楊延勇

(北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院， 廣東 珠?！?19000)

0　引　言

隨著我國汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及節(jié)能環(huán)保理念的推廣，汽車輕量化越來越受重視。汽車輕量化不僅能夠降低汽車尾氣排放以及能源消耗，而且對提高整車的性能具有十分重要的作用。而驅(qū)動橋殼作為汽車的一個重要零部件，對其輕量化設(shè)計展開探討十分必要?；诖耍P者進(jìn)行了相關(guān)介紹。

1　某汽車驅(qū)動橋殼現(xiàn)狀分析

某汽車車型后驅(qū)動橋殼的厚度分別為6.0 mm和5.0 mm，所用的材料為SAPH440，傳統(tǒng)工藝在汽車橋殼制造過程中會出現(xiàn)皺褶、開裂、擠疊等不合格情況，為了選擇合適材質(zhì)和合適厚度的橋殼材料，需要查明出現(xiàn)開裂的具體原因，對汽車橋殼的的材質(zhì)進(jìn)行取樣，進(jìn)行組織分析、裂紋斷口分析、化學(xué)成分分析以及減薄量分析。

1.1　化學(xué)成分分析

對橋殼的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，如表1所列，橋殼的化學(xué)成分符合協(xié)議中所要求的材料成分。

表1　化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)

1.2　減薄量分析

橋殼的形狀采用沖壓拉延成形，材質(zhì)開裂的主要原因是由于延展拉伸后導(dǎo)致材質(zhì)減薄，因此需要對其材質(zhì)進(jìn)行檢測，如圖1。

通過圖1和圖2所示，開裂區(qū)域的材料厚度比正常區(qū)域較薄，約為20%，正常區(qū)域的硬度與開裂區(qū)域相比，低約30～40 HV。

圖1　橋殼成型過程中的硬度和厚度的變化

圖2　橋殼成型中的開裂試樣

1.3　組織分析

通過對厚度為5 mm、6 mm的橋殼進(jìn)行組織分析，結(jié)果如表2。

圖3　板厚5 mm后橋殼金相組織分析分布

表2　開裂組織檢測數(shù)據(jù)

圖4　板厚6 mm后橋組織分析

圖5　橋殼開裂部位分析

汽車橋殼在壓制中出現(xiàn)的不合理成形機(jī)理和分析，按照橋殼設(shè)計的基本情況，主要從兩個方面考慮優(yōu)化，其一優(yōu)化橋殼結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度來獲得更小的材質(zhì)厚度，改善工藝沖壓情況，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼板的沖壓性，其二提高材料強(qiáng)度和減薄殼材料厚度。

2　某汽車驅(qū)動橋殼輕量化設(shè)計

現(xiàn)汽車橋殼的材質(zhì)是SAPH440，減薄量：將A型汽車的現(xiàn)有厚度減薄為4.5 mm或4.0 mm，B型汽車的計劃減薄為5.0 mm或是5.5 mm。

(1) 對現(xiàn)有橋殼進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試。

(2) 通過對橋殼臺架的分析，板厚的應(yīng)變測試結(jié)果顯示如圖6、7，板厚的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果顯示，如圖6。

圖6　板厚5 mm橋殼應(yīng)力應(yīng)變測試

如圖6可知，板厚橋殼最大的動力加載系數(shù)為3.0，也就是說當(dāng)加載的軸荷位后橋荷軸的三倍時，其最大的動載應(yīng)力為75 MPa。

如圖7，6 mm橋殼最大的動載應(yīng)力為3.0，在加載為后橋軸荷時，橋殼的最大動載應(yīng)力為98 MPa。

圖7　板厚6 mm橋殼應(yīng)力應(yīng)變測試數(shù)據(jù)

3　仿真分析

本文章根據(jù)A、B兩種車型，確定了橋殼模型的具體參數(shù)、橋殼輕量化仿真分析以及模擬路況。

3.1　邊界條件確定

A、B兩種車型，確定仿真模型的邊界參數(shù)，具體情況如表3。

表3　邊界條件

3.2　路況選擇

本次選擇的某汽車型號，按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，橋殼驅(qū)動彎曲的最大負(fù)荷為滿軸的3倍，因此驅(qū)動橋殼的試驗負(fù)荷應(yīng)按照3倍軸荷0倍扭矩、1倍軸荷1倍扭矩這兩種工況進(jìn)行模擬，具體計算分配如表4。

表4　兩種模擬路況的分配

3.3　仿真分析

(1) 按照確定的模擬路況和邊界條件，建立仿真模型，其中A車型的橋殼厚度分別按照4 mm和4.5 mm進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變，B車型的橋殼厚度分別為5 mm和5.5 mm仿真分析如表5。

(2) 綜合上述兩種車型的仿真分析，其計算結(jié)果如表5所示。

表5　A和B車型驅(qū)動橋殼計算結(jié)果

通過仿真分析，當(dāng)A車型的橋殼厚度選用4 mm時，在三倍載荷0倍扭矩下，最大應(yīng)力為438 MPa，疲勞壽命最高達(dá)98萬/次，撓度為0.77 mm；B型汽車在1倍載荷1倍扭矩下，選用5 mm板厚橋殼，撓度為0.31 mm，最大應(yīng)力為467 MPa，最低疲勞壽命為158萬/次，滿足要求。

3.4　沖壓成形仿真分析

A、B車型的驅(qū)動零件主要特點(diǎn)為兩側(cè)圓管底部和中間球面底部的高度落差大，截面長度不齊，球面底部有較大的凹陷特征，圓角太小，如圖8。

結(jié)合實(shí)際情況，汽車鋼模沖壓需要采用首鋼和寶鋼提供的材料，從而形成減薄量分析，B型汽車原始的橋殼厚度為6 mm，鋼材SAPH440，最大減薄率為50.8%，A型汽車的原始橋殼厚度為4.5 mm，首鋼板材SQK600，最大減薄率為53.7%，原始橋殼5 mm，首鋼板材SQK520，最大減薄率為50.8%，針對三種品牌的不同對板材進(jìn)行沖壓，結(jié)果見表6。

表6　不同牌號橋殼板材沖壓成形仿真分析數(shù)據(jù)

由表6可知，隨著不斷提高汽車橋殼材料的強(qiáng)度，慢慢加大了最大減薄量，但是在實(shí)際情況中需要考慮材料成本和材料的延伸率，最后做進(jìn)一步的選擇和試驗。

圖8　車型A、B驅(qū)動橋殼零部件結(jié)構(gòu)特征

4　橋殼選材方案

輕量橋殼的選材主要根據(jù)橋殼的尺寸進(jìn)行計算，從而推算出板材的抗拉強(qiáng)度，然后進(jìn)行沖壓，反復(fù)驗證后確定所需棒材的型號。

4.1　橋殼選材計算

圖9為車型A、B驅(qū)動橋殼軸管示意圖，截面極慣性矩：

(1)

式中：d為橋殼軸管內(nèi)徑；D為橋殼軸管外徑。

圖9　為車型A、B驅(qū)動橋殼軸管示意圖

抗彎截面系數(shù)：

(2)

根據(jù)以上公式計算出抗彎截面系數(shù)(見表7和表8)，再根據(jù)板材厚度與橋殼厚度，推算出材料的抗拉強(qiáng)度，計算結(jié)果如表7、8。

表7　A車型不同厚度橋殼鋼板數(shù)據(jù)

表8　B車型不同厚度橋殼鋼板數(shù)據(jù)

通過表7和表8可以得出，需要考慮實(shí)際下材料成本和延伸率，選定B車型，材質(zhì)為SQK520，將原始厚度減至5.0 mm；選定A車型，其材質(zhì)為SQK520，將原始厚度5 mm，減至4 mm。

4.2　沖壓試制

將初選的板厚材料進(jìn)行沖壓成型，在沖壓過程中，因為材料延伸率不足的原因，仍然存在著少部分的開裂。

4.3　驗證結(jié)果

按照上述分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的仿真分析、板材選材、樣件試壓，并且結(jié)合實(shí)際工藝的檢測、驗證和查閱有關(guān)資料，將橋殼材料調(diào)整為SQK460，進(jìn)行壓制，A車型的橋殼開裂降低至1%，且效果理想，B車型的橋殼開裂率也降低。

5　結(jié)　語

綜上所述，輕量化是汽車節(jié)能減排的有效技術(shù)手段，而輕量化的驅(qū)動橋殼不僅能夠減輕整車質(zhì)量，提高汽車的操控性及穩(wěn)定性，而且還能夠減少整車材料的使用以及自身的能耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。本文介紹了某汽車驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計，對類似汽車驅(qū)動橋殼輕量化設(shè)計具有一定的參考價值。