汽车驱动桥壳轻量化材料试验与仿真分析*

杨延勇

(北京理工大学 珠海学院， 广东 珠海　519000)

0　引　言

随着我国汽车行业的快速发展以及节能环保理念的推广，汽车轻量化越来越受重视。汽车轻量化不仅能够降低汽车尾气排放以及能源消耗，而且对提高整车的性能具有十分重要的作用。而驱动桥壳作为汽车的一个重要零部件，对其轻量化设计展开探讨十分必要。基于此，笔者进行了相关介绍。

1　某汽车驱动桥壳现状分析

某汽车车型后驱动桥壳的厚度分别为6.0 mm和5.0 mm，所用的材料为SAPH440，传统工艺在汽车桥壳制造过程中会出现皱褶、开裂、挤叠等不合格情况，为了选择合适材质和合适厚度的桥壳材料，需要查明出现开裂的具体原因，对汽车桥壳的的材质进行取样，进行组织分析、裂纹断口分析、化学成分分析以及减薄量分析。

1.1　化学成分分析

对桥壳的材料进行化学成分分析，如表1所列，桥壳的化学成分符合协议中所要求的材料成分。

表1　化学成分数据

1.2　减薄量分析

桥壳的形状采用冲压拉延成形，材质开裂的主要原因是由于延展拉伸后导致材质减薄，因此需要对其材质进行检测，如图1。

通过图1和图2所示，开裂区域的材料厚度比正常区域较薄，约为20%，正常区域的硬度与开裂区域相比，低约30～40 HV。

图1　桥壳成型过程中的硬度和厚度的变化

图2　桥壳成型中的开裂试样

1.3　组织分析

通过对厚度为5 mm、6 mm的桥壳进行组织分析，结果如表2。

图3　板厚5 mm后桥壳金相组织分析分布

表2　开裂组织检测数据

图4　板厚6 mm后桥组织分析

图5　桥壳开裂部位分析

汽车桥壳在压制中出现的不合理成形机理和分析，按照桥壳设计的基本情况，主要从两个方面考虑优化，其一优化桥壳结构，提高强度来获得更小的材质厚度，改善工艺冲压情况，以实现高强度钢板的冲压性，其二提高材料强度和减薄壳材料厚度。

2　某汽车驱动桥壳轻量化设计

现汽车桥壳的材质是SAPH440，减薄量：将A型汽车的现有厚度减薄为4.5 mm或4.0 mm，B型汽车的计划减薄为5.0 mm或是5.5 mm。

(1) 对现有桥壳进行应力应变测试。

(2) 通过对桥壳台架的分析，板厚的应变测试结果显示如图6、7，板厚的应力应变结果显示，如图6。

图6　板厚5 mm桥壳应力应变测试

如图6可知，板厚桥壳最大的动力加载系数为3.0，也就是说当加载的轴荷位后桥荷轴的三倍时，其最大的动载应力为75 MPa。

如图7，6 mm桥壳最大的动载应力为3.0，在加载为后桥轴荷时，桥壳的最大动载应力为98 MPa。

图7　板厚6 mm桥壳应力应变测试数据

3　仿真分析

本文章根据A、B两种车型，确定了桥壳模型的具体参数、桥壳轻量化仿真分析以及模拟路况。

3.1　边界条件确定

A、B两种车型，确定仿真模型的边界参数，具体情况如表3。

表3　边界条件

3.2　路况选择

本次选择的某汽车型号，按照国家相关标准规定，桥壳驱动弯曲的最大负荷为满轴的3倍，因此驱动桥壳的试验负荷应按照3倍轴荷0倍扭矩、1倍轴荷1倍扭矩这两种工况进行模拟，具体计算分配如表4。

表4　两种模拟路况的分配

3.3　仿真分析

(1) 按照确定的模拟路况和边界条件，建立仿真模型，其中A车型的桥壳厚度分别按照4 mm和4.5 mm进行应力应变，B车型的桥壳厚度分别为5 mm和5.5 mm仿真分析如表5。

(2) 综合上述两种车型的仿真分析，其计算结果如表5所示。

表5　A和B车型驱动桥壳计算结果

通过仿真分析，当A车型的桥壳厚度选用4 mm时，在三倍载荷0倍扭矩下，最大应力为438 MPa，疲劳寿命最高达98万/次，挠度为0.77 mm；B型汽车在1倍载荷1倍扭矩下，选用5 mm板厚桥壳，挠度为0.31 mm，最大应力为467 MPa，最低疲劳寿命为158万/次，满足要求。

3.4　冲压成形仿真分析

A、B车型的驱动零件主要特点为两侧圆管底部和中间球面底部的高度落差大，截面长度不齐，球面底部有较大的凹陷特征，圆角太小，如图8。

结合实际情况，汽车钢模冲压需要采用首钢和宝钢提供的材料，从而形成减薄量分析，B型汽车原始的桥壳厚度为6 mm，钢材SAPH440，最大减薄率为50.8%，A型汽车的原始桥壳厚度为4.5 mm，首钢板材SQK600，最大减薄率为53.7%，原始桥壳5 mm，首钢板材SQK520，最大减薄率为50.8%，针对三种品牌的不同对板材进行冲压，结果见表6。

表6　不同牌号桥壳板材冲压成形仿真分析数据

由表6可知，随着不断提高汽车桥壳材料的强度，慢慢加大了最大减薄量，但是在实际情况中需要考虑材料成本和材料的延伸率，最后做进一步的选择和试验。

图8　车型A、B驱动桥壳零部件结构特征

4　桥壳选材方案

轻量桥壳的选材主要根据桥壳的尺寸进行计算，从而推算出板材的抗拉强度，然后进行冲压，反复验证后确定所需棒材的型号。

4.1　桥壳选材计算

图9为车型A、B驱动桥壳轴管示意图，截面极惯性矩：

(1)

式中：d为桥壳轴管内径；D为桥壳轴管外径。

图9　为车型A、B驱动桥壳轴管示意图

抗弯截面系数：

(2)

根据以上公式计算出抗弯截面系数(见表7和表8)，再根据板材厚度与桥壳厚度，推算出材料的抗拉强度，计算结果如表7、8。

表7　A车型不同厚度桥壳钢板数据

表8　B车型不同厚度桥壳钢板数据

通过表7和表8可以得出，需要考虑实际下材料成本和延伸率，选定B车型，材质为SQK520，将原始厚度减至5.0 mm；选定A车型，其材质为SQK520，将原始厚度5 mm，减至4 mm。

4.2　冲压试制

将初选的板厚材料进行冲压成型，在冲压过程中，因为材料延伸率不足的原因，仍然存在着少部分的开裂。

4.3　验证结果

按照上述分析结果进行进一步的仿真分析、板材选材、样件试压，并且结合实际工艺的检测、验证和查阅有关资料，将桥壳材料调整为SQK460，进行压制，A车型的桥壳开裂降低至1%，且效果理想，B车型的桥壳开裂率也降低。

5　结　语

综上所述，轻量化是汽车节能减排的有效技术手段，而轻量化的驱动桥壳不仅能够减轻整车质量，提高汽车的操控性及稳定性，而且还能够减少整车材料的使用以及自身的能耗，具有良好的经济性和环保性。本文介绍了某汽车驱动桥壳的轻量化设计，对类似汽车驱动桥壳轻量化设计具有一定的参考价值。