电动汽车差速器桥壳受力解析报告初稿
邢焕林及刘强老师组成员
（中山大学工学院，广州广东510006）
摘要：利用Pro/Engineer和SimLab软件建立了差速器桥壳的三维实体模型并划分实体网格。
通过对差速器桥壳进行有限元分析，分别得到了差速器桥壳四种典型工况的等效应力和变形。
结果表明该差速器桥壳满足强度要求和最大变形量的要求，为差速器桥壳的结构改进及优化设计提供了理论依据。
关键词：Pro/Engineer；SimLab；差速器桥壳；有限元分析
驱动桥壳是汽车上重要的承载件和传力件。
电动汽车上使用的是断开式驱动桥壳。
作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力、垂向力是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。
而差速器桥壳也是整个驱动桥壳的受力部件，并且内部装有汽车的关键部件差速器。
因此校核差速器桥壳的强度具有重要意义。
本文中利用有限元分析软件HyperMesh对电动汽车上使用的差速器桥壳进行了分析。
1 差速器桥壳有限元模型的建立
首先在Pro/Engineer中建立了电动汽车差速器桥壳的三维模型，在保证分析精度的情况下，在建立模型过程中进行了一定的简化。
然后将三维模型导入到SimLab中，选择Tet10号单元类型，对其进行划分网格，得到44225个单元，74660个节点。
有限元模型如图1所示。
图1 差速器桥壳的有限元模型
该驱动桥壳材料为ADC12铝合金，ADC12是Al-Si-Cu系压铸铝合金，多用于制作盖子、缸体类，执行标准为JISH5302-2000《铝合金压铸件》[1]，ADC12是日本的铝合金牌号相当于美国合金牌号383。
查阅标准手册《NADCA Product Specification Standards for Die Castings》[2]，ADC12铝合金的材料参数如表1所示。
表1 ADC12铝合金的材料参数
材料名称材料密度
（g/cm3）弹性模量
（GPa）
泊松比屈服强度
（MPa）
2 汽车行驶工况的确定
差速器桥壳在车辆行驶中的受力状况比较复杂，承受的力主要有垂向力、切向力(牵引力或制动力)和侧向力。
这里，参考文献[3-17]，简化为以下四种典型工况进行计算：
2.1不平路面冲击载荷工况
图2桥壳静弯曲时的受力分析图
此工况为汽车满载并通过不平路面，受冲击载荷的工况，这时不考虑侧向力和切向力。
取1.75倍载荷施加在两个钢板弹簧座上，那么作用在差速器桥壳上的弯矩为M=4353.3Nm。
此外，电机的质量为55kg，电机的支撑方式为两段固支，电机对桥壳的作用力为F=539N，M0=94.3 Nm。
2.2最大牵引力行驶工况
图3 最大牵引力行驶时桥壳的受力分析图
此工况为汽车满载以最大牵引力作直线行驶时的工况，不考虑侧向力。
此时左右驱动轮除了有垂向反力外，还作用有地面对驱动车轮的最大切向反作用力(即牵引力)。
这时作用在差速器桥壳上的垂直弯矩M v=2958.5Nm；水平弯矩M h=698.54 Nm；扭矩T=1040.9 Nm。
此外电机对差速器桥壳的作用力为F=539N，M0=94.3 Nm。
2.3紧急制动行驶工况
图4 紧急制动时桥壳的受力分析图
此工况为汽车满载紧急制动时的工况，不考虑侧向力。
汽车紧急制动时，左右驱动车轮除作用有垂直反力外，还作用有地面对驱动车轮的制动力。
这时作用
在差速器桥壳上的垂直弯矩M V=2370.4 Nm；水平弯矩M h=1096.3 N；扭矩T=0Nm。
此外电机对差速器桥壳的作用力为F=539N，M0=94.3 Nm。
2.4最大侧向力行驶工况
图5 侧倾时的受力分析图
该工况是汽车发生侧滑时的极限工况，即当驱动桥的全部荷重由侧滑方向一侧的驱动车轮承担时，驱动桥承受的侧向力为：
P=G×φ
其中：P—驱动桥承受的侧向力；G—汽车满载静止于水平路面时后桥传给地面的载荷，为24206N（电动汽车汽车满载时重量为3.8t，汽车后轴载荷系数为65%）；φ—轮胎与地面的侧向附着系数，取1。
代人以上数值得P=24206N。
3 计算及结果分析
3.1最大垂向力工况
汽车后桥满载轴荷24206N，把1.75倍动载荷加载到桥壳上，减速器桥壳主要承受由最大垂向力引起的沿X轴的弯矩，还有电机作用在桥壳断面的作用力。
桥壳的等效应力和变形如下图所示。
(a)等效应力图
(b)变形图
图6最大垂向力工况下等效应力图及变形图
从图6(a)中可以看出，在差速器桥壳端面内圆处出现应力集中的情况，最大应力值为34.1MPa，小于材料的屈服应力150Mpa。
从图中还可以看出，下面的加强筋处应力也较大。
从图2(b)中可以看出，桥壳最大变形量发生在安装电机的桥壳凸缘盘处，其变形量为0.062mm，根据标准QC-T 534《汽车驱动桥台架试验评价指标》[18]规定，测量点满载时每米轮距最大变形不超过 1.5mm，本减速器桥壳满足国家标准规定。
3.2最大牵引力工况
此工况下，汽车满载，发动机以最大转矩工作，亦为最大启动工况。
差速器桥壳主要承受由垂向力和最大牵引力传递给桥壳的沿X轴与Z轴的弯矩和沿Y 轴的扭矩，还有电机作用在桥壳断面的作用力。
桥壳的等效应力分布和变形如图3所示。
(a)等效应力图
(b)变形图
图7 最大牵引力工况下等效应力图及变形图
从图7(a)中可以看出，最大等效应力点发生在差速器桥壳端面内圆处，最大应力值为36.8MPa。
再如图7(b)所示，最大变形量发生在半轴套管端部，其最大变形量为0.0491mm。
最大应力值和变形量均符合要求。
3.3最大制动力工况
此工况下，汽车制动时，制动器能使车轮在地面上滑动。
差速器桥壳主要承受由垂向力和最大制动力传递给桥壳的沿X轴与Z轴的弯矩，还有电机作用在桥壳断面的作用力。
桥壳的应力分布和变形量如图8所示。
其最大应力发生在半轴套管附近，最大应力值为42MPa，小于材料的屈服强度150MPa。
最大变形量出现在半轴套管端部内圆处，其最大变形量为0.0672mm。
最大应力值和变形量均符合要求。
(a)等效应力图
(b)变形图
图8最大制动力工况下等效应力图及变形图
3.4最大侧向力工况
此工况下，汽车所承受的侧向力达到地面给轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力，汽车处于侧滑的临界状态。
此时，驱动桥的全部荷重由侧滑方向一侧的车轮承担，桥壳这种极端情况对驱动桥的强度极其不利，应避免发生。
此时，差速器桥壳主要承受垂向力和最大侧向力，桥壳的应力分布和变形如图9所示。
(a)等效应力图
(b)变形图
图9最大侧向力工况下等效应力图及变形图
由图9可知，最大侧向力工况下的最大应力发生在减速器桥壳的中部拐角附近，其最大值为4.92MPa，远小于许用应力。
最大变形量出现在位于侧滑方向一侧半轴套管的端部下方，其最大变形量为0.036mm。
最大应力值和变形量均符合要求。
4 结论
通过对减速器桥壳四种典型工况的有限元分析，可以看出，该减速器桥壳满足强度要求和最大变形量要求。
利用有限元软件HyperMesh进行仿真分析和计算，可以有效地进行强度安全校核，减少试验次数，缩短设计改进周期，提高产品质量，使得电动汽车在轻量化和操纵稳定性方面得到改进和提高，具有非常重要的实际意义。
以上仅是受力解析报告初稿，望各位老师提供宝贵意见，以便往下完善差速器桥壳的受力解析。
5 参考文献
[1] JISH5302-2000;铝合金压铸件;日本工业规格;2000
[2] NADCA Product Specification Standards for Die Castings; Section 3; 2003
[3] 李欣;重型货车驱动桥桥壳结构分析及其轻量化研究[D];武汉理工大学;2006
[4] 王亮;汽车驱动桥壳优化设计[D];河北工业大学;2006
[5] 朱峥涛;汽车驱动桥桥壳有限元分析[D];南昌大学;2007
[6] 王星;货车驱动桥壳结构强度分析方法研究[D];重庆交通大学;2008
[7] 麻常选;重型载货车DA485驱动桥壳的应力分析[D];山东大学;2008
[8] 林正祥;汽车驱动桥桥壳动力特性分析与疲劳寿命预测[D];合肥工业大学;2009
[9] 张成波;1141重型货车驱动桥桥壳轻量化研究[D];武汉理工大学;2010
[10] 官磊;商用车驱动桥壳的结构分析[D];重庆大学;2010
[11] 赵冰;驱动桥壳静态强度及振动仿真模态研究[D];长安大学;2011
[12] 吴春虎;轻型货车驱动桥壳结构分析及轻量化设计[D];山东大学;2011
[13] 孙辉;微型车驱动桥壳结构强度分析[D];青岛理工大学;2010
[14] 杨志卿;基于有限元方法的汽车驱动桥壳分析[D];南京理工大学;2012
[15] 葛亚宁;装载机驱动桥桥壳有限元分析与优化设计[D];吉林大学;2011
[16] 孙忠云;基于可靠性优化的汽车驱动桥壳设计研究[D];南京理工大学;2011
[17] 苏恩生;汽车驱动桥壳的有限元建模与分析[D];吉林大学;2005
[18] QC/T 534-1999;汽车驱动桥台架试验评价指标[S];北京:国家机械工业局;1999。