目前我國(guó)低速電動(dòng)汽車大多采用半浮式半軸結(jié)構(gòu)整體驅(qū)動(dòng)橋，其主要作用是承受載荷，這就要求驅(qū)動(dòng)橋橋殼具有足夠的剛度及強(qiáng)度。低速電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)自與主減速器直接相連的電機(jī)，主減速器與電機(jī)的重量在驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元分析中也是需要考慮的因素。因此，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行剛度及強(qiáng)度的有限元分析，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 驅(qū)動(dòng)橋三維模型的建立

根據(jù)某低速電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼設(shè)計(jì)圖紙?jiān)贑ATIA零件設(shè)計(jì)模塊中建立法蘭部件、半軸套管部件、彈簧座部件、橋殼本體部件及主減速器殼部件的三維實(shí)體模型，并在CATIA裝配設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行各部件間的裝配，裝配好的驅(qū)動(dòng)橋橋殼三維實(shí)體模型如圖1所示。為了提高有限元分析效率，在建立各零部件三維模型時(shí)，將對(duì)分析結(jié)果影響較小的油管支架、縱擺臂支架、減震器支架刪除，同時(shí)為了保證有限元分析精度，保留驅(qū)動(dòng)橋殼各部件的倒圓角。某低速電動(dòng)汽車相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋橋殼三維實(shí)體模型

Fig.1 The 3D solid model of drive axle housing

表1 某低速電動(dòng)汽車相關(guān)參數(shù)
Tab.1 Relevant parameters of an electric vehicle


2 驅(qū)動(dòng)橋極限工況分析

汽車實(shí)際受力情況較為復(fù)雜，一般按最大沖擊載荷工況、最大驅(qū)動(dòng)力工況、最大制動(dòng)工況以及最大側(cè)向力工況進(jìn)行分析。如果該低速電動(dòng)汽車后驅(qū)動(dòng)橋橋殼在上述4種極限工況下滿足強(qiáng)度、剛度要求，則認(rèn)為該橋殼滿足汽車各種使用工況要求[4]。為了方便理論計(jì)算及有限元分析，需要確定三維坐標(biāo)系，現(xiàn)以汽車前進(jìn)方向?yàn)閆軸正向，汽車前進(jìn)方向的驅(qū)動(dòng)橋軸向左側(cè)為X軸正向，豎直向上方向?yàn)閅軸正向，理論分析和有限元分析過(guò)程中均采用該坐標(biāo)系。

2.1 最大沖擊載荷工況

當(dāng)汽車滿載行駛在不平路面時(shí)，橋殼除需要承受來(lái)自電機(jī)主減速器的重力作用外，還需要承受來(lái)自不平路面的沖擊載荷，該沖擊載荷通過(guò)車輪-半軸-支承軸承-橋殼的傳遞方式由地面?zhèn)鬟f到橋殼，一般最大沖擊載荷的值以1.75倍滿載軸荷代替，該工況下驅(qū)動(dòng)橋橋殼不受其它力和彎矩的作用[5-6]。沖擊載荷工況受力分析如圖2所示。

圖2 沖擊載荷工況受力分析圖

Fig.2 The force analysis diagram of impact load condition

結(jié)合表1和圖2可知，最大沖擊載荷工況下電機(jī)主減速器重力為

G1=Kdm1g=943.25 N                (1)

單側(cè)法蘭內(nèi)安裝支承軸承處受到的垂向力為

             (2)

式中：Kd為動(dòng)載荷系數(shù)，取1.75；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

2.2 最大驅(qū)動(dòng)力工況

汽車以最大驅(qū)動(dòng)力行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋橋殼需要承受電機(jī)主減速器的重力、驅(qū)動(dòng)橋滿載重力和最大驅(qū)動(dòng)力作用。其中最大驅(qū)動(dòng)力可由電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩或地面附著力求得。最大驅(qū)動(dòng)力工況受力分析如圖3所示。

圖3 最大驅(qū)動(dòng)力工況受力分析圖

Fig.3 The force analysis diagram of maximum driving force condition

結(jié)合表1和圖3可知，最大驅(qū)動(dòng)力工況下電機(jī)主減速器重力為

G2=m2″m1g=646.8 N              (3)

單側(cè)法蘭內(nèi)安裝支承軸承處受到的垂向力為

          (4)

通過(guò)地面附著力計(jì)算，單側(cè)法蘭內(nèi)安裝支承軸承處的最大驅(qū)動(dòng)力為

          (5)

通過(guò)電機(jī)最大扭矩計(jì)算，單側(cè)法蘭內(nèi)安裝支承軸承處的最大驅(qū)動(dòng)力為

          (6)

式中：m″為最大驅(qū)動(dòng)力工況下驅(qū)動(dòng)橋載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，取1.2；φ為地面附著系數(shù)，取0.8。由于地面附著力大于電機(jī)產(chǎn)生的最大驅(qū)動(dòng)力，因此以電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力為最大驅(qū)動(dòng)力。

單側(cè)法蘭內(nèi)安裝支承軸承處受到的力矩為

          (7)

2.3 最大制動(dòng)力工況

當(dāng)汽車緊急制動(dòng)時(shí)，不考慮側(cè)向力，此時(shí)驅(qū)動(dòng)橋橋殼主要承受電機(jī)主減速器的重力、驅(qū)動(dòng)橋滿載重力和制動(dòng)力的作用。最大制動(dòng)力工況受力分析如圖4所示。

圖4 最大制動(dòng)力工況受力分析圖

Fig.4 The force analysis diagram of maximum braking force condition

結(jié)合表1和圖4可知，最大制動(dòng)力工況下電機(jī)主減速器重力為

G3=m3″m1g=431.2 N             (8)

單側(cè)法蘭內(nèi)安裝支承軸承處受到的垂向力為

         (9)

單側(cè)法蘭內(nèi)安裝支承軸承處受到的最大制動(dòng)力為

         (10)

制動(dòng)鼓與法蘭相連，最大制動(dòng)力時(shí)的力矩作用在法蘭上，且每個(gè)法蘭上有4個(gè)螺栓孔。

單側(cè)法蘭每個(gè)螺栓孔制動(dòng)力矩為

             (11)

式中：m3″為最大制動(dòng)力工況下的驅(qū)動(dòng)橋載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，取0.8。

2.4 最大側(cè)向力工況

當(dāng)汽車極限轉(zhuǎn)彎、處于側(cè)滑狀態(tài)時(shí)，發(fā)生側(cè)滑一側(cè)的垂向力和側(cè)向力達(dá)到最大值，另一側(cè)受力為零。假設(shè)汽車向右極限轉(zhuǎn)彎(有向左側(cè)翻趨勢(shì))時(shí)，最大側(cè)向力工況受力分析如圖5所示。

圖5 最大側(cè)向力工況受力分析圖

Fig.5 The force analysis diagram of maximum lateral force condition

結(jié)合表1和圖5可知，最大側(cè)向力工況下電機(jī)主減速器重力為

G4=m1g=539 N                      (12)

側(cè)滑一側(cè)(汽車前進(jìn)方向左側(cè))的法蘭內(nèi)安裝支承軸承處受到的垂向力為

FY4=mg=7 350 N                   (13)

側(cè)滑一側(cè)(汽車前進(jìn)方向左側(cè))的法蘭內(nèi)安裝支承軸承處受到的側(cè)向力為

FX4=mgφ，=7 350 N             (14)

式中：φ，為側(cè)滑附著系數(shù)，取1.0。

3 有限元分析

3.1 定義材料屬性

該電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼包括法蘭、半軸套管、彈簧座及橋殼本體，其中法蘭及彈簧座所用材料為40Cr，半軸套管及橋殼本體的材料為45號(hào)鋼，主減速器殼的材料為鑄鋁，各材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各材料性能參數(shù)
Tab.2 Performance parameters of various materials


3.2 定義連接關(guān)系和網(wǎng)格劃分

主減速器殼體和橋殼本體之間采用共節(jié)點(diǎn)的連接方法，半軸套管與法蘭、半軸套管與彈簧座、半軸套管與橋殼本體之間均采用綁定連接的方法。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)為了減少計(jì)算量，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼不同部件采用不同類型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。半軸套管采用實(shí)體殼單元網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行劃分，網(wǎng)格形狀為四邊形，單元尺寸8 mm；兩側(cè)法蘭及彈簧座結(jié)構(gòu)和受力情況比較復(fù)雜，采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸3 mm；主減速器殼體和橋殼本體也采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸6 mm。得出節(jié)點(diǎn)數(shù)246 185個(gè)，單元數(shù)143 144個(gè)。驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元網(wǎng)格劃分如圖6所示。


圖6 驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元網(wǎng)格劃分圖

Fig.6 Finite element mesh division diagram of drive axle housing

3.3 邊界條件及結(jié)果分析

本文采用彈簧座處添加約束條件、法蘭內(nèi)側(cè)軸承支承處添加載荷的方式進(jìn)行邊界條件添加，各種工況下的彈簧座處約束條件見(jiàn)表3，其中“Free”表示該自由度是釋放的，“0”表示該自由度是約束的，根據(jù)上文分析的各工況下的載荷進(jìn)行載荷添加。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分和有限元計(jì)算得出各工況下等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力和變形云圖如圖7—圖18所示，其中圖7、圖8、圖10、圖11、圖13、圖14、圖16及圖17的上半部分為整體應(yīng)力云圖，下半部分為去除彈簧座后的應(yīng)力云圖。

表3 各種工況下的彈簧座處約束條件
Tab.3 Constraints on spring seats under various working conditions



圖7 沖擊載荷等效應(yīng)力云圖

Fig.7 Equivalent stress nephogram of impact load


圖8 沖擊載荷剪切應(yīng)力云圖

Fig.8 Shear stress nephogram of impact load


圖9 沖擊載荷變形云圖

Fig.9 Deformation nephogram of impact load


圖10 最大驅(qū)動(dòng)力等效應(yīng)力云圖

Fig.10 Equivalent stress nephogram of maximum driving force


圖11 最大驅(qū)動(dòng)力剪切應(yīng)力云圖

Fig.11 Shear stress nephogram of maximum driving force


圖12 最大驅(qū)動(dòng)力變形云圖

Fig.12 Deformation nephogram of maximum driving force


圖13 最大制動(dòng)力等效應(yīng)力云圖

Fig.13 Equivalent stress nephogram of maximum braking force


圖14 最大制動(dòng)力剪切應(yīng)力云圖

Fig.14 Shear stress nephogram of maximum braking force


圖15 最大制動(dòng)力變形云圖

Fig.15 Deformation nephogram of maximum braking force


圖16 最大側(cè)向力等效應(yīng)力云圖

Fig.16 Equivalent stress nephogram of maximum lateral force


圖17 最大側(cè)向力剪切應(yīng)力云圖

Fig.17 Shear stress nephogram of maximum lateral force


圖18 最大側(cè)向力變形云圖

Fig.18 Deformation nephogram of maximum lateral force
由圖7—圖18云圖可以得出不同工況下的最大應(yīng)力及變形情況，見(jiàn)表4。結(jié)合云圖和表4可知，4種工況下橋殼最大應(yīng)力為最大制動(dòng)力工況時(shí)的剪切應(yīng)力387.02 MPa，小于40Cr屈服極限785 MPa，安全系數(shù)為2.03(785 MPa/387.02 MPa)，具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。去除彈簧座后的最大應(yīng)力為最大沖擊載荷工況時(shí)的剪切應(yīng)力168.48 MPa，小于45號(hào)鋼的屈服極限355 MPa，安全系數(shù)為2.11(355 MPa/168.48 MPa)，同樣具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，因此整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋橋殼滿足剛度、強(qiáng)度要求。4種工況下橋殼最大變形量為1.378 6 mm，該車輪距1.32 m，故每米輪距的最大變形量為1.04 mm，小于《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》規(guī)定的1.5 mm，滿足變形量要求。

表4 不同工況下的應(yīng)力及變形
Tab.4 Stresses and deformations under different working conditions


4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該半浮式半軸結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)橋橋殼在4種典型工況下的有限元分析可知，各工況下橋殼的最大剪切應(yīng)力均大于最大等效應(yīng)力，因此在校核橋殼剛度及強(qiáng)度時(shí)應(yīng)當(dāng)以最大剪切應(yīng)力為參考。當(dāng)法蘭及彈簧座采用40Cr為材料，半軸套管及橋殼本體采用45號(hào)鋼為材料時(shí)，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼滿足剛度、強(qiáng)度及變形量要求。分析可知，該橋殼潛在的應(yīng)力集中處為橋殼本體與半軸套管連接處以及彈簧座處，這一結(jié)論為后續(xù)驅(qū)動(dòng)橋橋殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考，也為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率打下了良好的基礎(chǔ)。