].同時，橋殼還承受著反作用力矩.汽車驅動橋的結構型式和設計參數不僅對汽車的可靠性與耐久性有重要影響外，還對汽車的行駛性能如動力性、經濟性、平順性、通過性、機動性和操動穩定性等有直接影響.設計一種結構簡單、工作可靠、造價低廉的驅動橋殼，能降低整車生產的總成本，提高我國汽車的競爭力.

在汽車設計中，將驅動橋殼視為簡支梁，基于幾種特定工況，對幾個關鍵截面進行應力值校核，并根據選定的安全系數來確定工作應力[2].而且多采用圖解法，其計算精度比較低，費時費力，局限性大.如能將模塊化、參數化建模及計算機可視化技術用于汽車驅動橋設計中，再以有限元為工具進行滿載荷力學分析、模態分析和參數化結構優化，會大大提高車輛驅動橋殼結構的設計水平.

本文以輕型貨車的后驅動橋殼（滿載后軸重為5.5 t，簧距880 mm，輪距1 540 mm，板簧座表面面積7 000 mm2，橋殼本體材料選用09siVL鋼板）為例，對其進行了建模分析研究，取得了滿意的效果.

1 驅動橋總成簡介

汽車驅動橋位于傳動系的末端.其基本功用首先是增扭，降速，改變轉矩的傳遞方向，即增大由傳動軸或直接從變速器傳來的轉矩，并將轉矩合理的分配給左右驅動車輪；其次，驅動橋還要承受作用于路面或車身之間的垂直力，縱向力和橫向力，以及制動力矩和反作用力矩等[3].驅動橋一般由主減速器，差速器，車輪傳動裝置和橋殼組成.

驅動橋殼大致可分為可分式、整體式和組合式3種形式.本文以整體式橋殼為例進行研究.

2 驅動殼三維建模

本文基于UG軟件對殼體進行了實體參數化建模，構造出零件內各特征之間的相互拓撲關系.通過設計時設定的關聯參數，實現了部件間的關聯改變.設計過程采用自頂向下(Top-Down)原則.然后以無縫鏈接方式導入有限元軟件進行機構運動分析、模態分析和實驗仿真[4-5].

根據關鍵參數和UG/WAVE技術建立起零部件之間的幾何和位置的相關性[6].其參數化模型如圖1所示.

圖1 建立的驅動橋殼實體模型Fig.1 The solid mode1 of drive axle housing

在完成實體建模后，在有限元軟件中構建了力學分析模型，首先根據有限元建模策，對原部件進行了主從分析，刪除了對變形影響小的微細結構；然后根據工程經驗以函數形式進行了網格劃分，添加了約束條件；最后根據工況添加了接點載荷.

3 橋殼有限元靜力學分析及模態分析

3.1 靜力學分析

本文采用的橋殼數據：驅動橋滿載后軸重5.5 t，簧距880mm，輪距1540mm，板簧座表面面積7000mm2，橋殼本體材料為09siVL-8.為保證后橋設計的可行性和工作的可靠性，對其在實際工況下的應力分布、變形等進行了校核.主要包括：1）汽車后橋殼體在垂直方向受力彎曲時力學性能的計算；2）后橋總成在不同工況下動力學析，后橋殼總成的固有頻率及振型的分析計算.

根據工程經驗，垂直載荷均取橋殼滿載負荷的2.5倍，即9.625 MPa.

計算橋殼的垂直彎曲剛度和強度的方法是將后橋兩端約束，在彈簧座處施加載荷，對橋殼兩端實施全自由度約束.

基于上述有限元模型，以NASTRAN軟件為工具，對橋體總成2.5倍滿載荷條件下的力學特性就能行了分析解算.分析得到的結果如圖2、圖3所示.

有限元分析結果表明：汽車驅動橋體在垂直方向的最大位移量僅為2.3mm，滿載下最大應力面位于半軸套管受約束位置，最大應力值為644 MPa，輪距的單位長度變形量為1.493 mm/m，優于國家標準規定的指標.

3.2 模態分析

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型，利用有限元對驅動橋殼進行模態分析，可得出各振型的固有頻率，對驅動橋殼的設計和制造有很大的指導意義.

圖2 滿載荷條件下的位移云圖Fig.2 Displacement under the full load

圖3 滿載荷條件下的應力云圖Fig.3 Stress under the full load

表1 驅動橋殼體固有頻率Tab.1 Natural frequency of Drive axle housing

本次設計利用 UG NASTRAN軟件分別對厚度為8mm、7 mm、6 mm的驅動橋殼進行模態分析，得出了10階約束模態振型，固有頻率結果如表1（單位Hz）.

從表1可以看出，在厚度降低時，橋殼的低階固有頻率是在不斷地增加的，說明降低橋殼的厚度可以提高其低階固有頻率，從而提高橋殼剛度.

部分振型如圖4、圖5.

圖4 1階模態云圖Fig.4 The first modal Nephogram

圖5 2階模態云圖Fig.5 The second modal Nephogram

3.3 驅動橋殼的優化

驅動橋殼的優化設計是以重量最小化為定義目標，定義約束為許可應力.把橋殼厚度定為設計變量[3]，其最大值定為8mm，最小值定為6mm，然后利用UG電子表格，繪制優化圖，選出最優值.

經過迭代計算，得到一個最優點，即在接近7mm殼厚時，驅動橋殼也滿足強度和剛度要求.

綜上分析，橋殼本體厚度從8mm降到了7mm，不僅在質量上實現了輕量化，而且也滿足驅動橋殼強度和剛度的要求.

圖6 橋殼優化圖Fig.6 Optimization parameters of axle housing

4 結論

本文構建了輕型汽車驅動橋殼三維模型，并利用UG NASTRAN軟件對驅動橋殼進行了2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強度和剛度的計算，進行了模態分析和參數化結構優化，最后得出了不同厚度下驅動橋殼的各階固有頻率，確定了最優的驅動橋殼厚度.

[1]周中堅，盧耀祖.機械與汽車結構的有限元分析 [J].同濟大學學報，1997，28（3）：42-46.

[2]王斌.汽車驅動橋橋殼結構強度與模態的有限元法分析 [J].合肥工業大學學報，2008，34（4）：24-28.

[3]朱崢濤，丁成輝.不同厚度驅動橋橋殼有限元分析 [J].現代制造工程，2006（11）：55-58.

[4]鄭燕萍.汽車驅動橋殼的有限元動態分析 [J].林業機械與木工設備，2004，32（11）：21-24.

[5]鄭燕萍，羊玢.汽車驅動橋殼臺架試驗的有限元模擬 [J].南京林業大學學報：自然科學版，2004，28（4）：50-53.

[6]蘇恩生.汽車驅動橋殼的有限元建模與分析 [J].吉林大學學報，2005，42（5）：43-46.