某轻卡驱动桥壳疲劳寿命分析及结构优化

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  汽车驱动桥是汽车的主要传力件和承载件，与从动桥共同支承车架及其上的各种重量。并承受由车轮传来的路面反作用力和力矩。驱动桥壳又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳，因而驱动桥壳应具有足够强度和刚度。这要求后桥在强度、刚度、韧性上有较高水平，因此对桥壳的疲劳寿命要求颇为严格，利用计算机辅助工程(CAE)，可以对汽车关键零部件进行寿命预测，可大大缩短开发周期，又能节省大量试验费用。

    本文建立驱动桥壳有限元模型，利用应变试验验证有限元模型的精度，对桥壳寿命进行预估，发现桥壳设计存在缺陷，桥壳进行了优化设计并进行了试验验证，使桥壳寿命大大提高。

后桥壳有限元模型建立及验证

    应用前处理软件Hypermesh建立后桥有限元模型，桥壳材料B510L，在两个半轴套管处施加约束，放开后桥沿整车坐标系Y向平动及绕X向转动自由度，有限元模型如图1所示。

    后桥轮距为1395mm，额定载荷为4t，在板簧座处施加1/2的额定载荷，在有限元模型上加载，选择出应力最大的6个测点，在测点位置贴应变片，贴片试验位置如(图1-b)所示。从表1可以看出，试验结果与CAE分析结果误差在10%以内，验证了有限元模型的精度。可以用此有限元模型做后继的疲劳分析。

疲劳分析

    在板簧支座处施加1N的单位力，计算后桥壳在单位力作用下的应力结果，利用NCODE疲劳软件中搭建疲劳流程。疲劳分析时施加0.5~2.5倍的额定载荷，施加载荷大小与疲劳台架试验一致，采用SN疲劳分析方法，后桥桥壳材料为B510L，材料屈服极限355MPa，抗拉极限560MPa。根据桥壳的制造工艺，在NCODE中设定合适的表面处理系数和表面粗糙度。从CAE分析发现，减振器支座附近在单位力作用下应力最大，并且其寿命最低，疲劳寿命为37.9万次，存在断裂风险，现需要进行疲劳台架试验进一步验证。后桥壳台架疲劳试验的企业标准为：3件同批次试验样件中，最低寿命不能低于50万次，平均寿命不能低于80万次。试验结果如表2所示。结果显示桥壳在板簧支座平均疲劳寿命为20.66万次，不满足标准要求。试验断裂位置及结果与CAE预测的结果吻合。

桥壳疲劳失效原因分析

    对桥壳试验故障件进行分析，未达到疲劳寿命要求的原因可能有：1.板簧座与减振器支座两个焊缝较近，焊接工艺不符合要求，造成局部焊接应力集中；2.桥壳钢材材质不符要求；3.桥壳本身设计强度不足。

    后经工艺检查分析确认，桥壳焊接工艺满足工艺要求；对桥壳材质进行检测，钢材符合国家标准。初步可以判断，减振器支座结构及焊接位置及桥壳本身设计强度不足是桥壳失效的主要原因。

优化方案

    1.优化方案制定

    疲劳台架试验验证桥壳在减振器支座附近断裂，考察桥壳在单位力作用下主应力大小及方向，如图4所示，可以看出桥壳在变截面位置，桥壳受的拉应力最大，塑性材料抗拉的能力小于抗压能力，在最大拉应力位置焊接减振器支座，焊接会使材料的性能降低，容易发生撕裂，疲劳台架试验3个样件都在减振器支座焊接位置撕裂。现将减振器支座结构及焊接位置进行优化，优化方案如图5所示。

    2.优化方案CAE验证

    在做疲劳台架之前，对优化方案进行疲劳分析。疲劳寿命云图如图6所示，优化方案中靠近减振器支架处寿命由37.9万次提高到65.6万次，寿命提高了73.1%，寿命大大得到提高，从疲劳寿命云图中可以看出，虽然优化了减振器支座结构和焊接位置，但是在变截面位置，拉应力依然最大，疲劳寿命还是最低，不满足80万次的设计需求，初步判断是桥壳本身强度不足。

    3.优化方案台架试验验证

    经过CAE验证后，确定优化方案可大大提高桥壳寿命。现对优化方案做疲劳台架试验验证。表3是疲劳台架试验结果，试件平均寿命为66.8万次，断裂位置在桥壳受最大拉应力的位置，断裂位置与用疲劳软件分析的位置是一致的，试验结果与CAE分析结果误差为1.8%，充分验证了用CAE分析可以很好的模拟桥壳的寿命。图6是疲劳台架试验断裂位置图片。

总结及建议

    通过CAE分析及疲劳台架试验可知，桥壳在变截面位置容易发生断裂，避免在变截面位置焊接附件，附件焊接产生的应力将严重影响桥壳疲劳寿命，导致桥壳过早疲劳断裂。在保证桥壳焊接工艺及材质的条件下，在过度区域在设计时要有大的设计余量，保证桥壳本身强度满足使用要求。

    通CAE分析可以很好的预测桥壳的疲劳寿命，可以借助CAE分析大大减少试验费用，降低试验周期，为后期桥壳的设计提供依据。