驅動橋橋殼的疲勞壽命分析

李妮妮，袁文強，吳袁生，王秋敏

(廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

按照靜強度和剛度準則設計的零件，在小于其強度的載荷往復作用下也會突然地斷裂。從19世紀中期開始，人們才逐漸認識這一現象，發展至今，對其機制也并未完全掌握。大多數機械結構和零部件都在循環載荷下工作，往復循環的載荷會使滿足剛度強度的零件逐漸產生裂紋直至突然斷裂，即為機械疲勞現象。機械疲勞是機械結構和零部件的主要破壞形式，據統計有50%～90%的機械失效都源于疲勞破壞[1]。疲勞壽命分析就是通過分析機械構件在其工作周期內的載荷、應力、結構、材料特性和擴展機制等來確定設計中存在的問題并估算產品工作壽命的過程。

對零件的疲勞壽命研究主要有兩種方法：一種方法是疲勞耐久臺架試驗，模擬使用工況對零件樣品施加載荷，統計零件的疲勞壽命、破壞形式和破壞位置等信息；另一種是計算分析的方法，采用有限元軟件，結合零件的載荷、材料特性、結構和表面質量等因素，分析零件的疲勞壽命和失效位置。

疲勞試驗結果準確但是耗時長、成本高。相比而言仿真分析則簡單許多，但是由于零件疲勞涉及的影響因素眾多，仿真分析往往很難合理設置各個影響因素的大小，一旦將各個影響因素設置正確后，仿真分析可以很方便地得出分析結果，進而對零件做出優化，進行部分結構改進后依然能采用仿真結果。

本文作者針對某型號車橋，依照標準QC/T 533-1999中介紹的搭建疲勞試驗系統，并用于該車橋的疲勞試驗。然后采用ABAQUS和FE-SAFE軟件根據實際情況對車橋進行有限元分析。目的是獲得相互印證的試驗結論，并獲得可靠的有限元分析中的設置參數。

1 橋殼疲勞耐久臺架試驗

汽車的驅動橋位于傳動系的末端，其作用首先是增扭、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，并將轉矩合理地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[2]。

標準QC/T 533-1999和QC/T 534-1999給出了檢測橋殼疲勞壽命的方法概述，該標準主要考慮的是路面和車身之間的垂向力。文中依據這兩份標準的介紹，采用電液伺服系統搭建了一套車橋殼疲勞試驗系統。該系統能實現標準所要求的載荷方向和約束條件，同時能保證運動不發生干涉，不使車橋殼受到額外的力或者力矩。該試驗系統不僅可以進行橋殼的疲勞試驗，還能夠進行彎曲剛性、垂直彎曲靜強度試驗。

該系統的主要結構如圖1和圖2所示，主要包括液壓油缸、力傳感器、龍門架和其他工裝部分，除此之外還有液壓泵、控制器等。

圖2 車橋殼疲勞耐久試驗示意

試驗前，將車橋安裝于實驗臺架上。油缸作為施力部件，提供試驗所需的力，并由力傳感器反饋力的大小，由控制器直觀顯示和控制力值。油缸的兩端各有一個球鉸，其作用是確保油缸只受軸向力，從而對油缸起保護作用。

為了保證車橋在垂直作用載荷下，發生受力變形時不產生運動干涉，不產生額外的力和力矩。所以光軸和車橋的彈簧安裝座之間需要有個消除干涉的加載模塊，如圖3所示，左右兩個加載模塊略有不同，它們均由三部分組成，包括加載模塊上部分、圓柱、加載模塊下部分。差別是下模塊，其中一個下模塊有凹槽，凹槽與圓柱相配合，另一個下模塊沒有凹槽。

圖3 車橋殼疲勞耐久試驗加載模塊

光軸將油缸的力傳遞至加載模塊，直線軸承和直線軸承支架對光軸起導向的作用，保證光軸始終在豎直方向移動。

軸端夾具與車橋兩端連接，滾輪安裝在其底部，并且滾輪的位置可以調節，即左右兩個滾輪之間的距離可以調節。因為左右兩個滾輪之間的距離必須和汽車的輪距相等。因此該裝置可以適用于不同型號的車橋試驗。

針對某型號的車橋，其輪距為1 600 mm，滿載軸荷為1 871 kg。裝配完成后，按照滿軸載荷的2.5倍同相位對左右兩個彈簧座施加載荷，載荷波形為正弦，頻率5 Hz，如圖4所示。試驗過程中可以通過力傳感器和油缸內部的位移傳感器實時監控加載過程的載荷以及車橋的變形情況。實驗進行至130萬次時，車橋發生斷裂，斷裂圖如圖5所示。

圖4 車橋殼疲勞耐久試驗載荷

圖5 車橋殼疲勞破裂

2 車橋的疲勞壽命有限元分析

采用有限元方法分析零件的疲勞壽命，發現零件的薄弱環節進而優化結構，是一種行之有效的設計方法。隨著分析理論和工程軟件發展得越來越成熟，分析結果越來越精確。FE-SAFE軟件具有算法先進、功能全的優點，是世界公認精度最高的疲勞壽命分析軟件之一[3]，使用FE-SAFE對橋殼進行疲勞壽命分析，可直接讀取ABAQUS的ODB文件。

文中針對某型號的車橋殼，采用SolidWorks、ABAQUS和FE-SAFE軟件相結合的方法分析該車橋殼體在規定載荷下的疲勞壽命。

首先利用SolidWorks建立車橋的三維模型，再將模型導入ABAQUS中，設置材料屬性、裝配部件、設置分析步、設置耦合、劃分網格、添加邊界條件，然后進行靜力分析。最后將ABAQUS分析得到的ODB文件導入FE-SAFE中，設置材料屬性、載荷、表面質量、算法，求解得到最先破壞點的壽命和發生破壞的單元。

為了能反映實車情況，并且可以和疲勞試驗進行對比，車橋殼的約束和載荷情況與實車、疲勞試驗時保持一致。在初始分析步中約束車橋左端面中點的5個自由度，只留下繞車輛前進方向的轉動自由度，同時約束車橋右端面中點的豎直方向的位移。按照標準QC/T 533-1999的要求，在彈簧安裝面上施加2.5倍的滿載軸荷，滿載軸荷1 871 kg。在FE-SAFE中，設置載荷為正弦波，峰值為2.5倍的滿載軸荷，谷值為零。

在ABAQUS中劃分網格時，因為車橋形狀不規則，采用自由網格劃分技術，并選擇十節點二次四面體C3D10單元，采用該單元可以得到較高精度的分析結果，但是相比六面體單元需要消耗更多的計算時間。

在ODB文件中導入FE-SAFE時，只導入最后一個分析步中的應力，并設置對應的單位。

材料的彈性模量為210×109Pa，泊松比設置為0.3, 在FE-SAFE中設置材料的極限抗拉強度為540 MPa，表面粗糙度Ra設置為40～75 μm。

ABAQUS計算結果如圖6所示，應力最大處主要在橋殼管的下部分、彈簧安裝座與車橋殼連接處。

圖6 ABAQUS靜力分析應力結果

FE-SAFE的計算結果顯示車橋可以經歷150萬次的循環載荷(見圖7)。該分析結果和疲勞試驗結果相一致，由此可見該分析方法較為合理。

圖7 FE-SAFE疲勞分析計算結果

3 結論

針對模型號的車橋，分別進行耐久試驗和有限元仿真分析。得到的試驗結果一致性較好。兩種方法均可以發現車橋殼的疲勞性能薄弱點，兩種方法獲得的橋殼疲勞壽命也很接近。

因為車橋的疲勞壽命影響因素眾多，除了材料特性、載荷大小和表面粗糙度，還和表面殘余應力、焊接質量以及鑄造質量等因素有關[4]，因此臺架試驗是零件疲勞性能的最直接反映。即使同一批次的零件，其疲勞壽命也會呈現較大的差異。但是進行疲勞試驗的成本高、周期長。采用有限元分析的方法能很好地為車橋開發過程提供參考信息，并且節約成本和時間，在各參數設置適當的情況下，其結果能很好地與實際情況相吻合。針對一款車橋建立仿真分析和試驗數據的關聯后，在結構改進時可以不需要重復進行臺架試驗而通過有限元分析的方法分析改進效果。合理運用兩種方法可以提高車橋殼體的開發速度，節約開發成本。