汽车驱动桥壳自身需要承载很大的载荷，同时负责载荷的传递，使用工况十分恶劣，经常因承受冲击载荷与交变载荷而产生变形和断裂，这就需要驱动桥壳具备足够的屈服强度和刚度以达到其使用要求。本文将通过对驱动桥壳的结构分析对其进行刚强度校核并进行优化设计。
建立仿真模型
在不影响模型真实性的前提下，本文在建模时忽略掉了不影响分析结果的细节特征，如加油口、放油口等，简化几何模型只保留了一些主体结构。驱动桥壳属于板壳结构，主体零件采用等厚度的热礼板材冲压成形的上下两个桥壳主件焊接而成；两端的轴套采用无缝钢管制成，选用壳单元对桥壳结构进行划分网格，网格平均尺寸为5mm，桥壳结构的有限元模型如下图3所示。
材料模型
桥壳主体主要采用涟钢汽车车桥钢材LG600QK，该材料具有较高强度和良好成型性能。轮毂轴管采用40MnB材料，板簧支座采用ZG270-500材料，LG600QK材料力学性能及部件厚度如表1所示。
表1 桥壳结构材料特性参数
部件
厚度mm
材料名称
弹性模量Mpa
泊松比
屈服强度Mpa
抗拉强度Mpa
桥壳主体
12
LG600QK
205000
0.3
570
652
边界条件及载荷
驱动桥壳针对抗冲击能力的要求比较高，需要校核驱动桥壳在满载垂直弯曲、冲击、制动工况下其强度和刚度能否满足设计需求。本文将根据这三种工况来对驱动桥壳进行分析，施加相应的边界条件与载荷。
1）满载垂直弯曲工况。参照标准《QC/T533-1999汽车驱动桥台架试验方法》施加载荷与约束，后桥额定载荷G=5.5吨，载荷施加位置为板簧销孔处，约束驱动桥壳两端轴套与轮毂轴承接触面区域处相应节点的Y轴和Z轴两个方向的位移自由度以及绕两轴的旋转自由度。
2）冲击工况。取冲击载荷系数为K1=2.5，载荷大小为工况1的2.5倍，约束条件同工况1。
3）制动工况。当汽车在行驶过程中由于突发情况的产生而紧急制动时，垂向载荷为F=G*K2/2，式中K2是汽车紧急制动时的质量转移系数，取K2=0.8。板簧上质量制动惯性力为：T= G*K2*K3/2，其中K3地面附着系数为，取K3=0.8。约束驱动桥壳两端轴套与轮毂轴承接触面区域处相应节点的Y轴和Z轴两个方向的位移自由度以及绕三轴的旋转自由度。
分析结果
1）满载垂直弯曲工况。如图3所示，在满载工况下，桥壳最大变形为0.99mm，最大变形区域处于桥壳中间弧形两端；最大等效应力为102.37Mpa，最大应力区域处于桥壳与板簧连接处；参照标准《QC/T 534-1999汽车驱动桥台架试验评价指标》，车轮距1847mm，每米轮距变形为0.54mm，未超过标准限值1.5mm，刚度满足设计要求；桥壳强度后备系数K=570/102.37=5.57<6，强度不满足要求。
2）冲击工况。图4所示，桥壳最大变形值约2.48mm；最大等效应为256Mpa，安全系数S=570/256=2.23。
3）制动工况。图5所示为下桥壳的变形及应力云图，最大变形值约2.26mm，位于桥壳主体中间上弧月牙处；最大应力为147.56Mpa，位于桥壳主体中间下弧月牙处，安全系数S=570/147.56=3.86。
结构优化
基于上述分析结果，发现桥壳强度在垂直满载弯曲工况下的强度后备系数不足，本文通过使用涟钢LR1500HS高强度材料替换原桥壳材料使得桥壳强度后备系数满足要求，同时将桥壳厚度由12mm减薄至8mm来实现驱动桥轻量化。LR1500HS的材料力学性能参数如表2 所示。
1）满载垂直弯曲工况。如图6所示，在满载工况下，桥壳最大变形为1.26mm，每米轮距变形为0.67mm，未超过标准限值1.5mm，刚度满足设计要求；最大等效应力为201.2Mpa，桥壳强度后备系数K=1450/201.2=7.21>6，强度满足要求。
2）冲击工况。图7所示，桥壳最大变形值约3.15mm；最大等效应力为503Mpa，安全系数S=1450/503=2.89。
制动工况。图8所示为下桥壳的变形及应力云图，最大变形值约2.72mm，位于桥壳主体中间上弧月牙处；最大应力为257.71Mpa，位于桥壳主体与板簧连接处，安全系数S=1450/257.71=5.63。
总结
桥壳主体采用LR1500HS材料替换原有材料后，在满载垂直弯曲工况下的强度后备系数达到了的规定限值；冲击工况和制动工况下的强度安全系数也有所提高，同时桥壳主体减轻22.4，占比33.3%，实现了桥壳轻量化设计。