驅(qū)動(dòng)橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)的案例
驅(qū)動(dòng)橋橋殼剛度優(yōu)化分析
摘要：利用HyperMesh建立驅(qū)動(dòng)橋有限元模型,然后運(yùn)用RADIOSS求解器對(duì)該后橋進(jìn)行有限元分析，得到該后橋的位移云圖及應(yīng)力值，通過(guò)位移云圖需找影響剛度的關(guān)鍵位置，然后通過(guò)OptiStruct對(duì)關(guān)鍵位置形狀進(jìn)行優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：后橋 有限元分析 優(yōu)化分析 HyperMesh
1 前言
乘用車(chē)驅(qū)動(dòng)橋是整車(chē)的關(guān)鍵零部件，其性能直接影響整車(chē)的安全性、可靠性。驅(qū)動(dòng)橋總成是否滿(mǎn)足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要，對(duì)整車(chē)的性能起到關(guān)鍵作用。
橋殼是驅(qū)動(dòng)橋總成上一個(gè)單獨(dú)的件，它具有支撐汽車(chē)載荷的作用，并將載荷傳遞給車(chē)輪。作用在后橋車(chē)輪的牽引力、制動(dòng)力和側(cè)向力及垂直載荷經(jīng)后橋傳遞到車(chē)架上。若汽車(chē)后橋的強(qiáng)度及剛度不能達(dá)到要求，則會(huì)失效，可能會(huì)造成后橋斷裂，或永久變形，不能再繼續(xù)使用。因此在設(shè)計(jì)上，為了達(dá)到安全要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的剛度有一定要求。本文中的驅(qū)動(dòng)橋橋殼主要用于微型貨車(chē)，它是由中段的鋼板沖焊件分別與兩端的無(wú)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(guò)螺栓和軸承傳遞力，因此，在進(jìn)行有限元模型建立時(shí)，按照以往分析經(jīng)驗(yàn)對(duì)一些連接和零件進(jìn)行簡(jiǎn)化。
3 驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元分析模型建立
根據(jù)汽車(chē)相關(guān)設(shè)計(jì)要求及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行力學(xué)性能分析。當(dāng)汽車(chē)高速行駛于不平路面上時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋除承受在靜止?fàn)顟B(tài)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(xiǎn)， 此時(shí)后橋橋殼的位移分布情況，如圖3所示。
展開(kāi) 后橋殼的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)
后橋殼的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)
新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH設(shè)計(jì)與優(yōu)化
近年來(lái)，隨著新能源車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的推廣與應(yīng)用，電機(jī)的NVH越來(lái)越受到消費(fèi)者關(guān)注，電機(jī)NVH水平逐漸成為評(píng)價(jià)一個(gè)電機(jī)性能重要指標(biāo)。研究表明，電機(jī)NVH表現(xiàn)與電機(jī)輸出功率和扭矩有直接關(guān)系。同一款電機(jī)，電機(jī)輸出功率越小，電機(jī)的NVH表現(xiàn)越好。
對(duì)于同一款電機(jī)，其動(dòng)力性與NVH表現(xiàn)越來(lái)越成為一個(gè)矛盾點(diǎn)。尋找最佳平衡點(diǎn)，使得電機(jī)綜合性能最優(yōu)，越來(lái)越成為電機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
2 電機(jī)氣隙對(duì)電機(jī)性能和NVH的影響
為提高電機(jī)功率密度，在滿(mǎn)足加工精度、產(chǎn)品強(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求的前提下，電機(jī)工程師偏向于設(shè)計(jì)更小的氣隙，。這主要是因?yàn)椋S著電機(jī)氣隙增大，帶來(lái)兩方面的影響：（1）氣隙增加，空氣磁導(dǎo)率低，磁路磁阻增大，磁力線(xiàn)通過(guò)能力減弱；（2）在切向結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體端部存在較大漏磁，氣隙長(zhǎng)度增加，漏磁也增加。以上兩方面均會(huì)帶來(lái)電機(jī)性能的下降，即電機(jī)功率密度的降低。
然而小氣隙電機(jī)帶來(lái)了更明顯的電磁噪音，這主要是因?yàn)殡姍C(jī)工作過(guò)程中，通過(guò)定、轉(zhuǎn)子間的電磁力作用，即切向的旋轉(zhuǎn)扭矩和徑向的電磁力，使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。定、轉(zhuǎn)子間的電磁力，主要是徑向電磁力使定子產(chǎn)生振動(dòng)而輻射噪音。通過(guò)增大氣隙，可減小氣隙磁場(chǎng)諧波分量，降低徑向力諧波，從而實(shí)現(xiàn)噪音的優(yōu)化。
因此，綜合考慮輸出能力和NVH的影響，選擇合理氣隙至關(guān)重要。本文通過(guò)有限元法，仿真分析了兩種氣隙下電機(jī)性能和NVH表現(xiàn)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
3 設(shè)計(jì)方案介紹
本文以某款永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)為強(qiáng)制水冷，內(nèi)轉(zhuǎn)子，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，電機(jī)殼體為鋁合金材料。設(shè)計(jì)0.6mm，0.9mm氣隙的電機(jī)，兩種氣隙的電機(jī)的主要相比，電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑相同，定子半徑相差0.15mm，考慮到0.15mm對(duì)定子齒部強(qiáng)度影響較小，0.9mm氣隙的電機(jī)直接將定子半徑增大0.15mm。電機(jī)電機(jī)參數(shù)如下表所示。
展開(kāi) 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)在控制臂設(shè)計(jì)中的工程應(yīng)用
強(qiáng)度約束及形狀變量定義如下圖：
6 最終設(shè)計(jì)
經(jīng)過(guò)上述多輪仿真優(yōu)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)后，最終產(chǎn)品如下圖：
7 結(jié)論
在新型單板式控制臂設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，在不同設(shè)計(jì)階段利用相應(yīng)適當(dāng)?shù)腛ptiStruct優(yōu)化工具，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，將仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理念貫徹到實(shí)際工程應(yīng)用中。
細(xì)高齒設(shè)計(jì)在電驅(qū)動(dòng)橋NVH 優(yōu)化中的應(yīng)用
3 齒輪設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化
齒輪作為電驅(qū)動(dòng)橋的核心部件，直接決定了驅(qū)動(dòng)橋的速比、中心距等主要參數(shù)，且決定了整個(gè)主減的受力狀態(tài)，進(jìn)而決定了軸、軸承、殼體等主要零部件的強(qiáng)度和剛度要求，間接影響了整個(gè)主減幾乎每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)。根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的性能要求，齒輪設(shè)計(jì)的原則是在滿(mǎn)足強(qiáng)度的前提下盡可能提高NVH 性能，且不增加總成的尺寸和重量。可見(jiàn)電驅(qū)動(dòng)橋的齒輪設(shè)計(jì)并不是孤立的，不能一味地追求高重合度，必須考慮齒輪設(shè)計(jì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋總成其他零部件的影響。
以我司開(kāi)發(fā)的一款電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A 為例，在前期設(shè)計(jì)階段，利用專(zhuān)業(yè)的傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件MASTA 建立了包含齒輪、軸、軸承、殼體等主要零部件的分析模型（如圖3 所示），對(duì)齒輪參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。在最初的設(shè)計(jì)方案中，兩級(jí)齒輪均采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計(jì)，齒輪設(shè)計(jì)滿(mǎn)足速比和中心距要求，但考慮到一級(jí)齒輪轉(zhuǎn)速很高，在高速工況下可能產(chǎn)生NVH 問(wèn)題，影響整車(chē)舒適性，故優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)以提高一級(jí)齒輪重合度。
展開(kāi) 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程
在概念設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化技術(shù)可以把產(chǎn)品所需性能全部考慮進(jìn)來(lái)，在給定的設(shè)計(jì)空間下找到最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路；在虛擬試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，優(yōu)化技術(shù)可以直接給出產(chǎn)品改進(jìn)的方案，而不僅僅是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行校核，從而真正幫助設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出創(chuàng)新和可靠的產(chǎn)品。這種全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，就是優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程（ODDP）。
可見(jiàn)，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程給了產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師最有效的設(shè)計(jì)幫助，在概念設(shè)計(jì)這個(gè)決定80％最終產(chǎn)品成本的關(guān)鍵階段，在產(chǎn)品改進(jìn)這個(gè)耗時(shí)費(fèi)力的重復(fù)階段，提供了革命性的解決方案，從而大大節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用，提高產(chǎn)品性能和投放市場(chǎng)的速度。
3．Altair OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)
目前，世界上已經(jīng)有多個(gè)商用結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，其中Altair OptiStruct是公認(rèn)的技術(shù)最成熟、最全面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中。
OptiStruct提供了拓?fù)?em>優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及自由尺寸和自由形狀優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段靈活運(yùn)用各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，OptiStruct成為創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)者。
3．1 拓?fù)?em>優(yōu)化技術(shù)（topology optimization）
拓?fù)?em>優(yōu)化是一種具有創(chuàng)新性的概念設(shè)計(jì)技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，設(shè)計(jì)人員確定設(shè)計(jì)空間、設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)約束和制造工藝約束等，OptiStruct可以自動(dòng)尋找出最佳的材料布局，從而為設(shè)計(jì)人員提供非常關(guān)鍵的概念設(shè)計(jì)方案。
3．2 形貌優(yōu)化技術(shù)（topography optimization）
形貌優(yōu)化是一種面向薄壁結(jié)構(gòu)和鈑金件的概念設(shè)計(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)人員可以確定設(shè)計(jì)區(qū)域、筋的最大高度和起筋的角度等參數(shù)，OptiStruct可以尋找出最佳的加強(qiáng)筋布局。
展開(kāi) 細(xì)高齒設(shè)計(jì)在電驅(qū)動(dòng)橋NVH 優(yōu)化中的應(yīng)用
結(jié)果表明理論上齒輪設(shè)計(jì)的重合度越高，齒輪的嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度和嚙合剛度的波動(dòng)越小，齒輪的動(dòng)態(tài)激勵(lì)越小，越有利于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)獲得低的振動(dòng)和噪聲，而重合度為整數(shù)時(shí)，齒輪的嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度和嚙合剛度趨于恒定。國(guó)外另一組學(xué)者進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，得到了軸向重合度、端面重合度與噪聲分貝值的關(guān)系。如圖2 所示，軸向重合度（εβ）和端面重合度（εα）增大時(shí)噪聲（dB）呈下降趨勢(shì)，而軸向重合度和端面重合度分別趨近整數(shù)時(shí)，噪聲進(jìn)入低谷。
圖2 齒輪重合度與噪聲的關(guān)系
根據(jù)以上研究，在齒輪設(shè)計(jì)中合理地提升重合度有利于獲得好的NVH 性能。
3 齒輪設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化
齒輪作為電驅(qū)動(dòng)橋的核心部件，直接決定了驅(qū)動(dòng)橋的速比、中心距等主要參數(shù)，且決定了整個(gè)主減的受力狀態(tài)，進(jìn)而決定了軸、軸承、殼體等主要零部件的強(qiáng)度和剛度要求，間接影響了整個(gè)主減幾乎每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)。根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的性能要求，齒輪設(shè)計(jì)的原則是在滿(mǎn)足強(qiáng)度的前提下盡可能提高NVH 性能，且不增加總成的尺寸和重量。可見(jiàn)電驅(qū)動(dòng)橋的齒輪設(shè)計(jì)并不是孤立的，不能一味地追求高重合度，必須考慮齒輪設(shè)計(jì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋總成其他零部件的影響。
以我司開(kāi)發(fā)的一款電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A 為例，在前期設(shè)計(jì)階段，利用專(zhuān)業(yè)的傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件MASTA 建立了包含齒輪、軸、軸承、殼體等主要零部件的分析模型（如圖3 所示），對(duì)齒輪參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。
展開(kāi) 干貨|細(xì)高齒設(shè)計(jì)在優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)橋NVH的應(yīng)用
電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)相比，動(dòng)力源電機(jī)的噪聲比發(fā)動(dòng)機(jī)有所降低，驅(qū)動(dòng)橋的 噪聲會(huì)更為突出，因此提高驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的品質(zhì)具有重要意義。
通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和變速箱N(xiāo)VH的研究表明，齒輪的傳遞誤差波動(dòng)是傳動(dòng)系統(tǒng)噪 聲的主要激勵(lì)，可以說(shuō)齒輪噪聲是驅(qū)動(dòng)橋NVH問(wèn)題的源頭之一，因此圓柱齒輪 的設(shè)計(jì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋的品質(zhì)至關(guān)重要。
采用具有高重合度的細(xì)高齒設(shè)計(jì)成為提升電驅(qū)動(dòng)橋NVH性能的有效手段之一。
傳動(dòng)原理
齒輪傳動(dòng)是依靠各對(duì)齒輪的依次嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度與基圓齒距 的比值稱(chēng)為重合度。
為了使齒輪能夠連續(xù)傳動(dòng)，應(yīng)該保證前一對(duì)齒輪脫離嚙合前，后一對(duì)齒輪已 經(jīng)進(jìn)入嚙合，即重合度必須大于1。作為衡量齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件，重合度越大 ，表明齒輪傳動(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性越好。
圖解說(shuō)明
理論分析
通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)齒輪的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，表明重合度是影響圓 柱齒輪NVH的關(guān)鍵因素。
展開(kāi) Motor-CAD— 新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)快速設(shè)計(jì)與優(yōu)化工具
求解器集成了磁路法/熱路法/熱網(wǎng)絡(luò)法/有限元分析法/智能優(yōu)化算法，可進(jìn)行磁-熱-結(jié)構(gòu)等多學(xué)科耦合下的高精度快速求解。通過(guò)后處理模塊，實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的直觀顯示，同時(shí)利用優(yōu)化模塊，可進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品參數(shù)靈敏度分析及多性能目標(biāo)優(yōu)化。Motor-CAD在同一軟件平臺(tái)下統(tǒng)領(lǐng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的快速設(shè)計(jì)、多學(xué)科性能仿真評(píng)估、參數(shù)優(yōu)化，減少了不同軟件工具進(jìn)行模型和數(shù)據(jù)傳遞的問(wèn)題，有效提升設(shè)計(jì)效率。
- 電機(jī)匹配整車(chē)循環(huán)工況效率分析
Motor-CAD Lab中電機(jī)飽和參數(shù)模型和損耗模型，可快速計(jì)算包括效率在內(nèi)的各種Map圖，針對(duì)整車(chē)路譜工況點(diǎn)進(jìn)行校核，同時(shí)繪制扭矩/速度特性，進(jìn)一步分析在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下電機(jī)性能的匹配情況，以及工況中瞬態(tài)溫升的校核分析。
- 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑冷卻詳細(xì)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
Motor-CAD具有豐富的CAE接口，可結(jié)合其他專(zhuān)業(yè)軟件，構(gòu)建電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的虛擬仿真環(huán)境，共同實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑冷卻的詳細(xì)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估。
聯(lián)合傳動(dòng)系統(tǒng)軟件Romax，完成電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各自潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)，并進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)損耗和溫升特性等指標(biāo)仿真模擬。
耦合各專(zhuān)業(yè)三維有限元分析軟件，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑冷卻方案的精細(xì)化評(píng)估。無(wú)縫集成電磁模塊Maxwell、熱模塊AEDT Thermal，流體模塊Fluent，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度場(chǎng)三維仿真和精確量化。
基于臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)上述模型精度進(jìn)行評(píng)估和標(biāo)定。基于標(biāo)定后的模型，開(kāi)展參數(shù)靈敏度分析和魯棒性分析，充分考慮各類(lèi)加工、裝配誤差等產(chǎn)生的影響，確保潤(rùn)滑冷卻方案的可靠性
展開(kāi) Moldex3D仿真分析之仿真驅(qū)動(dòng)和AI加速的工作流程優(yōu)化異型水路設(shè)計(jì)
IPC團(tuán)隊(duì)采用「仿真優(yōu)先」的工作流程，并結(jié)合基于主成分分析（PCA）的目標(biāo)篩選、類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）代理模型，以及多目標(biāo)演化優(yōu)化，該團(tuán)隊(duì)成功將過(guò)去須耗時(shí)數(shù)周的傳統(tǒng)試誤法，轉(zhuǎn)為一套結(jié)構(gòu)化、以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向的搜尋流程，能有效找出最佳的模具與制程設(shè)計(jì)方案。
模擬與AI：優(yōu)化設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵推手
冷卻通常占整個(gè)射出成型周期的70%-80%，也是造成殘余應(yīng)力、翹曲和位移的主要原因。雖然異型水路（Conformal Cooling Channels，CCC）有助于緩解上述問(wèn)題，但其水路配置便是一個(gè)涉及周期時(shí)間、溫度條件及可制造性的多目標(biāo)難題。為了應(yīng)對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)，IPC團(tuán)隊(duì)利用Moldex3D來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)方案，并藉助AI有效權(quán)衡最佳方案，而這種方法也使該團(tuán)隊(duì)能穩(wěn)定獲得優(yōu)于傳統(tǒng)水路配置的溫度分布、成型周期時(shí)間。
應(yīng)用焦點(diǎn)：采異型水路的薄壁杯
為具體說(shuō)明該方法，IPC團(tuán)隊(duì)展示一個(gè)薄壁杯的案例。他們用Moldex3D來(lái)評(píng)估水路配置、直徑與間距，同時(shí)透過(guò)AI縮短搜索范圍并識(shí)別有效設(shè)計(jì)方案。藉由這套工作流程，所預(yù)測(cè)的成型周期較傳統(tǒng)配置明顯縮短，成功展現(xiàn)異型水路結(jié)合AI，便能以簡(jiǎn)易的驗(yàn)證方式來(lái)加速設(shè)計(jì)優(yōu)化。
圖一、異型水路設(shè)計(jì)范例
IPC團(tuán)隊(duì)的工作流程
射出成型的項(xiàng)目往往需要追蹤數(shù)十項(xiàng)數(shù)據(jù)。IPC團(tuán)隊(duì)首先透過(guò)主成分分析（PCA），在確保不遺漏問(wèn)題本質(zhì)的情況下，縮減優(yōu)化目標(biāo)。接著運(yùn)用Moldex3D模擬分析結(jié)果來(lái)訓(xùn)練類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）代理模型，以快速預(yù)測(cè)溫度與冷卻時(shí)間。該團(tuán)隊(duì)也采用多目標(biāo)演化算法（MOEA）高效探索數(shù)千種可行設(shè)計(jì)，再透過(guò)Moldex3D驗(yàn)證出最具效益的方案。最后，透過(guò)繪制帕雷托前沿（Pareto Front）來(lái)清楚呈現(xiàn)各指標(biāo)間的權(quán)衡關(guān)系（例如：須犧牲多少成型周期時(shí)間來(lái)獲得更均勻的溫度分布），而非提供單一的最佳值。
展開(kāi) 一款重卡驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率提升設(shè)計(jì)優(yōu)化及驗(yàn)證
摘要：該文通過(guò)對(duì)一款重卡驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提升了傳動(dòng)效率，降低了整車(chē)油耗，并對(duì)改進(jìn)前后的驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率及整車(chē)油耗做了試驗(yàn)和對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，中橋效率提升了1.72%，后橋效率提升了2.28%，整車(chē)油耗降低了1.5 L，在一定程度上有利于促進(jìn)其他車(chē)型驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率的提升。
關(guān)鍵詞：重卡驅(qū)動(dòng)橋；傳動(dòng)效率；設(shè)計(jì)優(yōu)化；試驗(yàn)對(duì)比
作者簡(jiǎn)介：
段傳勝，北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司工程師，研究方向?yàn)槠?chē)驅(qū)動(dòng)橋；
陳夢(mèng)，北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司工程師，研究方向?yàn)槠?chē)驅(qū)動(dòng)橋。
驅(qū)動(dòng)橋作為功率、能量傳動(dòng)鏈的重要一環(huán)，提升驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率對(duì)降低能耗起著至關(guān)重要的作用。本文通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋主減速器齒輪、軸承、油封設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，導(dǎo)入齒輪油及油液管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)斷開(kāi)提升機(jī)構(gòu)等方式，提升了驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率，降低了整車(chē)燃油消耗[1-3]。
1 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率概念及影響因素
1.1 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率概念
驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率η是指驅(qū)動(dòng)橋的輸出功率Po與驅(qū)動(dòng)橋的輸入功率Pi的比值，即η=Po/Pi，η越大，代表傳動(dòng)效率越高，驅(qū)動(dòng)橋能量消耗越少，驅(qū)動(dòng)橋的具體構(gòu)成如圖1所示。
圖1 驅(qū)動(dòng)橋的具體構(gòu)成
1.2 影響驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率的因素
通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的傳遞路徑和功率消耗進(jìn)行分析可知，影響傳動(dòng)效率的主要因素為齒輪的嚙合精度、軸承齒輪摩擦副、轉(zhuǎn)動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、攪油功率損失等。
2 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率提升改進(jìn)方案
2.1驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率提升改進(jìn)方案
根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率的影響因素，從以下3個(gè)方面對(duì)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
展開(kāi) 
干貨|細(xì)高齒設(shè)計(jì)在優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)橋NVH的應(yīng)用
電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)相比，動(dòng)力源電機(jī)的噪聲比發(fā)動(dòng)機(jī)有所降低，驅(qū)動(dòng)橋的 噪聲會(huì)更為突出，因此提高驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的品質(zhì)具有重要意義。
通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和變速箱N(xiāo)VH的研究表明，齒輪的傳遞誤差波動(dòng)是傳動(dòng)系統(tǒng)噪 聲的主要激勵(lì)，可以說(shuō)齒輪噪聲是驅(qū)動(dòng)橋NVH問(wèn)題的源頭之一，因此圓柱齒輪 的設(shè)計(jì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋的品質(zhì)至關(guān)重要。
采用具有高重合度的細(xì)高齒設(shè)計(jì)成為提升電驅(qū)動(dòng)橋NVH性能的有效手段之一。
傳動(dòng)原理
齒輪傳動(dòng)是依靠各對(duì)齒輪的依次嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度與基圓齒距 的比值稱(chēng)為重合度。
為了使齒輪能夠連續(xù)傳動(dòng)，應(yīng)該保證前一對(duì)齒輪脫離嚙合前，后一對(duì)齒輪已 經(jīng)進(jìn)入嚙合，即重合度必須大于1。作為衡量齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件，重合度越大 ，表明齒輪傳動(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性越好。
圖解說(shuō)明
理論分析
通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)齒輪的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，表明重合度是影響圓 柱齒輪NVH的關(guān)鍵因素。
展開(kāi) 干貨|細(xì)高齒設(shè)計(jì)在優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)橋NVH的應(yīng)用
電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)相比，動(dòng)力源電機(jī)的噪聲比發(fā)動(dòng)機(jī)有所降低，驅(qū)動(dòng)橋的 噪聲會(huì)更為突出，因此提高驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的品質(zhì)具有重要意義。
通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和變速箱N(xiāo)VH的研究表明，齒輪的傳遞誤差波動(dòng)是傳動(dòng)系統(tǒng)噪 聲的主要激勵(lì)，可以說(shuō)齒輪噪聲是驅(qū)動(dòng)橋NVH問(wèn)題的源頭之一，因此圓柱齒輪 的設(shè)計(jì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)橋的品質(zhì)至關(guān)重要。
采用具有高重合度的細(xì)高齒設(shè)計(jì)成為提升電驅(qū)動(dòng)橋NVH性能的有效手段之一。
傳動(dòng)原理
齒輪傳動(dòng)是依靠各對(duì)齒輪的依次嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度與基圓齒距 的比值稱(chēng)為重合度。
為了使齒輪能夠連續(xù)傳動(dòng)，應(yīng)該保證前一對(duì)齒輪脫離嚙合前，后一對(duì)齒輪已 經(jīng)進(jìn)入嚙合，即重合度必須大于1。作為衡量齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件，重合度越大 ，表明齒輪傳動(dòng)的連續(xù)性和平穩(wěn)性越好。
圖解說(shuō)明
理論分析
通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)齒輪的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，表明重合度是影響圓 柱齒輪NVH的關(guān)鍵因素。
展開(kāi) 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽2013賽季 “優(yōu)化技術(shù)驅(qū)動(dòng)輕量化設(shè)計(jì)”活動(dòng)方案
中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽2013賽季
“優(yōu)化技術(shù)驅(qū)動(dòng)輕量化設(shè)計(jì)”活動(dòng)方案
為了推動(dòng)中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，培養(yǎng)新一代中國(guó)汽車(chē)工程的優(yōu)秀人才，Altair在中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽2013賽季為全國(guó)各參賽車(chē)隊(duì)提供業(yè)界無(wú)與倫比的優(yōu)化技術(shù)，幫助大學(xué)生車(chē)隊(duì)實(shí)現(xiàn)更快、更好、更輕的賽車(chē)設(shè)計(jì)目標(biāo)。
本次“優(yōu)化技術(shù)驅(qū)動(dòng)輕量化設(shè)計(jì)”具體活動(dòng)方案如下：
活動(dòng)對(duì)象：參加中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽2013賽季所有賽車(chē)隊(duì)
活動(dòng)時(shí)間：2013年2月18日——8月31日
活動(dòng)內(nèi)容：參賽車(chē)隊(duì)使用OptiStruct軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并達(dá)到輕量化要求，從而提高賽車(chē)性能。
Altair將給申請(qǐng)參加本次活動(dòng)的參賽車(chē)隊(duì)贈(zèng)送超值活動(dòng)禮包，包含：
1） 5套OptiStruct優(yōu)化軟件+10套HyperMesh前后處理，免費(fèi)使用6個(gè)月，價(jià)值600萬(wàn)人民幣
2） 免費(fèi)提供3天現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)和后續(xù)技術(shù)問(wèn)題解答服務(wù)
3） 為賽車(chē)隊(duì)所在學(xué)院贈(zèng)送5套優(yōu)化教程系列叢書(shū)
4） 賽車(chē)隊(duì)在2013賽季總排名獲得其歷屆最好成績(jī)，將給予額外獎(jiǎng)勵(lì)
同時(shí)，為了更好地分享優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用的成果以及推廣OptiStruct輕量化技術(shù)，參加本次活動(dòng)的參賽車(chē)隊(duì)需要：
1）活動(dòng)結(jié)束后提供OptiStruct優(yōu)化技術(shù)論文2篇
2）活動(dòng)結(jié)束后提供利用OptiStruct實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的成功案例1個(gè)
3） 校園發(fā)布中展示本次OptiStruct優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用成果
4）在所參賽的賽車(chē)車(chē)體上顯示Altair公司logo
Altair OptiStruct是一個(gè)基于有限元技術(shù)的概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化工具。OptiStruct在設(shè)計(jì)早期利用最少的輸入來(lái)預(yù)測(cè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，并在隨后的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改良，使優(yōu)化設(shè)計(jì)更加方便、穩(wěn)健和精確可靠，并為CAE技術(shù)找到自主創(chuàng)新的突破口。
展開(kāi) 熱門(mén)直播 | Ansys HFSS + SynMatrix：AI 驅(qū)動(dòng)的低損耗平面濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化
如何在緊湊設(shè)計(jì)、低損耗與高性能之間取得平衡，是工程師們面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
作為一款完全集成于 Ansys HFSS 的射頻濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化平臺(tái)，SynMatrix 提供端到端的一體化解決方案，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 3D 建模與智能優(yōu)化：AI 驅(qū)動(dòng)濾波器綜合與參數(shù)提取，設(shè)計(jì)效率提升 50%以上；無(wú)縫 HFSS 集成：輕松實(shí)現(xiàn)高精度仿真與快速驗(yàn)證；制造調(diào)諧輔助：顯著降低人工依賴(lài)，加速生產(chǎn)進(jìn)程；適配 5G/6G 與毫米波應(yīng)用：滿(mǎn)足更高頻段設(shè)計(jì)需求，提升靈敏度與性能。
11月20日，Ansys總部將推出網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)「Ansys HFSS + SynMatrix：AI 驅(qū)動(dòng)的低損耗平面濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化」，將帶您深入了解 Ansys HFSS 與 SynMatrix的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合如何重塑濾波器設(shè)計(jì)流程——通過(guò) AI 驅(qū)動(dòng)優(yōu)化與自動(dòng)化工作流程，大幅加速濾波器研發(fā)周期，幫助工程師實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)、更具競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)計(jì)。歡迎感興趣的用戶(hù)注冊(cè)參會(huì)，詳細(xì)了解如何借助 Ansys HFSS + SynMatrix，用智能仿真與自動(dòng)化工作流程打造下一代低損耗平面濾波器。
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