微型汽車后橋橋殼強度及模態分析

趙慧真 楊浩

1.中原工學院信息商務學院 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

驅動橋橋殼是汽車底盤上主要承載構件之一，根據驅動橋的結構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，不僅節約企業開發成本，而且便于大批量生產，一般都設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，從而提供動力驅動車輪的前進。而驅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，以及車輛轉彎過程中地面對汽車的側向載荷。汽車行駛過程中頻繁來自三個方向的綜合載荷作用，使得橋殼設計必須承受惡劣的載荷沖擊[2-3]。設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構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，不利于產品的快速開發及市場投放[4]。CAE分析技術基于單元網格的虛擬仿真技術，采用強度理論，能夠對橋殼結構各位置進行應力及變形分析，利于后續的修改及優化工作，對強度及剛度的提升有至關重要的作用，為企業爭取時間及節約了大量金錢。

本文在此基礎上以國產某款微型汽車后橋橋殼為例，建立了驅動后橋橋殼的完整網格模型，參考汽車行業標準QC/T533-1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》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，評判結構是否滿足強度及剛度要求。并對橋殼總成進行動力學模態分析，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，附件結構對橋殼整體結構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格的劃分及計算求解。將處理后的三維模型導入hypermesh軟件中進行幾何清理及網格劃分，橋殼本體各焊接部位、橋殼后蓋焊接采用網格節點共用的處理方法，橋殼網格模型如圖1所示。

3 參數及邊界的設置

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。

按照汽車行業標準QC/T533-1999汽車驅動橋臺架試驗方法，對橋殼兩端輪距位置處一段釋放轉動自由度，一段釋放移動和轉動自由度。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點的自由度的釋放及該區域應力的分布平滑。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生的激勵，并且橋殼需要和其他相鄰零部件之間模態不重合，以避免引起共振的問題，故對橋殼進行模態分析及振型的提取，本文只提取前階模態。

4 計算結果及分析

橋殼垂向額定載荷工況下的應力云圖如圖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力云圖如圖5所示。

圖1 驅動橋橋殼網格模型

表1 材料參數信息

圖2 驅動橋橋殼邊界條件示意圖

圖3 橋殼額定載荷下應力云圖

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，滿足行業標準QC/T534-1999《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》所規定的1.5 mm，橋殼剛度設計合理，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。綜合應力和變形，該橋殼設計滿足強度、剛度要求，設計合理。

橋殼模態振型云圖如圖6-10所示，具體每階模態值如表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，表現為前后彎曲振動，由于汽車振動系統垂向主要承受0-50Hz的激勵[5]，橋殼模態頻率較高，能夠避開此頻率段，不會引起橋殼的共振，橋殼動態特性良好。

圖10 橋殼五階振型云圖

表2 前六階模態值（單位：Hz）

5 結語

（1）對微型汽車后橋橋殼進行強度、剛度分析，參考汽車行業標準QC/T533-1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》進行加載計算，分析結果表明：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倍額定載荷下應力值小于材料屈服強度，強度滿足設計要求，為橋殼結構強度、剛度提供評價依據。（2）對橋殼自由模態進行提取，從分析結果來看，橋殼固有頻率值較高，結合地面激勵頻率不會引起結構的共振，具有良好的動態特性。（3）將CAE仿真技術應用于產品開發階段，能夠大大減少試制樣件數量及試驗次數，縮短研發周期，降低研發成本。