基于重卡車橋的特點對汽車車橋結構進行優化

【摘? 要】隨著我國汽車工業發展欣欣向榮，汽車日益增多，滿足了人們生產生活的需要。車橋制造是汽車行業的重要部分。車橋是通過懸架連接到車架并在車架和車輪之間傳遞動力。其強度和剛度是車輛整個結構安全的關鍵。目前，我國汽車車橋市場競爭日趨激烈。為促進公司一體化發展，提高車橋技術水平，本文將基于重卡車橋的特點對汽車車橋結構進行分析和優化，促進汽車領域的全面發展。

【關鍵詞】重卡車橋;汽車車橋;結構優化

一、緒論

1.車橋的作用

車橋是汽車變速器的重要組成部分。它通過懸架連接到車架并在車架和車輪之間傳遞動力。其強度和剛度是車輛整個結構安全的關鍵。隨著客車和卡車變得更高速、重載和輕量，有必要降低車橋的重量和負載。車橋的安全性問題也出現，優化車橋有利于汽車行業的發展。

2.重卡車橋分類的特點

重卡車橋對重卡行業的發展有著一定的影響。根據橋梁結構的不同，可分為內置式和分體式兩種。內置式機身因其優異的強度和剛度而得到廣泛應用，方便主齒輪箱的安裝、調整和維護。一體式軸殼可分為嵌入式鑄造式、中心鑄造式鋼管、密封鋼板和焊接式。后輪驅動車型通常有兩種車型：單輪驅動和兩輪驅動。傳驅動橋橋殼按生產工藝分為焊接軸套和鑄鐵軸套（鑄鐵、鑄鋼）。鑄鐵套管具有剛性高、變形小、成本低等優點，但生產周期長、工藝復雜、效率低。鉆孔和焊接軸套具有外觀好、重量輕、純度高、故障率低等優勢。

提高后橋速比需要在主單級下降軸上加大齒數，從而降低了負載的最小離地間隙，降低了運輸效率。而輪邊減速器是一個很好的解決方案。齒輪箱放置在車輪鎖頭和車輪之間。主齒輪球直徑更小，軸更高，路徑改進可適應各種復雜路況。但是，減速裝置結構越復雜，重量越重，機械效率越低，能量損失越大，油耗越多。同時，熱量的產生使車輪頂部高溫，容易出現問題。后橋的選擇應基于特定傳動需求。單減橋適用于條件好的道路，運輸效率高，可降低油耗。輪減橋適用于條件惡劣的車輛。輪減橋可以提高牽引力并產生更大的牽引力。

二、優化汽車車橋結構

1車橋單級減速驅動橋的優化

在車橋傳動技術中，主要是通過減速和扭矩增加來實現驅動效果，需要在變速箱的中心結構中實現減速和扭矩。重卡車橋的減速主要包括一級減速橋、二級加速橋和輪邊雙級減速驅動橋。我國現階段的商用車大多是雙級主減速器，其在制動和增加扭矩方面非常有效，可以更好地滿足用戶的需求。隨著我國道路建設的發展，對汽車綜合性能的要求越來越高。于是，我國汽車的車橋技術逐漸向單級減速接近。二速減速軸的主齒輪的減速比通常比較小，安裝和橋接單元也比較小。因此，需要增加與地面的距離，以方便行走。

2車橋雙聯動橋技術的優化

在我國車輛建設領域，為規范道路車輛標準，嚴格應用超載和超載技術，國家主管部門制定了通用的車輛尺寸、.軸距重量和質量限制強制性標準。為滿足使用獨立的多軸驅動模型來公平分配車輛扭矩，在車橋的生產中，主要采用雙聯動或多聯動驅動軸。汽車采用雙聯動橋滿足裝配和性能要求，避免空氣懸架部件干擾，降低整車質量，有效提高車輛穩定性和裝載效率。

3.車橋橋殼拓撲優化設計

在創建撲優化模型之前，需要解釋優化設計的三個方面：設計變量、約束條件和目標函數。根據變密度法，加權負荷能量作為目標度量，體積分數和加工制造約束作為約束。利用有限元優化軟件對車橋橋殼進行拓撲優化。其數學模型的表達式如下：

設計變量：

目標函數：min f（X）

約束條件：

其中表示設計變量，即單元密度，取值范圍為[0，1];f（X）表示目標函數，即加權應變能，約束條件g（X）為約束條件。

3.1? 設計空間

基于車橋測量值和與道路封閉、緊急制動阻力、以最大功率和速度行駛以及車橋結構拓撲優化模型相關的四個工況限制。將橋殼設置為一個結構單元，不包括其他部件的安裝區域，將橋殼的其他部分和軸部件設置為未構造區域。

3.2? 設計變量

以設計空間的單元密度為優化設計變量，取值范圍為 0～1，0 表示材料可以去除，1 表示材料應該保留或加強。

3.3? 約束條件

拓撲優化不僅是實現目標函數最優所必需的，而且是滿足質量、體積、強度和剛度等性能要求并確保制造部件的能力所必需的。下面將展示如何定義加工制造性約束、體積分數約束。

1.體積分數約束。體積分數α是由公式求得

其中V_L表示當前迭代步總體積，V₀表示初始迭代步設計空間體積，V₀^‘表示初始迭代步非設計空間體積。將體積分數的上限設為30%。

2.制造加工約束

（1）拔模約束

由于車橋橋殼是鑄造成型，在鑄造過程中需要考慮刀具進出方向或者脫模方向，材料不能阻礙刀具進出或者脫模。拔模約束分成單模約束和雙模約束兩類，本文施加雙模約束。

（2）對稱約束

由于車橋橋殼是左右對稱件，為了方便加工制造，需要施加對稱約束，則拓撲優化結構也是呈現左右對稱。

3.4? 目標函數

應變能只能針對單一工況，而加權應變能則考慮了多個工況的綜合作用。加權應變能 C 可以由以下公式求得：

其中為第 i 個工況的應變能加權系數，取值區間為[0，1]，本文取 1;Ci為第i個工況的應變能。

3.5? 優化控制參數設置

本文主要設置了棋盤格控制。棋盤格現象是指在優化計算結果中周期性分布半密度單元（即單元密度介于0到1之間）。這種現象的出現不利用結構的制造加工，可以通過設置參數 CHECKER 防止棋盤格現象的出現。

4.拓撲優化計算結果

利用有限元優化軟件對車橋橋殼進行拓撲優化，歷經80次迭代步計算后，最終收斂。目標函數加權應變能隨迭代步的變化曲線如圖所示。

目標函數（加權應變能）迭代曲線圖

由圖可知初始迭代步加權應變能數值 7.72e+06，歷經80次迭代收斂最終加權應變能為4.26e+06，下降了44.8%，優化效果明顯。

三、結語

汽車車橋的未來必然走向減重、節能、環保和舒適，這就需要先進的工程設計和生產支持以及新材料的開發。隨著運輸業的發展，對汽車的需求日益多樣化。作為汽車動力傳輸的重要組成部分，車橋的開發也非常重要。本文根據重卡車橋的特點，運用拓撲優化理論最大限度地進行車橋設計，提高車橋技術水平。有利于汽車行業的全面發展。

作者簡介：

郭瑞，（1985.09.04），性別男，民族漢，籍貫內蒙古呼和浩特，職稱：工程師，學歷：大學本科，研究方向：重卡車橋設計。