汽車車橋結構的有限元分析

劉 昕

(西安汽車職業大學，陜西 西安 710600)

0 前言

作為汽車的承載模塊，車橋是整車結構的關鍵部件之一，其動態特性對汽車整體性能具有直接的影響。有限元分析廣泛應用于各種線性和非線性問題，是一種分析大型復雜工程結構的有效方法。隨著計算機技術的發展，有限元分析已成為結構分析的常用方法，可以實現多種幾何形狀、邊界條件的結構分析和優化[1]。因此，采用有限元分析探究汽車車橋的結構特性具有現實意義。

1 汽車車橋結構有限元分析

1.1 車橋結構參數的導入

本文以某品牌越野車為例進行車橋結構有限元分析。該越野車搭載了前置發動機，采用四輪四驅方式，核定乘員為4人，最高車速大于120 km/h。前后懸架均采用空氣彈簧式懸架，整車采用齒輪齒條式轉向系統，制動系統采用鉗盤式制動器。整車電氣系統和液壓系統均采用統一設計布置，系統的一體化程度較高。該越野車的其他技術參數為：軸距3 800 mm，輪距1 680 mm，整備質量3 800 kg，額定總質量5 800 kg，前橋最大軸荷2 000 kg，后橋最大軸荷3 800 kg。

1.2 有限元建模

MSC.Patran軟件是一款有限元分析求解器，具有工程分析、干涉報警、用戶自定義、結果評估等功能，可以實現從產品設計到生產制造整個流程的性能仿真[2]。采用MSC.Patran軟件對某品牌越野車的車橋結構進行了建模和有限元網格劃分。

該車橋結構的有限元分析實體包括4個點約束和4個面約束。其中，每個點約束包括3個平移自由度約束和1個旋轉自由度約束[3]。為了準確表達實體部件信息，可從空間視角著手，僅考慮3個平移自由度，進行實體幾何形狀的真實逼近，獲得反映汽車車橋結構全部幾何變換的有限元模型。

經過有限元網格劃分后的汽車車橋結構模型如圖1所示。通過有限元網格計算，該車橋結構內節點數量為10 951個，單元體數量為6 352個，網格劃分密度較高的位置處于車橋變截面區域。

圖1 車橋結構的有限元網格模型

1.3 材料配置

在建模過程中，忽略了汽車車橋安裝縫隙、進油孔和倒角等細部結構，僅根據車橋組件部位差異進行不同材料的配置[4]。該汽車車橋結構主要部件的材料性能參數如表1所示。

表1 汽車車橋結構主要部件的材料性能參數

2 靜力學分析

2.1 最大制動力工況

在車輛滿載并處于緊急制動的工況下，不考慮側向力的影響，汽車車輪不僅要承受來自地面的制動應力，還要承受垂直載荷應力。其中，最大地面制動應力為車輛在滿載時相對于車輛在水平路面靜止時車橋施加的載荷應力。通過該車輛的實際行駛工況試驗測得，該數值為990.0 MPa[5]。由于車輛滿載并處于緊急制動工況下，其最大制動力可轉化為施加在后輪空氣彈簧座外側的2 個垂直力和施加在輪轂內軸上的扭矩，可設定約束條件為：車橋端面位置節點的X軸方向平移、Y軸方向平移和Z軸方向平移，以及沿Y軸方向的旋轉。

在車輪與地面附著系數為0.7的情況下，在緊急制動工況下車輪處于滑動狀態，車橋結構承受的制動力為最高水平，測得最大制動力為3 480.0 N。通過經驗公式測算，由最大制動力引起的扭矩為最大制動力與扭矩系數(系數為0.66)的乘積，該扭矩為2 241.6 N·m。在最大制動力工況下，運用MSC.Patran軟件對汽車車橋關鍵位置的應力值進行了計算，計算結果見表2。

表2 最大制動力工況下車橋關鍵位置的應力值

由表2可知，該車輛在最大制動力工況下，車橋的最大應力值為70.0 MPa，位于車橋頭部，小于材料的屈服強度極限和抗拉伸強度極限，滿足車橋結構的可靠性要求。

2.2 最大驅動力工況

在行駛路面比較平坦，車輛處于滿載且驅動力最大的工況條件下，此時汽車車橋結構主要受到車身載荷、對應輪胎的反作用力及車橋切向力的作用，且均處于最大值。在不考慮側向力和特殊路面條件的情況下，由傳動軸作用產生的切向力是威脅車橋結構可靠性的主要因素。汽車車橋單側承受扭矩L的計算公式為：

式中，Lmax為傳動輸出軸的扭矩最大值，單位N·m；i為減速比；n為傳動效率。

通過計算可得，車橋單側承受扭矩L為217.2 N·m。在約束車橋邊界條件下，將該扭矩和載荷力分別施加到彈簧座兩端后，可得出在最大驅動力工況下汽車車橋承受的應力值，見表3。

表3 最大驅動力工況下車橋關鍵位置的應力值

由表3可知，車輛在最大驅動力工況下，車橋關鍵位置的應力最大值為214.5 MPa，位于空氣彈簧底座靠近車橋頭部(即半軸殼管與板簧座連接位置)，其最大應力值小于材料屈服強度極限，滿足車輛在最大驅動力工況下行駛時的車橋穩定性要求。

2.3 最大側向力工況

在汽車滿載且發生側滑的情況下，車輛全部載荷的承受對象可認定為發生側滑的車輪。車橋承受的側向力為汽車滿載且相對于水平路面靜止時車輛給予地面的載荷與輪胎路面側向附著系數的乘積[6]。因最大側向力可轉化為側滑方向一側的施加力，可分解為水平方向的側向力、施加在Z軸上的扭矩，以及車輛另一側的垂直力。約束條件可設定為：車橋抗滑端面X軸方向的平移、Z軸方向的平移和Y軸方向的旋轉，以及另一端面的X軸方向平移、Y軸方向平移和Z軸方向平移。運用MSC.Patran軟件，對多載荷作用下汽車車橋關鍵位置的應力值進行了計算，計算結果見表4。

由表4可知，車輛在最大側向力工況下，車橋最大應力約為70.0 MPa，位于車橋結構的兩端，主要是由于車輛在高速、滿載，并處于側滑的極限工況下，與側滑方向不同的車輪垂直反向力和側向力幾乎為零，而與側滑方向一致的車輪垂直反向力和側向力則達到最大值，車橋尾部(輪轂軸承側)所承受的應力最大。該最大應力值小于材料屈服強度極限，可以保證車輛在最大側向力工況下的車橋結構穩定性。

表4 最大側向力工況的車橋關鍵位置的應力值

2.4 最大垂直力工況

在汽車滿載且行駛路面不平整的情況下，汽車所承受的載荷為沖擊載荷，可以忽略側向力和切向力的作用，將車橋殼體簡化為簡支梁。設定沖擊載荷為2.5倍滿載荷載，載荷承受部位為空氣彈簧座，施加在左側彈簧座上的載荷G左和施加在右側彈簧座上的載荷G右的表達式分別為：

式中，L左、L右分別為左側和右側空氣彈簧座中心與車橋中心位置的距離，單位mm。

最大垂直力可視為均等施加在空氣彈簧座各節點上的載荷力，設定約束條件為：汽車車橋一端端面節點的X軸方向的平移、Y軸方向的平移和Z方向的平移，以及車橋另一端面節點的X軸方向的平移、Y軸方向的旋轉和Z軸方向的平移。根據該車輛滿載設計質量為9.9 t，運用MSC.Patran軟件，對最大垂直力工況下的汽車車橋關鍵位置的應力值和變形量進行了計算，計算結果見表5。

表5 最大垂直力工況下車橋關鍵位置的應力值和變形量

由表5可知，在最大垂直力工況下，車橋關鍵位置的最大應力值為118.9 MPa，位于車橋一端，處于材料屈服強度極限內，能夠滿足車橋的安全性需求。此外，根據國家對汽車車橋結構的可靠性要求，在車輛承受最大垂直載荷時，最大變形量應小于1.5 mm。因此，該車輛的車橋結構滿足最大垂直力工況下的強度和剛度需求。

考慮到汽車車橋一端承受的應力值遠遠高于另一端，為了避免汽車在最大垂直力工況下發生車橋端斷裂，可以在保證汽車車橋外殼受力位置一定的情況下增加車橋外殼厚度，提高車橋的剛度。一般而言，當汽車車橋厚度為3.5 mm 時，車橋端承受的應力處于最大值，隨著車橋厚度的增加，其所承受的應力也會下降，最佳的車橋厚度為4.3 mm。

3 結語

綜上所述，利用有限元分析，可以將具有多個自由度的汽車彈性連續體轉化為僅有若干自由度的單元集合體，通過數值解法可簡化邊界條件復雜的大型連續載荷，為車橋結構的優化提供數據支撐。本文利用計算機軟件建立汽車車橋結構的有限元模型。在有限元模型內，通過分析最大垂直力、最大驅動力、最大制動力及最大側向力，計算汽車車橋結構承受的應力。同時，根據汽車車橋結構承受應力的情況，優化車橋結構，解決車橋結構因應力集中而導致的可靠性下降問題，提高車輛行駛的安全性和穩定性。