汽车驱动桥壳的有限元分析和优化
汽车工程
２０１２年（第３４卷）第６期
ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１２（Ｖ０１．３４）Ｎｏ．６
２０１２１０４
汽车驱动桥壳的有限元分析和优化丰
刘
为１，薛克敏１，李萍１，杜长春２，唐子玉２
（１．合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥２３０００９；２．舍肥车桥有限责任公司，合肥２３００１１）
【摘要】建立了基于ＡＮＳＹＳ的汽车驱动轿壳的参数化有限元模型，在最大垂向力工提下对桥壳进行静力分析，得到桥壳的应力和位移分布规律。对桥壳进行模态分析，得到桥壳１—５阶固有振动频率。通过疲劳寿命分析，获得桥壳各部分的疲劳寿命和安全系数。最后采用目标驱动优化方法对桥壳进行以轻量化为目标的优化。有限元
分析和试验验证结果表明，优化后桥壳轻鼍化效果明显，应力与变形符合要求。关键词：驱动桥壳；静力分析；模态分析；疲劳寿命；优化
ＦＥ
Ａｎａｌｙｓｉｓ
ａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＶｅｈｉｃｌｅＤｒｉｖｅＡｘｌｅＨｏｕｓｉｎｇ
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２３０００９；２．Ｈ弘Ａｕｔｏｍｏｂ／ｋ舡ｋＣｏ．，／Ｍ．，ｊ１６和２３００１１
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａ
ｐａｒａｍｅｔｒｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｄｒｉｖｅａｘｌｅｈｏｕｓｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｌｌＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ
ａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａ地ｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｕｎｄｅｒｔｈｅｍａｘｉｍｌｌｍｖｅｒｔｉｃａｌｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉ—
Ｓｔｔｏ５ｔｈｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｌｅ
ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｏｆｔｈｅ
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ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｖｅａｘｌｅｈｏｍｉｎｇ；ｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿
命‘¨１。
．
本文中采用有限元法对威铃轻型货车后驱动桥汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方
壳（假定为整体成形桥壳，ｊＥ冲焊桥壳，忽略焊接的影响）在最大垂向力工况下进行强度刚度校核，模态分析，在此基础上进行疲劳寿命预测，找出驱动桥壳主要依靠经验逐渐发展剜应用有限元方法进行强度的潜在危险位置。在保证满足桥壳强度刚度的条件下，对桥壳进行优化，实现桥壳轻量化。最后对轻量生产过程中的高性能、低成本与轻量化的矛盾口Ｊ。
化的结果进行模拟验证，从而确定了较合理的设计驱动桥壳是汽车的主要承载件和传力件．作为主减
方案，由此提高了产品性能，节省了材料，提高了驱
动桥壳的设计水平，减少了实际试验研究的费用和
轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力和横向力，
时间，为企业对桥壳改进和瓶产品开发提供理论
也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上的。因此，
指导。
ｔ安徽省优秀青年科技基金项目（１００４０６０６Ｙ２１）和安徽省科技攻关计划项目（１１０１０２０２１６０）资１１／Ｊ。
原稿收到日期为２０１１年２月２２１３，修改稿收到ｔｑ期为２０１１年６月２８日。
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏ璐ｏｆ
ｌｉｏｎ．１ｄｒｉｖｅａｉｍｅｄｔｈａｔｍｅｅｔｉｎｇ前言
法，汽车轻量化实质上是零部件轻量化。一方面节约原材料，降低生产成本；另一方面降低燃油消耗，减少排放…。目前周内对汽车零部件的设计已经从计算和分析阶段。只有结构优化方法能够解决汽车速器、差速器和半轴的装配基体，并将载荷传给车
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１
最大垂向力工况静力分析
对４５ｔ江淮威铃轻型货车桥壳进行静力分析，
桥壳尺寸参数如下：壁厚８ｍｍ，轮距ｌ６００ｒａｍ，板簧距８９０ｒａｍ。桥壳材料属性如表１所示。在ＡＮＳＹＳＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ中建立参数化模型（壁厚为设计变
量），在保证有限元分析精度的条件下，忽略一些无
关紧要的结构，如放油孔、加油孑Ｌ和螺栓孔等，保留对有限元分析有影响的部分，如凸包、固定环、轴头
和钢板弹簧座等，建立如图１所示的实体模型；导人
ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ后划分网格（无需定义单元类
型），施加载荷和约束，如表２所示，求解后得到桥壳
的ｒａｉｓｅｓ应力分布云图和等效位移分布云图，如图２
和图３所示。
表１桥壳材料属性
名称材料
弹性模密度／屈服应量／ＧＰａ
泊橙比
（ｋｅ／ｍ３）
力／ＭＰａ
桥壳本体７８４ｘ１０３３４５轴头
４０Ｃｏ
２１０
Ｏ３
７９ｘ１０Ｊ
６５０
ｊ－一，．ｆ’
罔３等放位移分布五同
等效位移较大区域出现在两板簧座之间区域，最大变形量为１．２４５ｍｍ。由于轮距为１６ｍ，每１ｍ轮距变形量为０．７７８ｍｍ，远小于１．５ｍｍ。桥壳满足强度和剐度要求。
２模态分析
图】桥壳参数化模型
模态振型的大小表征的是在某一点固有频率上
振动量值之间的相对比值，反映该固有频率上振动
表２桥壳加载和约束条件
的传递情况，并不反映实际振动变形数值”］。模态加载条件垂向力加载到板簧座的面上，太小为２７５６２５Ｎ分析是进行各项动力分析的前提和基础，它为振动
系统的动态设计和故障诊断提供了数值依据’“。
约束条件
约束桥壳一端轮距址平血ｘ、Ｙ，Ｚ方向的平动．约束另一端轮距处平面Ｙ、ｚ方向的平动
汽车在行驶过程中，在保证驱动桥壳有足够静强度和刚度的同时，还须考虑其振动情况。为避免
对于应力分析，文中采用ｒａｉｓｅｓ应力作为评价标
共振，桥壳的固有频率必须大于工作频率。对桥壳
准”１，其表达式为
进行模态分析。得到如表３所示的固有振动频率。
√［（ｏ－ｌ一盯２）２＋（盯２一口３）２＋（矿３一盯１）２］／２≤［盯］
表３优化前桥壳ｌ－５阶固有振动频率
（１）
如图２所示，应力集中出现在约束处，最大应力计算结果，Ｈｚ
９５９５８
１３９５７３２６７３６１９６
３６３１２
为１９３．２１ＭＰａ。应力较大区域位于板簧座和中间凸包之间的过渡区域，但都远小于材料的屈服应力汽车在凹凸不平的路面上行驶，汽车振动系统（３４５ＭＰａ），其他区域应力较小。
承受路面作用的激励多属于频率在０～５０Ｈｚ范围的
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－５２５
垂直振动”１。桥壳的固有频率远大于工作频率，桥
壳不会产生共振破坏。
选取非常困难。采用桥壳本体材料的Ｓ－Ｎ曲线进行
计算分析，忽略与其他零件材料的差异性。把Ｓ－Ｎ
曲线输入到ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ进行疲劳寿命分析，
３疲劳寿命分析
驱动桥壳疲劳试验属于低应力高周疲劳，则采
用应力寿命曲线（Ｓ．Ｎｃｕｒｖｅ）”Ｊ。材料疲劳寿命的通用公式一，为
（２）
采用应力一寿命法。综合考虑平均应力、载荷条件与疲劳强度系数等疲劳影响因素，并按线性累积损伤
理论进行疲劳计算。
通过计算桥壳的疲劳寿命见图６，桥壳的最低寿命约为７７８．６５万次，远远超过《汽车驱动桥台架试验评价指标》中规定的中值寿命８０万次。图７为
桥壳的安全系数，桥壳虽低安全系数为１．２８６９。大于Ｉ，因此桥壳是安全的，符合桥壳台架试验的规定。
ｌＷ，＝ｎ＋ｂｌｇｔｒ
ａ、ｂ为与存活率有关的常数。
式中：虬为存活率为Ｐ时的疲劳寿命；盯为应力幅；
通用的有限元分析方法进行疲劳寿命分析的流程如图４所示，决定零件强度的主要应力参数是应
力幅。蛆是平均应力的影响也不能忽视，一般采用
疲劳极限图Ｇｏｏｄｍａｎ图对计算应力谱进行修正，最后按线性累积损伤理论对桥壳各处进行疲劳计算。
誓，’
圈４疲劳寿命分析流程图
本文中桥壳本体所用材料为１６Ｍｎ，半轴套管材
料为４０Ｃｒ。在存活率Ｐ＝９９％时，与１６Ｍｎ存活率有
关的材料常数口＝２９．５０２，ｂ＝一９．５８８”…，与４０Ｃｒ存活率有关的材料常数ａ＝２１．３８，ｂ＝一６．０７”Ｊ。代人式（２），绘制如图５所示的Ｓ－Ｎ曲线。由于后桥壳的零件材料不是单一类型，从而造成Ｓ－Ｎ曲线的
弋ｙ‘
图７桥壳安全系数
综上所述，桥壳在设计时安全系数过大，浪费了材料，可以在保证强度和刚度的条件下对其进行优
芒
：ｏ
化，以减轻桥壳质量。
型
４桥壳优化
目前结构优化有两种主要途径。一是通过拓扑优化方法在其最大设计空间内寻找材料的最优分布。能够在满足所需性能的前提下，达到所需的最
图５
Ｓ－Ｎ曲线
小柔顺度、体积或质量。但是拓扑优化存在不能控
汽车工程２０１２年（第３４卷）第６期
制结构局部强度的缺点。另一种址形状优化，能够８ｏｏｏｌ
７３０５４
ｌ８７３
２２３４４
使局部强度和刚度达到指定目标的同时质量和体积／
最小化２。综合比较宵采用形状优化。
目标驱动优化是一种多目标优化技术．从一组————————一
样本（即一定母的设计点）中得出最佳的设计点。本文中的设计变鼙为桥壳罐厚。根据桥壳生产的经验和管材壁厚的规格，选取５、５７５、６．５、７．２５和
８ｍｍ
５个设计点。输人参数是桥壳壁厚，输出参数
为桥壳质量、最大等效ｍｉｓｅｓ应力和最大等效位移。
经过ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ优化得到响应曲面，如
必
图８所示。响应曲面主要用于直观观察输入参数的壁厚／帅ｎ
质量衄
量太等效最大等效位移，ｍｍ应力，ＭＰａ
影响，通过图表形式动态显不输入与输出参数的关系。随着桥壳壁厚减小，桥壳质量减轻，桥壳的最大图Ｂ响应曲面
等效位移增大，最大ｍｉｓｅｓ应力也旱现增大的趋势。
通过优化结构体积束达到优化结构质鼙的目式巾：Ｗ．（ｘ）为不同壁厚ｘ下桥壳质量。
的。以质量最轻为目标函数，优化问题描述为
经过ＡＮＳＹＳ分析计算．产生３个最佳候选设计目标甬数：ｍｉｎＦ（ｚ）＝Ｗ．（ｘ）点，如图９所示，经过比较可知设计点Ａ为最佳设计设计变量：ｚ（５≤ｘ≤８）
点。经圆整得壁厚ｚ＝５ｍｍ时，桥壳在满足要求的前约束方程：盯一≤［盯，］，６舢，≤［也］
提下质量最轻。
Ｅ互Ｅ墨２疆＝二ｉ～
架试验有关规定，满足使用性能要求。
５结果验证
５．１有限元分析
为验证优化后结果的廿『靠性，对壁厚为５ｍｍ的桥壳进行模态和疲劳寿命分析，结果见表４、图１０和
图１１。优化后桥先同有频率大于其丁作频率，不会
引起共振危险。从图１０和图１１可以看出，优化后桥壳的疲劳寿命最低为１３１．７万次，安全系数为
／
１０３８
２，相比优化前有所降低．但仍然符合桥壳台表４优化后桥壳１—５阶固有振动频率
图ｌｏ优化后桥壳疲劳寿命
阶献５．２试验验证
计算结果／Ｈｚ
９２６５
１３２Ｏｌ
３０８９３
依据ＱＣ／Ｔ５３３－－１９９９（汽车驱动桥台架试验方
２０１２（Ｖ０１．３４）Ｎｏ６刘为，等：汽车驱动桥壳的有限元分析和优化
・５２７
５．３优化前后比较
在不改变桥壳使用性能的前提下，优化前桥壳质量为７３．０５３ｋｇ，优化后减少到５９．９０９ｋｇ，轻量化
效果较明显，具体比较见表６。
表６桥壳优化前后比较
优化前
质量／ｋｓ最大应力／ＭＰａ最大位移／ｍｍ
７３０５３
优化后改变避变化辜，％
ｌ”２２２４３４１．９０３
＋Ｏ６５８
＋３４６
法》对优化后桥壳进行垂直弯曲疲劳试验，试验采用型号为ＺＤＨ－ＱＫ．ＰＬ的桥壳疲劳试验机，满载轴荷为
６结论
采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对驱动桥壳进行强度和刚度校核及模态分析，计算结果表明桥壳具有足够的强度和刚度。并在此基础上进行疲劳寿命分析，找出驱动桥壳潜在的危险位置。利用目标驱动优化方法对桥壳进行优化，桥壳质量降低了２１９％，轻量化效果明显，节约了材料，结构更加合理。汽车驱动桥壳的轻量化设计可为企业生产起到一定的指导作用。
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图１２桥壳台架试验装置
２０
表５桥壳台架试验结果
样品号ｌ
寿命／万次ｌ
ｉ８０
１
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