梁 诚，袁 剑，邾枝润

(1.安徽理工大学 机械工程学院， 安徽 淮南 232001；2.安徽安凯福田曙光车桥有限公司，安徽 合肥 230051)

驱动桥壳是车辆的重要部件，是汽车上承受载荷和传力的主要构件.它不仅可以支撑和保护主减速器、差速器和半轴，还可以控制左右驱动车轮的轴向相对固定位置，还能与汽车的从动桥一起支撑整个车架和车架上的各总成质量[1-2].文献[3]利用Solidworks软件建立桥壳3D模型，协同ANSYS Workbench仿真软件，模拟驱动桥壳台架试验在满足国家标准中规定的试验工况下进行有限元分析，证明 3种厚度的桥壳都具有足够的静强度和刚度,疲劳寿命均达到国家标准；文献[4]根据减薄后桥壳在台架试验时发生断裂失效的情况,建立了桥壳的有限元模型,并进行静力学分析和疲劳分析,得出桥壳应力集中点和桥壳实际断裂位置一致的结论；文献[5]采用拓扑优化的方法，对某重型车桥壳在设计工况下的静强度性能进行有限元分析及轻量化设计，在满足结构强度要求的情况下减轻了桥壳的质量；文献[6]对桥壳过渡圆角半径进行优化，提高桥壳疲劳寿命的同时，还保证了桥壳的静强度、刚度符合国家标准；文献[7]建立某重型汽车驱动桥桥壳有限元模型，采用Altair OptiStruct的拓扑优化技术，使桥壳应力分布更加均匀，同时也保证了桥壳质量的减少；文献[8]对驱动桥壳在最大垂向力、最大牵引力、最大制动力、最大侧向力4种工况下进行有限元分析，结果表明该驱动桥壳满足强度和最大变形量的要求，为桥壳结构改进和优化设计提供了理论依据.

本文以某重型卡车的驱动桥壳作为研究对象，建立虚拟的试验台架，进行有限元分析，在保证桥壳应力分布均匀、合理的基础上，进行优化设计，从而实现桥壳的轻量化.

1 驱动桥壳虚拟台架的确定

1.1 驱动桥壳三维模型的建立

应用CATIA三维软件建立模型时，考虑到桥壳整体和弹簧座铸造而成，所以直接在桥壳基础上添加弹簧座特征.另外在零件设计模块，先建立半轴套管的模型，再进入装配模块，将桥壳主体和半轴套管装配在一起，可得到桥壳整体模型，如图1所示.

图1 驱动桥壳CATIA三维模型Fig.1 CATIA 3D model of drive axle housing

1.2 驱动桥壳的网格划分

将建立的桥壳三维模型导入到Hypermesh中进行几何处理、简化模型、拓扑改进等操作，然后进行网格的划分[9].本文所研究的板簧座和后驱动桥壳本体采用二阶四面体单元、半轴套管采用六面体单元来划分网格.经过修改后，对其进行网格质量检查.驱动桥壳单元划分与驱动桥壳划分后合格的模型如图2所示.

图2 驱动桥壳网格单元的划分Fig.2 Grid of drive axle housing

驱动桥壳2D壳单元通过TetraMesh自动生成3D四面体单元，自动生成的四面体单元不能有零长度的单元.将桥壳一阶四面体单元转化成二阶，旨在提高桥壳在应力强度分析时的计算精度[10].驱动桥壳的总成划分网格单元的个数为1 144 520，网格节点数为240 965，得到的桥壳有限元模型如图3所示.

图3 驱动桥壳有限元模型Fig.3 Finite element model of drive axle housing

四面体桥壳网格模型划分好之后，进行网格质量检查，发现各项指标中合格单元所占的比率为100%，达到桥壳仿真和分析的要求.

1.3 驱动桥壳的材料属性

在进行有限元分析时，由于驱动桥壳的结构较为复杂，因此将桥壳设为一个整体，对桥壳设置材料属性.桥壳本体包括钢板弹簧座、两侧肩部加强筋、桥壳后盖和桥壳主体，材料均选用铸钢SCW550，桥壳半轴套管采用超高强度钢42CrMo，桥壳组成的各部分材料属性见表1.

表1 驱动桥壳的材料属性

Tab.1 The material properties of drive axle housing

名称材料屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%弹性模量/GPa泊松比密度/g·cm-3桥壳本体SCW550420570≥152120.317.85半轴套管42CrMo1 0471 134≥122100.287.82

1.4 驱动桥壳虚拟台架的建立

驱动桥壳的材料属性赋予完成后，下一步就是确定驱动桥壳的虚拟台架试验.桥壳模拟台架试验中，桥壳的边界条件应尽可能和实际台架试验时保持一致.通过把半轴套管和壳体一体化后施加相应的约束和载荷，对两个半轴套管施加约束，在板簧座上施加载荷，从而建立了驱动桥壳虚拟台架的有限元模型，如图4所示[11].

图4 驱动桥壳虚拟台架试验有限元模型Fig.4 A finite element model for the virtual bench test of drive axle housing

2 驱动桥壳虚拟台架试验分析

2.1 驱动桥壳虚拟台架试验数据分析

通过CATIA建立驱动桥壳三维模型，利用Hyperworks对桥壳进行网格划分、修改网格、检查质量、生成3D单元以及桥壳材料属性的施加，通过把半轴套管和壳体一体化后施加给定的约束和载荷建立驱动桥壳虚拟台架试验的有限元模型，导入到Optistruct中进行试验分析，分析结果在Hyperview中显现.

论文针对60组驱动桥壳仿真模型进行轻量化计算，经过前处理、计算以及后处理得出60组数据，分别为桥壳的位移(Displacement)、桥壳本体和半轴的应力(Force)、频率(Frequence)、质量(Mass).其中一组分析结果如图5所示.

(a)桥壳变形云图 (b)桥壳应力云图

(c)桥壳频率响应云图 (d)桥壳本体应力云图图5 驱动桥壳虚拟台架试验分析结果图Fig.5 Analysis results of the virtual bench test of drive axle housing

2.2 驱动桥壳虚拟台架试验振动模态分析

分析轻量化后的前后桥壳低阶振动模态频率，将桥壳轻量化前的分析结果与轻量化后的前六阶非刚体模态频率进行对比，结果见表2.通过模态频率对比可以看出，轻量化前后桥壳的模态频率相对变化量不大，故满足设计要求，分布合理.驱动桥壳轻量化前后的前两阶模态振型云图如图6所示.

表2 桥壳轻量化前后的模态频率对比

Tab.2 Contrast of modal frequency before and after axle housing lightweight

模态阶数轻量化前模态频率/Hz轻量化后模态频率/Hz相对变化量/Hz1155.0146.5-8.52311.9295.8-16.13389.5365.2-24.34546.2523.4-22.85631.3596.1-35.26795.4751.3-44.1

(a)轻量化前第1阶模态 (b)轻量化后第1阶模态

(c)轻量化前第2阶模态 (d)轻量化后第2阶模态图6 桥壳轻量化前后模态振型云图Fig.6 Modal vibration cloud diagram of drive axle housing before and after lightweight

3 驱动桥壳轻量化优化分析

3.1 Kriging近似模型寻优迭代

利用Kriging近似模型，通过计算结果和各样本点构造近似模型，并随机选取15个样本点来验证近似模型的精度.通过对比15个样本点的预测值和实测值，构建出的散点图如图7所示.

(a) 位移近似模型误差检测 (b) 频率近似模型误差检测

(c) 桥壳应力近似模型误差检测图7 Kriging近似模型散点图Fig.7 Scatter plot of Kriging approximation model

由图7可以看出，点在y=x这条线附近分布，预测值和实际值相差不大，表明模型的拟合精度较高，近似模型效果较好.通过Kriging近似模型进行寻优迭代后，桥壳本体质量降低了11.48 kg，桥壳最低阶模态频率下降6.9%，达到了轻量化的效果.

3.2 轻量化前后刚度性能对比分析

为了达到国家桥壳台架试验标准的要求，需验证轻量化后的桥壳弯曲刚度.对比分析桥壳轻量化前后的最大变形量，需选取最大静应力工况，对比结果见表3.通过对比分析可以看出，桥壳轻量化前后的最大变形量相差0.065 mm，最大变形量相当于没有发生变化，达到国家台架试验的要求，满足国家台架试验的标准.桥壳轻量化前后在最大静应力工况下的位移云图如图8所示.

表3 桥壳轻量化前后最大变形量对比

Tab.3 Comparison of the maximum deformation before and after lightweight mm

最大变形量轻量化前轻量化后相对变化量1.3651.430+0.065

(a)轻量化前 (b)轻量化后图8 桥壳轻量化前后最大变形量云图Fig.8 The maximum deformation of axle housing before and after lightweight

3.3 轻量化前后应力对比分析

为了满足桥壳的应力、结构强度的要求，需对比分析驱动桥壳总成和本体的最大静应力工况，结果见表4.桥壳总成和本体轻量化前后的最大静应力工况云图如图9、图10所示.

表4 桥壳轻量化前后最大静应力对比结果

Tab.4 Comparison of the maximum static stress of driving axle housing before and after lightweight MPa

总成最大应力值本体最大应力值轻量化前轻量化后相对变化量轻量化前轻量化后相对变化量434.0462.1+28.1183.7177.6-6.1

(a)轻量化前 (b)轻量化后图9 桥壳轻量化前后最大静应力工况云图Fig.9 The maximum static stress working conditions of the driving axle housing before and after lightweight

(a)轻量化前 (b)轻量化后图10 桥壳本体轻量化前后最大静应力工况云图Fig.10 The maximum static stress working conditions of the driving axle housing body before and after lightweight

通过桥壳总成和本体轻量化前后的最大静应力值对比结果可以看出，桥壳整体的最大静应力值增加了28.1 MPa，但仍远小于材料许用应力，满足桥壳应力和强度的要求和标准.桥壳本体的最大静应力值降低了6.1 MPa，说明优化后桥壳本体的应力分布更加均匀合理.

4 结束语

本文在虚拟台架试验的基础上研究了驱动桥壳的结构及其轻量化，通过驱动桥壳虚拟台架试验有限元模型的分析，得出桥壳的应力、质量、位移变形量和频率.结合Kriging近似模型和轻量化求解算法对桥壳本体壁厚、半轴套管壁厚和桥包壁厚进行了轻量化设计.仿真结果表明，优化后的桥壳各项性能均满足设计要求，刚度、强度应力分布均匀，实现了桥壳的轻量化，并提升了桥壳性能.