新能源車電驅(qū)橋橋殼CAE仿真分析

陳 云

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237011)

相比傳統(tǒng)汽車，新能源電動(dòng)汽車具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、動(dòng)力強(qiáng)勁、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前我國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)需求大，部分企業(yè)試圖“彎道超車”，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，作為關(guān)鍵零部件之一的驅(qū)動(dòng)橋橋殼常發(fā)生故障。因此，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋橋殼設(shè)計(jì)分析對(duì)整車行駛的平順性、可靠性及舒適性非常關(guān)鍵。近年，有限元法已廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)中，程志剛等[1]利用有限元技術(shù)對(duì)橋殼進(jìn)行了垂直載荷工況下的靜力學(xué)分析，得到的每m輪距最大變形量滿足臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；韋洪新等[2]利用Abaqus軟件對(duì)汽車后橋橋殼進(jìn)行了振動(dòng)特性分析，得出其固有頻率值，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的理論基礎(chǔ)；鄭燦輝等[3]利用HyperWorks軟件分析了驅(qū)動(dòng)橋在垂直載荷工況下的靜力情況，并以此結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；楊曉娜等[4]針對(duì)垂直載荷、制動(dòng)、側(cè)滑等典型工況對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行了有限元分析，找出了相應(yīng)的最大應(yīng)力、應(yīng)變位置；胡順安等[5]利用Workbench軟件針對(duì)橋殼總成磨損異常情況進(jìn)行了分析，找出誘因是本身剛度不足。根據(jù)企業(yè)項(xiàng)目研發(fā)的實(shí)際情況，本文采用HyperWorks軟件針對(duì)某新能源商用車電驅(qū)橋進(jìn)行靜力及模態(tài)分析，以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)橋橋殼設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 電驅(qū)橋數(shù)模的建立

考慮有限元分析效率，對(duì)油口、彈簧座處中心孔等非承載件做適當(dāng)簡(jiǎn)化，利用CATIA軟件構(gòu)建電驅(qū)橋橋殼的數(shù)字化模型，見圖1。

圖1 電驅(qū)橋數(shù)模

2 有限元分析

目前校核橋殼性能的主要方法是汽車臺(tái)架試驗(yàn)，基于有限元方法，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行分析。

2.1 有限元模型建立

利用Hypermesh軟件有限元前處理功能對(duì)電驅(qū)橋橋殼的數(shù)模進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，橋殼材料為Q460C，減速器殼材料為A356，各材料參數(shù)見表1。橋殼本體及減速器殼體采用1階四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分(單元數(shù):1 540 504；節(jié)點(diǎn)數(shù):388 317)，螺栓連接采用CBAR單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分(單元數(shù):56；節(jié)點(diǎn)數(shù):4 840)，電驅(qū)橋橋殼有限元模型見圖2。

表1 材料參數(shù)

圖2 電驅(qū)橋橋殼有限元模型

2.2 靜力分析

電驅(qū)橋主要承擔(dān)由地面、發(fā)動(dòng)機(jī)等傳來的載荷，選取垂直載荷、制動(dòng)、側(cè)滑3種典型工況進(jìn)行CAE仿真分析。

2.2.1 載荷處理

載荷考慮為最大載荷的1.5倍，選取橋殼兩側(cè)的鋼板彈簧處中心為載荷添加處，約束兩側(cè)軸承，3種典型工況的載荷處理方式為:垂直載荷工況下電驅(qū)橋橋殼承受115 000 N的垂向力(單邊57 500 N)，受力如圖3(a)所示；制動(dòng)工況下電驅(qū)橋橋殼承受115 000 N的垂向力及82 800 N的制動(dòng)力(縱向)，受力如圖3(b)所示；側(cè)滑工況下電驅(qū)橋橋殼承受115 000 N的垂向力及86 250 N的側(cè)向力，受力如圖3(c)所示。

圖3 3種典型工況受力

2.2.2 應(yīng)力情況

3種典型工況下應(yīng)力分布見圖4，從圖4(a)中可以看出垂直載荷工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在半軸套管與橋殼主體部分的連接臺(tái)階處，為146.4 MPa，小于460.0 MPa屈服強(qiáng)度；從圖4(b)中可以看出制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在半軸套管與橋殼主體部分的連接臺(tái)階處，為372.2 MPa，小于460.0 MPa屈服強(qiáng)度；從圖4(c)中可以看出側(cè)滑工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在半軸套管與橋殼主體部分的連接臺(tái)階處，為155.3 MPa，小于460.0 MPa屈服強(qiáng)度。

圖4 3種典型工況下應(yīng)力分布

2.2.3 形變情況

在有限元靜力分析過程中，董威等[6]、呂婧等[7]用橋殼最大變形量代替測(cè)點(diǎn)的最大變形量，而汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)中要求測(cè)點(diǎn)至少有9個(gè)，因此需對(duì)圖5中的關(guān)注點(diǎn)1～9進(jìn)行形變分析。

圖5 垂直工況關(guān)注點(diǎn)位移

從圖5中可以看出垂直工況下橋殼中部與單側(cè)彈簧座之間位置(過渡大圓弧)處的關(guān)注點(diǎn)6位移最大，其值為0.480 mm，每m輪距的最大變形量為0.300 mm；從圖6中可以看出制動(dòng)工況下橋殼中部與單側(cè)彈簧座之間位置(過渡大圓弧)處的關(guān)注點(diǎn)6位移最大，其值為0.720 mm，每m輪距的最大變形量為0.450 mm；從圖7可以看出側(cè)滑工況下橋殼后蓋部位隆起處的關(guān)注點(diǎn)5位移最大，其值為0.440 mm，每m輪距的最大變形量為0.275 mm。3種工況下變形量都符合QC/T 1126—2019《商用車驅(qū)動(dòng)橋總成》要求。通過對(duì)電驅(qū)橋3種典型工況的有限元分析可知，該橋殼應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在半軸套管與橋殼主體部分的連接臺(tái)階處，較大形變出現(xiàn)在橋殼后蓋部位隆起部分、橋殼中部與單側(cè)彈簧座之間位置(過渡大圓弧)處。

圖6 制動(dòng)工況關(guān)注點(diǎn)位移

圖7 側(cè)滑工況關(guān)注點(diǎn)位移

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的基礎(chǔ)，通過HyperWorks Optistruct計(jì)算求得1～20階模態(tài)固有頻率值，見表2。低階自振頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響比高階大，從表2可以看出驅(qū)動(dòng)橋橋殼一階模態(tài)固有頻率值高，不容易被路面激勵(lì)，與動(dòng)力總成的常用轉(zhuǎn)速頻率錯(cuò)開，所以實(shí)際行駛中不容易產(chǎn)生共振，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，第1階振型及應(yīng)變能分布見圖8。此外，從圖8(b)中可以發(fā)現(xiàn)橋殼中部安裝減速器區(qū)域附近吸收能量較為集中。

表2 1～20階模態(tài)固有頻率值

圖8 第1階模態(tài)

4 結(jié)論

通過對(duì)該電驅(qū)橋橋殼在3種典型工況下的有限元靜力分析與模態(tài)分析，可以看出:各工況最大應(yīng)力均未超出材料許用應(yīng)力，強(qiáng)度足夠；各工況每m輪距的最大變形量均小于1.4 mm標(biāo)準(zhǔn)，滿足變形量要求；橋殼固有頻率值較高，完全避開了路面激振頻率(0～50 Hz)[8-9]。分析可知，半軸套管與橋殼主體部分的連接臺(tái)階處為橋殼潛在的應(yīng)力集中位置，且制動(dòng)工況下的受力情況較為惡劣，同時(shí)，橋殼中心安裝減速器區(qū)域附近吸收能量較為集中，這為進(jìn)一步電驅(qū)橋橋殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。