文／岳峰麗，孫小婷·沈陽理工大學

      陳大勇，宋鴻武，徐勇，張士宏·中國科學院金屬研究所

我國于2020 年提出的“雙碳”目標，是我國應對氣候變化的重要措施之一。其中，汽車降低碳排放對于溫室氣體減排起著關鍵的作用，同時也兼具了提高能源利用率以達到節約能源的作用。隨著我國“雙碳”政策的不斷深入實施，交通運輸行業面臨巨大的控制能源消耗的壓力，其中輕量化仍然是汽車行業現在乃至將來實現“雙碳”目標較為理想的舉措。輕量化作為汽車節能減排以及性能改善的有利措施，正受到汽車制造企業、汽車行業、政府部門越來越多地重視。目前，汽車輕量化主要有三種實現途徑，包括優化結構、輕質材料、新型工藝等都可以達到最大限度降低整車質量的目的，而不影響汽車使用過程中的各項性能指標。

作為車輛重要傳動和承載構件的驅動橋殼，其結構關系到車輛的可靠性和耐久性，甚至直接影響車輛使用過程中車載人員的安全。所以，為確保車輛的可靠性、耐久性以及使用過程中的安全性，設計驅動橋殼時不僅要充分保證其強度和剛度良好，還應考慮到經濟因素以及輕量化的要求。即使在新能源汽車迅猛崛起的現階段，驅動橋殼作為必備構件，仍然具有不可替代的地位。在新的時代背景下，對驅動橋殼的重量、產品質量、服役性能等提出越來越高的要求。如何滿足新形勢下驅動橋殼的輕量化、高精度、高性能的成形需求，已經成為各個零部件供應商及相關科研院所關注和研究的重點。為了對驅動橋殼成形工藝的現狀和未來發展趨勢有更好地把握，本文針對汽車驅動橋殼成形工藝的歷史、發展和現狀，對近十年有關汽車驅動橋殼輕量化相關的文獻進行了梳理和歸納，主要介紹了驅動橋殼的結構及演變、一體化橋殼設計及優化研究進展、一體化橋殼的制造工藝、未來發展趨勢等相關內容。

驅動橋殼的結構

承載整車重量是汽車驅動橋殼的基本功能，并且驅動橋殼可以保護差速器、半軸和主減速器等零件不受損傷，此外還承受著路面給予車輪的反力和反力矩，并經懸架傳遞給車身。由于實際行駛過程中受力復雜，所以驅動橋殼需具有良好的強度、剛度和疲勞壽命，并且為了車輛行駛的平順性，而盡可能地減小其自身重量。根據結構特點不同，驅動橋殼的結構形式可分為下列三種。

分段式橋殼

分段式橋殼的結構又分為兩段可分式和三段可分式，該橋殼結構的各個部分通過螺栓連接起來，所以易于制造加工。但使用過程中若進行維修、拆卸及調整都極為麻煩，而且該類型橋殼的強度、剛度等力學性能的表現情況也不盡理想，過去也只是用于輕型商用汽車，如今已很少在車輛上使用。

組合式橋殼

組合式橋殼是由幾部分殼體與鋼管鑄造成一體的，對加工過程精度要求較為嚴格，具有質量輕、精度高等特點。但缺點也比較明顯，該類型橋殼的剛度性能較差，所以主要在微型汽車、轎車和輕型載貨汽車上使用。

由于在車輛的使用過程中存在著檢查、維修和更換不方便等情況，所以上述兩種結構的橋殼目前已經很少在車輛中使用，而一體化結構橋殼即整體式橋殼得到了較為廣泛的使用。

整體式橋殼

整體式橋殼強度、剛度等力學性能較高，得益于此，主減速器等零件在車輛使用中便于拆裝和調整，因此近年來該類型橋殼被廣泛使用。與前面介紹的兩種橋殼類型相比，雖然整體式橋殼的力學性能更好，但由于本身的結構復雜，所以進行應力、模態求解分析過程較為復雜。近年來，越來越多的研發人員利用有限元仿真對橋殼進行計算分析和結構優化。西安石油大學周裕民等人在有限元分析軟件的幫助下，在典型工況下對驅動橋殼進行相關的仿真分析，獲得了滿足強度、剛度條件的驅動橋殼結構，為企業研發新產品提供了理論基礎；河南工程學院郭冬青等人以公共交通車輛驅動橋殼作為參考目標，使用有限元軟件分析了三種典型工況下橋殼的受力與位移情況，并分別進行了橋殼的約束、自由模態分析，得出分析結果以驗證該車型橋殼結構的合理性。

一體化橋殼設計及優化研究進展

隨著有限元模擬方法的成熟發展，驅動橋殼的設計行業也普遍應用該方法進行橋殼零件的靜力學、模態分析等過程。除此之外，還可以設計多種方案進行仿真模擬，在滿足靜力要求的前提下，為橋殼零件的結構優化提出合理的修改措施。

橋殼斷裂失效研究

橋殼零件在實際使用時的受力情況較為復雜，不僅要承受彎矩、扭矩的作用，還有在某些工況下來自地面由車輪傳至橋殼零件的沖擊載荷。根據經驗可知，橋殼零件的壽命與其所承受的平均應力數值大小息息相關，且受到的沖擊載荷應力幅和循環次數越高，壽命就越小。所以，橋殼零件在車輛使用過程中避免不了沖擊載荷的作用，極易在所受載荷較大的區域產生裂紋，并在循環疲勞載荷的沖擊下逐漸擴大，最終導致橋殼零件疲勞斷裂。

目前工程中應用的疲勞分析方法有E-N 局部應變法、LEFM 疲勞裂紋擴展法及S-N 名義應力法。E-N局部應變法是將裂紋萌生壽命和擴展壽命相加得出總壽命的一種估算方法，多用于高應力低周疲勞壽命的預測，具有很強的理論性，但在實際應用中需考慮平均應力、零件表面的工藝及表面粗糙度等很多不確定因素的影響。LEFM 疲勞裂紋擴展法主要適用于對于零件結構的損傷容限，以及大型零件結構基于線彈性斷裂力學進行疲勞裂紋擴展的分析。而S-N 名義應力法在分析時數據獲取容易，在工程中實施性高，相較于上述的E-N 局部應變法，此方法適用于低應力高周疲勞壽命預測。

合肥工業大學劉為等人運用有限元分析軟件對某輕型貨車驅動橋殼進行靜力學校核和模態分析，仿真結果顯示該橋殼具有較好的強度、剛度，進而開展了橋殼的疲勞壽命分析，尋找該橋殼相對危險的位置區域；吉林大學李玲玉等人運用有限元仿真分析，得出某裝載機驅動橋殼的強度和剛度，通過計算結果得到了該橋殼各區域的應力、位移變化情況，明確了危險區域的位置，并結合名義應力法的疲勞損傷累計理論，使用有限元軟件進行了橋殼壽命的估算。在橋殼設計的研發階段對其進行疲勞壽命分析，可以減少產品的研發周期和試錯成本，同時也為后期橋殼的結構優化打下堅實的基礎；武漢理工大學潘運平等人針對某款驅動橋殼出現早期疲勞斷裂問題，運用有限元分析橋殼的疲勞壽命，獲得橋殼零件的S-N曲線如圖1 所示。

圖1 S-N 曲線

鄭州科技學院楊曉娜等人根據某輕卡驅動橋殼持續工作導致易變形斷裂的情況，利用有限元仿真對該驅動橋殼進行自由模態分析，計算出自由模態下該輕卡驅動橋殼的振動頻率，這也有助于指導后續的結構優化。

橋殼結構設計及優化研究

橋殼的結構優化是采取系統的、目標定向的流程與方式而非傳統設計方法，旨在以經濟且滿足要求的橋殼結構保持車輛使用過程中的良好狀態。由于管坯壁厚存在一定偏差，在液壓成形過程中，容易出現管坯的變形量不均衡。若要橋殼實現結構優化，則需要橋殼零件的強度、剛度性能良好且存在較大優化空間，需保證在各個工況下橋殼的最大位移量小于臺架試驗要求，受到的最大應力遠小于橋殼材料的屈服強度。

李志虎通過有限元仿真軟件對壁厚5mm 的驅動橋殼進行分析計算，獲取驅動橋殼所受最大應力的區域，結合驅動橋殼垂直剛度試驗，采用拓撲優化進行設計，驅動橋殼結構優化前后的應力云圖分別如圖2、圖3 所示，減輕了驅動橋殼的質量，同時提高了汽車的動力性和燃油經濟性。

圖2 橋殼結構優化前應力云圖

圖3 橋殼結構優化后應力云圖

山東大學崔巖巖等人利用有限元分析軟件計算出該車型驅動橋殼的應力、應變云圖，在保證橋殼整體性能良好的基礎上對其進行優化處理，從而減輕橋殼重量。楊靖丞等通過將最優參數組導入數值模擬軟件來優化工藝參數，而之后應用于仿真分析和試驗的成形工藝取得良好的效果，這說明了參數組尋優的準確性、數值仿真分析的過程可行性，進一步保證了準確的優化結果，如圖4 分別表示仿真結果與成形試驗結果。

圖4 優化后的仿真結果與試驗結果

濱州學院張義壯等人根據不同工況下的有限元分析結果，提出了輕量化設計思路，圖5 表示橋殼形狀優化仿真結果的三維模型，可以發現該橋殼優化設計采取了局部切除的手段進行橋殼的形狀優化，被除掉的部分是部分結構厚度和彈簧底座等區域。

圖5 橋殼形狀優化分析結果

作者簡介

岳峰麗

副教授，碩士研究生導師，主要從事汽車現代制造及設計、汽車輕量化等方面研究工作，主持遼寧省教學研究項目2 項和橫向課題多項，擁有1 項發明專利。

《驅動橋殼一體化結構和制造技術研究現狀及發展趨勢》(下)見《鍛造與沖壓》2023 年第4 期

——文章選自《鍛造與沖壓》2023年第2期