橋殼的案例
汽車后橋殼的CAE分析研究
圖2 平衡桿模型與抗力 圖3 車身不發生傾斜時橋殼應力響應分布
計算結果分析
通過FEM對平衡桿模型有無作用力計算比較，得出：平衡桿支反力對橋殼體的影響主要體現在橋殼彎矩的加大。
圖4 平衡桿角度為零時橋殼最大應力響應 圖5 橋殼敏感部位局部的計算結果
分析表明，橋殼的高應力響應點在平衡桿加強板和橋殼焊接結縫，該點非常接近橋殼對焊焊縫與琵琶段闊漲段的三角接板對焊位。從橋殼敏感部位局部的計算結果中，可見該段基本上是彎曲工作狀態。焊點位存在較大的連接力，在橋殼焊縫同一部位的高應力響應。
平衡桿支座對橋殼作用分析
根據橋殼有限元初步計算結果分析，驗證了橋殼問題產生在D F G 位，應力響應相當高。分析發現了平衡桿支座板焊接部位有高應力響應等情況，判斷分析疲勞源有可能先發生在G點。排除加大橋管根本性改進，這樣分析工作重點放在平衡桿支座板和焊接部位結構分析和改進上。
圖6 支座板與橋殼間焊接點相互傳遞的作用力 圖7 平衡桿支座高應力響應分布
改進方案
綜合上述分析對支座板結構進行優化設計，去掉原設計中向外沿伸的“耳字形”托板，將支座板兩端中部剪為內凹入形，以減少焊縫端點的應力集中，如圖8所示。
結論
通過對車后橋殼的改進，可以達到不增加橋殼應力響應的條件下，有效的壓低焊縫應力響應，如前期實驗的疲勞源的確發生在焊縫上，屬于平衡桿支架焊接方面的問題，改進方向是盡可能弱化平衡桿支座剛度，降低對橋殼的附加約束并減小焊縫應力響應。
展開 驅動橋橋殼剛度優化分析
橋殼是驅動橋總成上一個單獨的件，它具有支撐汽車載荷的作用，并將載荷傳遞給車輪。作用在后橋車輪的牽引力、制動力和側向力及垂直載荷經后橋傳遞到車架上。若汽車后橋的強度及剛度不能達到要求，則會失效，可能會造成后橋斷裂，或永久變形，不能再繼續使用。因此在設計上，為了達到安全要求，對驅動橋的剛度有一定要求。本文中的驅動橋橋殼主要用于微型貨車，它是由中段的鋼板沖焊件分別與兩端的無縫鋼管焊接而成。
2 有限元模型的建立及分析
后橋總成包括：橋殼焊接總成、主減總成、半軸總成，他們之間通過螺栓和軸承傳遞力，因此，在進行有限元模型建立時，按照以往分析經驗對一些連接和零件進行簡化。
3 驅動橋橋殼有限元分析模型建立
根據汽車相關設計要求及試驗標準，利用有限元軟件HyperMesh建立有限元模型，使用有限元求解器RADIOSS對驅動橋進行力學性能分析。當汽車高速行駛于不平路面上時，驅動橋除承受在靜止狀態下的那部分載荷外，還承受附加的沖擊載荷，這種工況下最為危險， 此時后橋橋殼的位移分布情況，如圖3所示。
4 驅動橋橋殼優化目標建立
由圖3可知，該后橋的剛度為1.17，不能滿足企業后橋剛度為1的標準，后橋最大位移在中段，將橋殼中段單獨提取出來，我們查看中段的位移云圖（圖4），我們可以看出，紅色區域是影響剛度的關鍵位置。因此我們需要對紅色區域截面進行優化。根據產品結構和現有的加工工藝，我們選取形狀優化方法(Shape Optimization)。
展開 ANSYS-WORKBENCH在橋殼失效原因分析中的應用
橋殼是驅動橋總成上一個單獨的件，它具有支撐汽車載荷的作用，并將載荷傳遞給車輪。作用在后橋車輪的牽引力、制動力和側向力及垂直載荷經后橋傳遞到車架上。若汽車后橋的強度及剛度不能達到要求，則會失效，可能會造成后橋斷裂，或永久變形，不能再繼續使用。因此在設計上，為了達到安全要求，對驅動橋的剛度有一定要求。本文中的驅動橋橋殼主要用于微型貨車，它是由中段的鋼板沖焊件分別與兩端的無縫鋼管焊接而成。
2 有限元模型的建立及分析
圖1 后橋主要結構
后橋總成包括：橋殼焊接總成、主減總成、半軸總成，他們之間通過螺栓和軸承傳遞力，因此，在進行有限元模型建立時，按照以往分析經驗對一些連接和零件進行簡化。
圖2 通過HyperMesh建立的模型
3 驅動橋橋殼有限元分析模型建立
根據汽車相關設計要求及試驗標準，利用有限元軟件HyperMesh建立有限元模型，使用有限元求解器RADIOSS對驅動橋進行力學性能分析。當汽車高速行駛于不平路面上時，驅動橋除承受在靜止狀態下的那部分載荷外，還承受附加的沖擊載荷，這種工況下最為危險， 此時后橋橋殼的位移分布情況，如圖3所示。
圖3
圖4
4 驅動橋橋殼優化目標建立
由圖3可知，該后橋的剛度為1.17，不能滿足企業后橋剛度為1的標準，后橋最大位移在中段，將橋殼中段單獨提取出來，我們查看中段的位移云圖（圖4），我們可以看出，紅色區域是影響剛度的關鍵位置。因此我們需要對紅色區域截面進行優化。根據產品結構和現有的加工工藝，我們選取形狀優化方法(Shape Optimization)。
展開 驅動橋殼一體化結構和制造技術研究現狀及發展趨勢(上)
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。
展開 
solidThinking Inspire 在礦車后橋殼設計中的應用
摘要：本文以礦車后橋殼的設計為例，介紹了solidThinking Inspire軟件的功能以及應用方法。首先在Altair公司的solidThinking Inspire軟件中建立初始模型，然后進行工況載荷的定義，最終將質量目標定義為30%，得到拓撲模型。在三維軟件中，依據拓撲結構進行詳細的后橋殼結構設計，同時也實現了礦用自卸車后橋殼的輕量化設計。
關鍵詞：solidThinking Inspire 后橋殼 優化設計 輕量化
1概述
礦用汽車主要運行于各種礦山和建筑施工場地，道路級別低，車輛的起動、制動和轉向非常頻繁，再加上負荷大，路面沖擊嚴重，故其工作條件十分惡劣[1]。后橋殼是礦用自卸車的承重和動力源的關鍵部件。它的結構設計在礦用自卸車的研制中占有相當的分量和較大的難度[2]。后橋殼的設計不僅需要有足夠的強度和剛度，而且合理地減輕后橋橋殼的重量也是提高礦用自卸車性能的關鍵因素之一[3]。同時輕量化的趨勢要求各類零部件都在滿足強度要求的情況下質量最小化。本文以礦用自卸車后橋殼的設計為例，應用Altair公司的solidThinking Inspire軟件在概念設計階段對其進行最優的結構探索。根據優化出來的拓撲模型，在三維軟件中進行詳細的后橋殼結構設計。該應用表明Inspire能輔助工程設計人員 獲取較優的拓撲結構，為產品的結構設計打下良好基礎[4]。
2優化設計
2.1初始設計空間
在優化設計開始之前，工程師通過Inspire創建大概的三維模型。礦用自卸車的后橋殼的初始設計空間定義如圖1所示。
展開 后橋殼的可靠性優化設計
后橋殼的可靠性優化設計
汽車驅動橋知識.
用這樣的支承形式，半軸與橋殼沒有直接聯系，使半軸只承受驅動扭矩而不承受任何彎矩，這種半軸稱為“全浮式”半軸。所謂“浮”意即半軸不受彎曲載荷。
全浮式半軸，外端為凸緣盤與軸制成一體。但也有一些載重汽車把凸緣制成單獨零件，并借花鍵套合在半軸外端。因而，半軸的兩端都是花鍵，可以換頭使用。
2）半浮式半軸
半浮式半軸的內端與全浮式的一樣，不承受彎扭。其外端通過一個軸承直接支承在半軸外殼的內側。這種支承方式將使半軸外端承受彎矩。因此，這種半袖除傳遞扭矩外，還局部地承受彎矩，故稱為半浮式半軸。這種結構型式主要用于小客車。
圖示為紅旗牌CA7560型高級轎車的驅動橋。其半軸內端不受彎矩，而外端卻要承受全部彎矩，所以稱為半浮式支承。
3）3/4浮式半軸
3/4浮式半軸是受彎矩的程度介于半浮式和全浮式之間。此式半軸目前應用不多，只在個別小臥車上應用，如華沙M20型汽車。
橋殼
1） 整體式橋殼
整體式橋殼因強度和剛度性能好，便于主減速器的安裝、調整和維修，而得到廣泛應用。整體式橋殼因制造方法不同，可分為整體鑄造式、中段鑄造壓入鋼管式和鋼板沖壓焊接式等。
2） 分段式驅動橋殼
分段式橋殼一般分為兩段，由螺栓將兩段連成一體。分段式橋殼比較易于鑄造和加工。
展開 汽車鑄件工藝知識及其鑄造技術發展趨勢
圖1為一汽集團開發的一體化橋殼，用以代替焊接橋殼及帶半軸套管鑄造橋殼的新產品，實現鑄件的集成化鑄造，充分利用鑄造成形的優勢。目前常見的鑄造整體式橋殼的主要形式是在橋殼的兩端壓入無縫鋼管作為半軸套管，并用銷釘固定形成橋殼總成。為進一步提高橋殼的強度、剛度和簡化工藝過程，一汽集團開發出了直接在橋殼上鑄出半軸套管(圖1橋殼兩側的部分)的一體化橋殼，其特點是減少加工難度，成本降低較多，橋殼結構趨于簡單，且橋殼剛性較好，可制成復雜而理想的形狀，壁厚能夠變化，可得到理想的應力分布，其強度及剛度均較大，工作可靠。由于集成了半軸套管，鑄件尺寸顯著增加，鑄件長2 258 mm，其單件重量超過200 kg。針對這一集成鑄件的特點，企業建立了專用生產線用以保證生產。
汽車鑄件集成化的發展趨勢在有色合金鑄件方面的發展更為明顯。為了充分利用鑄造工藝能夠實現復雜結構鑄件的生產的特點，出現了集成設計的車門內板、座椅骨架、儀表板骨架、前端框架和防火墻等集成設計的高壓鑄件，其尺寸顯著大于目前生產的鑄件，需要4 000~5 000 t甚至更大噸位的壓鑄機進行生產。
1.2 汽車鑄件的輕量化
在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，實現輕量化，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車整備質量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%。隨著環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流，汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發展方向之一。
1.2.1 汽車鑄件的輕量化設計
出于鑄件整體安全系數的需要，等厚度設計是汽車鑄件主要設計方法之一。然而等厚設計的主要弊端是無法充分發揮結構性能，并導致鑄件重量的增加。
展開 汽車底盤系統的解決方案
（4）驅動橋及橋殼應力計算
驅動橋橋殼是汽車上的主要零件之一，驅動車輪上的牽引力、制動力、側向力和垂向力是經過橋殼傳到懸架及車架或車廂上。橋殼既是承載又是傳力件，同時它又是主減速器、差速器及驅動車輪傳動裝置的外殼。在汽車行駛過程中，橋殼承載繁重的載荷，尤其是當汽車通過不平路面時，由于車輪與地面間所產生的沖擊載荷，在設計不當或制造工藝有問題時，會引起橋殼變形或折斷。因此，驅動橋必須有足夠的強度和剛度，足夠的壽命。
2、行駛系Abaqus解決方案
汽車行駛系包括車架車橋懸掛和車輪等總成，它起著連接汽車各大總成，承受各總成和發動機，變速箱，駕駛室，電瓶，郵箱，備胎等設備和運輸載荷的作用力，并接收高速行駛，轉向，制動等工況和汽車外表面空氣阻力等多種作用，強度設計非常重要。此外，行駛系統擔負吸收沖擊能量，緩和沖擊力，保證乘坐舒適性的作用，因此對行駛系的剛度要求也比較高。
（1）前后橋塑性變形
通常的有限元分析程序，都是以分析部件或子系統為主。比如汽車的前橋和后橋都是單獨進行分析。這樣，不容易確定子系統的載荷和邊界條件。需要使用者做大量的假設，才能進行分析。
而Abaqus把各個需要分析的部件或子系統作為一個整體進行分析，對整體直接施加外部載荷和邊界條件，這樣使得沒有經驗的用戶可以根據實際的情況進行分析，降低了對用戶的要求。并且，同時對一個模型可以進行靜力和動力分析，得到結構的重要參數，為改進設計提供依據。
（2）車架多工況分析
汽車的實際工作狀況非常復雜，多達幾十種到幾百種，如果對每一種工作狀況都進行獨立的分析，求解的時間與效率都非常低。利用多工況分析，可以在一次分析中，將所有的工作狀況全部求解。這樣，既可以節省分析時間、縮短研發時間，又可以提高工作效率。
展開 電驅動橋測試試驗方法
1) 總成靜扭試驗
2) 總成齒輪疲勞試驗
3) 總成噪聲試驗
4) 橋殼垂直彎曲疲勞試驗
5) 橋殼垂直彎曲剛性試驗
6) 橋殼垂直彎曲靜強度試驗
二、電動驅動橋普遍試驗方法介紹
近些年來，能源的短缺和人們對生活質量的更高要求使得新能源汽車得以快速發展。電動驅動橋的產生與發展，則為電驅動車的發展做出了突出貢獻。
電驅動橋具有如下優勢：
1) 污染低
2) 噪音小
3) 效率高
電驅動橋
目前電驅動橋采用電機+驅動橋所形成的整體式驅動橋型式，絕大多數試驗項目仍舊可以采用QC/T 533-1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》和QC/T 534-1999《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》進行試驗和評價。
展開 【汽車車橋知識】
2、驅動橋的組成 由主減速器、差速器、半軸、橋殼組成。3、對于FF及FR的驅動橋安裝位置、結構的區別 FF:離合器、變速器、主減速器、差速器、驅動橋組件都安裝在變速器殼體中，位于汽車前部，動力傳遞給前輪。 FR:主減速器、差速器、驅動橋組件安裝在驅動橋殼體內，位于汽車后部，動力傳遞給后輪。
轉向驅動橋
1. 功能:具有轉向和驅動兩種功能。既具有一般驅動橋的基本部件，還具有轉向橋特有的主銷等。
2. 轉向驅動橋的結構組成既具有一般驅動橋所具有的主減速器、差速器及半軸;也具有一般轉向橋所具有的轉向節殼體、主銷和輪轂等。它與單獨的驅動橋、轉向橋相比，其不同之處是，由于轉向所需要半軸被分為兩段，分別叫內半軸(與差速器相連接)和外半軸(與輪轂連接)，二者用等角速萬向節連接起來。同時，主橋也因此分成上下兩段，分別固定在萬向節的球形支座上。轉向節軸頸做成空心，以便外半軸從中穿過。轉向節的連接叉是球狀轉向節殼體，既滿足了轉向的需要，又適應了轉向節的傳力。轉向驅動橋廣泛地應用到全輪驅動的越野汽車上
3. 轉向驅動橋的工作過程驅動:橋的中部裝有主減速器和差速器。內半軸和外半軸通過等角速萬向節連接在一起，外半軸的端部制有花健，它和半軸凸緣相嚙合。當前橋驅動時，轉矩由主減速器、差速器傳給內半軸、萬向節、外半軸和半軸凸緣，最后傳遞到輪轂，驅使車輪旋轉。轉向:轉向節由轉向節軸頸和轉向節外殼用螺栓連接成整體。轉向節軸頸上裝有兩個輪轂軸承，以支承輪轂;轉向節軸頸內孔壁內壓裝有襯套，以支承外半軸。在轉向節外殼的上下兩端分別裝有上下兩段主銷的加粗部分，并用止動銷止動，在轉向節外殼上端裝有轉向節臂，在轉向節外殼下端裝有下蓋。潤滑脂由上、下油嘴注入后，分別進入主銷中心油道，再從兩個側孔出來進入主銷與襯套之間，實現潤滑。
展開 
某轉向驅動橋疲勞分析
材料的S-N曲線和局部應力的循環情況，決定了這塊材料能夠承受的循環壽命：
以某運輸業拖拉機前橋為例，國家機械行業標準規定，垂向加載疲勞壽命需達到80萬次，此類既有驅動又有轉向功能的車橋幾乎是最復雜的橋，橋殼多為鑄造件，材料疲勞性能較低，為了保證車輛在路面的通過性能，橋殼尺寸也不會做太大。
材料的疲勞曲線很難獲得，而且差異較大，因此疲勞分析的結果一般精度較差，但是選定了材料參數，再加上現有實驗數據做校正，分析結果還是比較可信的。采用達索的疲勞分析軟件fe-safe對這個橋殼進行分析，原始模型的分析結果和疲勞試驗基本在10萬次左右，距離80萬次的實驗要求差距還較大，但是疲勞問題比強度問題好解決的一點是，應力稍做降低，疲勞壽命提升會很大。
首先我們采用結構分析軟件，得出單次循環加載的應力結果：
疲勞分析軟件一般可以選擇任何區域進行分析，而不是像結構軟件必須分析整體模型，因此一般只取表面進行分析。Fe-safe的方便之處在于可以任意定義載荷的循環方式，而且有很多美標的疲勞試驗數據庫做為參考。
選定對應的載荷步驟分析結果，就可以進行任意次數的循環分析了，當然也可以循環一次，得出的便是直接循環壽命。
疲勞問題的解決方法與強度問題相似，不同的是，疲勞問題看的是應力變化幅值，即相對應力，而強度問題看的是絕對應力。這個模型中的最大應力當然是在螺栓孔處，但是螺栓孔處不是循環載荷，因此疲勞損傷很低，而車橋底部是循環載荷引起的應力，因此整體壽命較低，剩下的就是用強度問題的解決辦法來解決疲勞問題了。
經過多次模型修正，單次循環加載的應力幅值降低了，疲勞壽命當然就增加了，疲勞結果已經超過一百萬次：
文章轉載自微信公眾號：SmartFEA
展開 球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及防止措施
3、生產驗證
到目前為止，一汽鑄造技術中心車間已經使用昆騰樹脂和派普樹脂批量生產橋殼、減殼等軍車鑄件，已有2年時間，橋殼、減殼等軍車鑄件表面球化質量穩定，沒有因表面球化衰退引起的橋殼斷裂，并且生產操作方便以及過程控制可行。一汽鑄造技術中心使用昆騰樹脂和派普樹脂開發和生產球鐵鑄件已經徹底解決了球鐵件的表面球化衰退缺陷，鑄件表面質量穩定，并取得了較好的經濟效益以及贏得了信譽。2年生產時間足以證明使用昆騰樹脂和派普樹脂解決球鐵鑄件表面球化衰退缺陷的措施是可靠、可行的。
4、結論
（1）表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子是MgS或(Mg，Mn)xSy粒子，具有FCC結構和近球形八面體形貌體征。
（2）控制鑄造工藝因素，可使表面球化衰退層厚度控制在0.2mm以內，但不穩定，受人為因素影響很大，過程控制較難。
（3）使用低硫苯磺酸固化劑，表面球化衰退減輕，過程容易控制，但是距離實際生產需要還有一定差距。
（4）使用防滲硫涂料，表面球化衰退層厚度明顯減輕，但受防滲硫涂料層厚度、致密性、均勻性影響很大，過程控制較難
（5）使用昆騰樹脂和派普樹脂，表面基本無球化衰退層，表面球化效果基本與使用粘土砂型的表面球化效果一致，過程控制容易實現。
（6）使用堿酚醛樹脂，表面有微小的球化衰退層，表面球化效果接近使用粘土砂型的表面球化效果，過程控制容易實現。
來源：制造微聯盟公眾號，版權歸作者所有
展開 后橋疲勞分析
文中對一款新設計后
橋進行CAE 分析，發現橋殼減震器支架周圍有斷裂風險，因此對其進行疲勞試驗驗證，試驗結果確定在此位置易過早
疲勞斷裂。通過實驗結果分析其失效原因，并對這些因素進行排查。最后通過改變減震器支架形式及焊接方法等優化手
段，使得后橋橋殼疲勞壽命提高至國家標準，并為以后的后橋設計提 一定的依據。
汽車驅動橋殼疲勞壽命分析及結構優化.pdf
汽車結構中焊縫疲勞壽命預估.pdf
針對某商用車后橋殼上的焊縫連接，利用VOLVO方法進行了焊縫壽命預估，
得到了整個焊縫的損傷和壽命分布，通過與臺架試驗中橋殼失效部位的對比表明，預估結果與試驗結果一致。
汽車結構中焊縫疲勞壽命預估.pdf
