【技术帖】重卡驱动桥的轻量化设计及应用研究

当前，随着中国制造2025 建设目标的提出，汽车轻量化已成为我国汽车工业节能、减排、降耗的重要战略路线。行业数据显示，汽车自重每减少10%，排放会降低5%～6%；75%的油耗与整车质量有关，重卡汽车自重每降低100 kg，油耗亦可降低6%～7%。同时，汽车轻量化是我国实施节能减排战略及中长期科技发展的需求及重要发展趋势，其设计理念在于确保产品性能稳定提升基础之上，节能化设计各总成零部件。汽车车桥结构型式设计的正确性是影响整车可靠、高效运行的关键因素之一[1]。与此同时，随着车辆道路法规的严控，对整车允许最大总质量的要求越来越规范，自卸车超载的情况将逐步减少，执行国家法规和地方性法规车重的自卸车将逐步增多。根据调查数据可知，总质量35～55 t（预留10 t 超载空间）的自卸车将得到市场广泛欢迎。进一步结合GB 1589[2]及GB 7258[3]汽车最大允许质量限值（表1）可知，重卡货车及自卸车型应朝着轻量化方向优化；CAE/CAM 作为领域内成熟应用工具，在结构性能参数获取分析方面有独特优势，其通过复杂问题简单化、结构处理离散化、结果输出可视化系列操作，为设计研发人员提供改进方向。基于此，本文选取一重型卡车双级减速驱动桥为研究对象，从降低整桥自重、优化结构性能角度出发，运用CAE/CAM 技术，融入体系化布局思维，展开整桥结构的轻量化设计分析及生产实践研究。

表1 GB 1589及GB 7258规定汽车最大允许质量限值
Tab.1 Maximum allowable mass limit of automobile specified in GB 1589 and GB 7258

1.1 几何模型

搭建该重卡驱动桥轻量化设计的数学模型。以有限元求解思想为主线，通过结构离散化、求解最优化的主干算法，将零部件的CAE 分析问题简化处理，同时，从空间x、y、z 3 个方向上设置正确的位移边界条件与力边界条件，得几何平衡方程为

式中，σ 为零部件材料各方向上承受的正应力大小；b为零部件材料各方向上的剪应力大小。

得到零部件材料各点承受应力后，进一步获取内部各点位移与应力、应变的几何模型关系为

式中，ε 为驱动桥零部件载荷过程产生的应力大小；γ为驱动桥零部件载荷过程产生的应变大小。

1.2 应用模型

以整桥承受载荷过程中应力与应变的关系为出发点，针对该驱动桥实施CAE/CAM 技术轻量优化分析。其遵循的核心应用模型为

式中，E 为驱动桥零部件材料的弹性模量；μ 为驱动桥零部件材料的泊松比；τ为驱动桥零部件材料各方向上承受的剪切应力大小。

2.1 整桥结构布局

以建立的数学模型为优化基础，进行整桥结构轻量化设计与作业性能提升研究布局。选取结构减重化、部件集成化和材料性能化作为设计原则，给出用于重卡驱动桥的整桥结构轻量化设计布局框图（图1）。其额定轴荷为13 t，影响其轻量化结构设计的关键因素为桥壳本体以及主减速器壳自重，其占整桥质量的70%；次要因素为轮毂及连接法兰自重，以及半轴套管、齿圈支架等一些其他配合零部件。通过CAE 设计分析与CAM 生产实践相融合的实现方法进行整桥各核心组件的详细探究。

图1 重卡驱动桥的整桥结构轻量化设计布局框图
Fig.1 Layout block diagram of lightweight design of the whole axle struc⁃ture of the heavy truck drive axle

2.2 核心部件设计

从总体结构布置、传动系分析及可靠效率提升、结构件轻量化设计、制动能力提升等多方面入手，展开核心部件优化。将驱动桥分解为桥壳总成模块、主减速器模块、轮毂总成模块、制动及输出轴总成模块、轮边减速器总成模块等部分。

2.2.1 桥壳总成设计

针对桥壳总成模块，从结构减重化角度实施优化。考虑保证桥壳具有较强的比强度特性作为总成设计的前提，选用高牌号球铁QT600-7，进行截面的尺寸优化；桥壳轮廓厚度设计优化为14 mm，减短半轴套管总长度，桥壳总成琵琶口接口、桥包、法兰、预装件接口等尺寸与桥壳配套设计，整桥自身减重35 千克/根，其中，桥壳法兰距为1 317 mm。图2所示为重卡驱动桥的桥壳结构减重化设计模型。

图2 用于重卡驱动桥的桥壳结构减重化设计模型
Fig.2 Weight reduction design model of axle housing structure for the heavy truck drive axle

2.2.2 主减速器总成结构设计

针对主减速器总成模块，从部件集成化角度实施优化。考虑有效提升主减速器总成的刚度、强度性能，壳体选用高牌号球铁QT700，中桥主减壳与过桥箱一体化设计，取消连接螺栓、定位销等中间连接件，后桥主减壳设计为片状加强筋，轻量化的同时增加壳体散热面积；主减速器以保证整车NVH水平为预设目标，尽可能减少运转过程中啮合错位，选用等高齿进行接触区优化，可满足4.866～6.733区间的不同传动比需求。图3所示为重卡驱动中桥的主减速器集成设计模型。

图3 用于重卡驱动中桥的主减速器集成设计模型
Fig.3 Integrated design model of main reducers for the heavy truck drive medium axle

2.2.3 其他部件优化

针对轮毂总成模块，从材料性能化角度实施优化。采用高牌号球铁QT800 轮毂，对其外轮廓进行冗余优化，设计为花瓣状外形结构，通过材质与结构双向优化，实现本体减重8 kg。针对制动及输出轴总成模块，采用浮动式制动蹄结构，优化输出轴轴承及锁紧方式。针对轮边减速器总成模块，减短钟形鼓、减短半轴套管、减短齿圈支架，经设计计算，达到承扭与传动效率指标。

整桥核心零部件Catia 三维物理模型建立后导入HyperMesh进行网格划分。为了保证网格质量，着重从网格的单元阶次选择进行操作，结合桥壳实际工况进行不同密度的网格排列[4-5]；为了提升计算速度，选定内部优化功能进行合理的节点与单元编号。驱动桥壳及主减壳的部分载荷工况分析如下所述。

3.1 驱动桥壳载荷工况

将桥壳适应性简化，着重校核关键部件连接处的应力大小，分别仿真分析纵向、侧向、垂向载荷工况，以验证轻量化设计的桥壳强度与刚度[6]。进行边界条件的设置与载荷施加，图4所示为桥壳垂直方向上的载荷施加及应力分布。从图4可看出，桥壳承受垂直方向上2.5倍额定载荷的应力最值及变化趋势情况。经计算，施加13 t的2.5倍载荷时，最大应力约为324.5 MPa（汽车前进方向），发生在桥壳与板簧座连接处，小于许用应力值（370 MPa），满足强度要求；类似可进行其他典型工况应力分析，结果均满足要求，且无残余变形，设计有效。

图4 CAE仿真分析的桥壳载荷施加及应力分布
Fig.4 Load application and stress distribution of axle housing in CAE simulation analysis

3.2 主减速器壳载荷工况

在Opistruct 模块选用局部近似梯度算法，分别针对中桥主减速器壳和后桥主减速器壳进行CAE 分析。设定桥壳两端6 个固定约束位置，将主减速器壳的受力进行矩阵缩聚，对其上各轴承孔位置进行边界条件输入，进行求解[7-9]。图5 所示为中桥主减速器壳应力分布。从图5 可看出，主减速器壳整体受力均匀，仅在个别位置（如加强筋处）出现应力集中现象，应力最大值为410 MPa，满足强度要求；图5 中872 MPa 位置为表面接触应力，不影响主减速器壳的强度实现。

图5 CAE仿真分析的中桥主减速器壳应力云图
Fig.5 Stress nephogram of middle axle main reducer housing in CAE simulation analysis

4.1 CAM生产实践

针对轻量化设计好的整桥展开CAM 生产实践。充分利用仿真制造的优点，对桥壳、主减速器壳等难加工面进行UG 仿真工艺方案验证调整，给定零件类型、设计参数和工艺路线，进行虚拟加工，输出加工轨迹与加工程序，经核对修改处理后导入实体数控机床，完成符合图纸要求的零件加工，该CAM生产可降低零件废品数量[10-11]。经称重，得到轻量化设计下整桥各主要零部件减重对比（表2），各机加工序生产良好。

表2 轻量化设计下整桥各主要零部件减重对比
Tab.2 Weight reduction comparison of main parts of the whole bridge under lightweight design

按照各模块的装配关系进行整桥组装，得到基于CAE/CAM 轻量化设计的生产装配整桥样机（图6），整体外观协调，各组件安装可靠，CAM 指导下的工艺方案正确可行。

图6 基于CAE/CAM 轻量化设计的生产装配整桥
Fig.6 Production and assembly bridge based on CAE /CAM lightweight design

4.2 驱动桥总成试验

4.2.1 试验条件

依据《汽车驱动桥台架试验方法》[12]、《汽车驱动桥台架试验评价标准》[13]，对轻量化设计完成后的整桥进行试验验证，涉及桥壳垂直弯曲寿命试验、桥壳垂直弯曲刚度和静强度试验、桥总成齿轮疲劳寿命试验、桥总成静扭试验及传动效率试验[14]。试验条件如下：

1）以主减速比i=5.263 进行参数同步输入，确保不同类型试验条件（如载荷工况、输入转速等）不缺项。

2）试验台装备的软件监测与硬件执行组件满足技术指标的校核要求。

3）确保各类型试验数据输出准确、记录翔实。

4.2.2 试验分析

针对驱动桥总成试验数据，进行整桥的效率性评价分析。首先，对驱动桥总成的传动试验参数进行提取分析，以额定转矩950 N·m 为参照点，设定油温条件为（90±2）℃，进行递增式负荷施加，最大输入转矩为9 500 N·m，得到桥总成试验下的效率与转矩关系（图7）。由图7 可知，输入转速区间设定为521～2 600 r/min，6 组试验获取的传动效率均达95%以上，整桥运转良好，验证了该驱动桥主减速器总成模块设计的合理性，满足轻量化设计的目标要求。

图7 驱动桥总成试验下的效率-转矩关系
Fig.7 Efficiency torque relationship under the axle assembly test

根据各试验项目针对的参数特性，进一步选取整桥质量、总成噪声、B10寿命及后备系数作为关键评价指标，基于CAE/CAM 的重卡驱动桥轻量化设计前后性能参数对比（表3）可知，以强大成熟的CAE技术为支撑平台，正确进行轻量化设计，具有很好的应用实践效果。其中，整桥质量由1 890 kg 减至1 650 kg，总成噪声值在满足设计要求的基础上相对降低2.22%，B10 寿命相对提升了33.33%，后备系数作为评定静强度的系数指标，在满足可靠性标准的基础上均有提升，轻量化设计方案布局具有很好的实践优势。

表3 基于CAE/CAM的重卡驱动桥轻量化设计前后性能参数对比
Tab.3 Comparison of performance parameters before and after lightweight design of the heavy truck drive axle based on CAE/CAM

1）以重卡驱动桥结构组成为基础，从弹性力学角度搭建数学模型，并注重车桥内部零部件的协同配合性，进行产品结构与性能提升，轻量化设计效果明显。

2）从满足整车匹配性角度出发，采用CAE分析进行核心零部件优化设计，驱动桥壳及主减速器壳载荷满足强度要求，驱动桥壳及轮毂等核心部件轻量化减重效果明显；采用CAM 技术进行样机试制，实现了协同开发、同步设计，具有很好的推广价值。

3）通过理论仿真与实际设计经验相结合，有效提升了重卡驱动桥轻量化研发设计效率，质量可靠，扩展了工程自卸车、搅拌车及类似车型车桥配置的选择权，可促进后续传统重卡车辆、新能源车辆车桥的效率化匹配。