微型汽車后橋橋殼強度及模態(tài)分析

趙慧真 楊浩

1.中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 河南省鄭州市 450007 2.鄭州精益達汽車零部件有限公司 河南省鄭州市 450001

1 引言

驅(qū)動橋橋殼是汽車底盤上主要承載構(gòu)件之一，根據(jù)驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)形式可以分為非斷開式和斷開式兩種[1]，對于微型車后橋開發(fā)，不僅節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本，而且便于大批量生產(chǎn)，一般都設(shè)計成非斷開式的橋殼，本文也是對該種形式的橋殼進行研究。

驅(qū)動后橋的功能主要是傳遞來自傳動軸的扭矩，通過主減速器進行減速增扭的目的，并且改變動力傳動的方向，從而提供動力驅(qū)動車輪的前進。而驅(qū)動橋橋殼作為后橋殼體支撐部件，主要功能是承受來自車身的垂向載荷，汽車前進、制動過程中的前后載荷，以及車輛轉(zhuǎn)彎過程中地面對汽車的側(cè)向載荷。汽車行駛過程中頻繁來自三個方向的綜合載荷作用，使得橋殼設(shè)計必須承受惡劣的載荷沖擊[2-3]。設(shè)計時候考慮橋殼的強度、剛度等特性。

臺架試驗及路試是橋殼結(jié)構(gòu)合理性的最終評價手段，但是橋殼樣件的制作、模具開模都需要周期及金錢，臺架試驗成本高、路試試驗周期長，不利于產(chǎn)品的快速開發(fā)及市場投放[4]。CAE分析技術(shù)基于單元網(wǎng)格的虛擬仿真技術(shù)，采用強度理論，能夠?qū)驓そY(jié)構(gòu)各位置進行應(yīng)力及變形分析，利于后續(xù)的修改及優(yōu)化工作，對強度及剛度的提升有至關(guān)重要的作用，為企業(yè)爭取時間及節(jié)約了大量金錢。

本文在此基礎(chǔ)上以國產(chǎn)某款微型汽車后橋橋殼為例，建立了驅(qū)動后橋橋殼的完整網(wǎng)格模型，參考汽車行業(yè)標準QC/T533-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》對橋殼垂向載荷工況進行分析，計算橋殼的垂向剛度及強度，評判結(jié)構(gòu)是否滿足強度及剛度要求。并對橋殼總成進行動力學(xué)模態(tài)分析，為橋殼與底盤其他零部件共振及車輛NVH問題提供參考。

2 建立有限元模型

采用CATIA軟件對后橋橋殼進行三維建模，忽略工藝小孔、凸臺、翻邊、小倒角等，附件結(jié)構(gòu)對橋殼整體結(jié)構(gòu)強度及剛度影響不大的特征進行簡化，簡化處理更利于模型網(wǎng)格的劃分及計算求解。將處理后的三維模型導(dǎo)入hypermesh軟件中進行幾何清理及網(wǎng)格劃分，橋殼本體各焊接部位、橋殼后蓋焊接采用網(wǎng)格節(jié)點共用的處理方法，橋殼網(wǎng)格模型如圖1所示。

3 參數(shù)及邊界的設(shè)置

橋殼上下本體材料為Q235，材料具體信息見表1所示。汽車后橋的滿載額定載荷為1100Kg，橋殼輪胎之間距離1290mm，板簧之間距離為1000mm。

按照汽車行業(yè)標準QC/T533-1999汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法，對橋殼兩端輪距位置處一段釋放轉(zhuǎn)動自由度，一段釋放移動和轉(zhuǎn)動自由度。主要考慮承受垂向載荷后，橋殼可以自由彎曲變形。在橋殼板簧安裝位置處進行加載，載荷分別為額定載荷的1倍及2.5倍，采用柔性單元rbe3進行分布集中力加載，確保橋殼剛性單元連接節(jié)點的自由度的釋放及該區(qū)域應(yīng)力的分布平滑。橋殼的垂向靜載邊界條件示意圖如圖2所示。

橋殼承受路面不平度和輪胎不平衡所產(chǎn)生的激勵，并且橋殼需要和其他相鄰零部件之間模態(tài)不重合，以避免引起共振的問題，故對橋殼進行模態(tài)分析及振型的提取，本文只提取前階模態(tài)。

4 計算結(jié)果及分析

橋殼垂向額定載荷工況下的應(yīng)力云圖如圖3所示，變形云圖如圖4所示，橋殼2.5倍垂向載荷工況下應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖1 驅(qū)動橋橋殼網(wǎng)格模型

表1 材料參數(shù)信息

圖2 驅(qū)動橋橋殼邊界條件示意圖

圖3 橋殼額定載荷下應(yīng)力云圖

圖4 橋殼額定載荷下垂向變形云圖

圖5 橋殼2.5倍垂向載荷下應(yīng)力云圖

從圖4可以看出，在1倍額定載荷下，橋殼垂向橋包處變形量最大，最大變形量1.229mm，橋殼輪距1290mm，該橋殼每米輪距變形為0.95mm，滿足行業(yè)標準QC/T534-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價指標》所規(guī)定的1.5 mm，橋殼剛度設(shè)計合理，能夠抵抗垂向載荷變形。從圖5中可以看出，橋殼在2.5倍垂向載荷工況下應(yīng)力值223MPa，在橋殼圓形截面圓弧突變處，材料的屈服強度為235MPa，小于材料的屈服強度。綜合應(yīng)力和變形，該橋殼設(shè)計滿足強度、剛度要求，設(shè)計合理。

橋殼模態(tài)振型云圖如圖6-10所示，具體每階模態(tài)值如表2所示。

圖6 橋殼一階振型云圖

圖7 橋殼二階振型云圖

圖8 橋殼三階振型云圖

圖9 橋殼四階振型云圖

從振型云圖可以看出，橋殼固有頻率為181Hz，表現(xiàn)為前后彎曲振動，由于汽車振動系統(tǒng)垂向主要承受0-50Hz的激勵[5]，橋殼模態(tài)頻率較高，能夠避開此頻率段，不會引起橋殼的共振，橋殼動態(tài)特性良好。

圖10 橋殼五階振型云圖

表2 前六階模態(tài)值（單位：Hz）

5 結(jié)語

（1）對微型汽車后橋橋殼進行強度、剛度分析，參考汽車行業(yè)標準QC/T533-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》進行加載計算，分析結(jié)果表明：橋殼在1倍額定載荷下，橋殼每米輪距變形量小于1.5mm的要求，橋殼垂向2.5倍額定載荷下應(yīng)力值小于材料屈服強度，強度滿足設(shè)計要求，為橋殼結(jié)構(gòu)強度、剛度提供評價依據(jù)。（2）對橋殼自由模態(tài)進行提取，從分析結(jié)果來看，橋殼固有頻率值較高，結(jié)合地面激勵頻率不會引起結(jié)構(gòu)的共振，具有良好的動態(tài)特性。（3）將CAE仿真技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)階段，能夠大大減少試制樣件數(shù)量及試驗次數(shù)，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。