基于AnsysWorkbench的汽車驅動橋殼分析與優化

鐘云耀

（茂名職業技術學院，廣東 茂名 525000）

驅動橋殼承受汽車大部分重量，承擔各種沖擊力和力矩，固定和保護驅動橋殼內的零部件如主減速器、差速器和半軸等[1]。驅動橋殼應有足夠的強度和剛度且質量較小，對驅動橋殼進行應力、變形分析及優化，具有非常重要的意義。

過去進行驅動橋殼設計時，往往采用類比方法，對已有產品加以改進，然后進行試驗、試制造，這使得生產周期延長、設計成本增加，而且生產出來的產品往往質量過大[2]。

1 驅動橋殼評價指標分析

根據國家標準，驅動橋橋殼垂直彎曲剛性試驗評估指標為：滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5mm，垂直彎曲靜強度試驗評估指標為[3]

式中：Kn為垂直彎曲破壞后備系數，Kn＞6為合格；Pn為垂直彎曲破壞荷載，N；P為滿載軸荷，N。而驅動橋橋殼垂直彎曲失效載荷可用橋殼應力值是否達到材料的屈服強度極限值所對應的載荷代替。因此式（1）可轉化為：

式中：σ為Kn=6時垂直載荷下橋殼彎曲應力，Pa；σs為材料的屈服強度極限，Pa。

2 基于AnsysWorkbench的驅動橋殼有限元靜力分析

驅動橋殼基本尺寸參數如下：壁厚16mm，輪距1830mm，板簧距1040mm。在SiemensNX軟件中建立三維模型并導入AnsysWorkbench進行網格劃分，得到有限元模型，共生成25611個節點，12987個單元，如圖1所示。

圖1 驅動橋殼有限元模型

施加滿載軸荷求解，得到橋殼的等效位移云圖和應力云圖，如圖2和圖3所示。位移較大區域出現在兩板簧座之間區域，最大變形量為0.763mm每米輪距變形量為0.462mm，遠小于1.5mm，橋殼滿足剛度要求。如圖3所示，應力集中出現在半軸套管與橋殼本體連接處，最大應力為82.435MPa，應力較大區域位于半軸套管與橋殼本體連接處及板簧座和中間凸包之間的過渡區域，其他區域應力較小。材料的屈服極限為610MPa，所以該驅動橋殼的后備系數為Kn=7.3＞6。橋殼設計較保守，造成材料浪費，可以在保證強度和剛度的條件下對其進行優化，以減輕橋殼質量。

圖2 等效位移云圖

圖3 應力云圖

3 驅動橋殼優化

以橋殼厚度為變量參數，分別選取15mm，14mm和13mm為設計變量。經AnsysWorkbench計算分析，質量、最大應力、變形量變化如圖4、圖5所示。隨著橋殼壁厚減小，橋殼質量減輕，橋殼的最大等效位移增大，最大應力也呈現增大的趨勢，當橋殼厚度為14mm時，其應力分布云圖和等效位移云圖如圖6和圖7所示，Kn=6.154＞6，符合國標要求，輕量化最優。優化后，質量為126.44kg，減重11.8kg，達到輕量化效果。優化前后具體比較見表1。

圖4 橋殼質量、最大應力和最大位移變化情況

圖5 橋殼質量、最大應力和最大位移變化關系

圖6 優化后應力云圖

圖7 優化后等效位移云圖

表1 優化前后的比較

4 結 語

基于有限元分析軟件AnsysWorkbench對驅動橋殼進行了滿載軸荷下的垂直彎曲強度和剛度計算，通過對橋殼厚度進行優化分析，結果表明，優化后該型驅動橋殼重量減輕，且強度、剛度滿足要求，為汽車零部件的輕量化設計提供了指導。