汽車前驅(qū)動橋安裝托架的結(jié)構(gòu)選型及有限元分析

陸元三，劉紅燕，劉登發(fā)

（1.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽風(fēng)順車橋有限公司，湖南 衡陽 421001）

前橋總成減速器殼兩側(cè)面安裝的左、右安裝托架通過左、右安裝托架上端的托架套分別用螺栓與車架上的左右安裝支架連接，這種結(jié)構(gòu)形式相當(dāng)于將前橋總成固定到車架上的相應(yīng)位置，減速器左側(cè)通過內(nèi)軸與一側(cè)車輪連接；右側(cè)由一根等速驅(qū)動軸與該側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)帶制動器總成內(nèi)花鍵連接驅(qū)動。這種前橋總成的結(jié)構(gòu)形式，相當(dāng)于前橋總成是做成了斷開式的車橋，當(dāng)一側(cè)車輪因道路不平產(chǎn)生跳動時，另一側(cè)的車輪由于等速驅(qū)動軸上的球關(guān)節(jié)的作用而不受路面不平跳動的影響，或者受到的影響很少，兩側(cè)車輪因為道路不平而產(chǎn)生的跳動互不影響，前橋總成的結(jié)構(gòu)屬于獨立懸架結(jié)構(gòu)形式。因此，左右安裝托架屬于汽車懸架中的零件之一。安裝托架在實現(xiàn)車橋總成與車架的連接中，既起到將輪胎通過車橋驅(qū)動軸傳遞到安裝托架板，托架套內(nèi)的橡膠套再到托架安裝支座，最后傳到車架上去的作用，同時車架通過橡膠套與前橋總成左右安裝托架板彈性聯(lián)接，將車輪承受的力通過車橋軸管、安裝托架傳遞到車架上去，并且緩沖路面不平傳遞給前橋總成、安裝托架的沖擊力，衰減力傳遞過程中產(chǎn)生的震動，以保證汽車行駛的平順性，滿足汽車的多方面性能要求。主要是滿足汽車乘座的舒適性和操縱的穩(wěn)定性要求。安裝托架與前橋總成左右側(cè)的連接部分相當(dāng)于剛性桿連接，安裝托架要板的中間部分相當(dāng)于減震器的作用，托架套內(nèi)的橡膠套相當(dāng)于彈簧的作用，起著吸收路面不平造成的振動能量，另一方面也吸收車身晃動而產(chǎn)生的振動傳遞到車橋上去的隔離作用。托架套內(nèi)的橡膠套及安裝托架板的剛性決定著汽車行駛的剛性。就汽車乘座的舒適性看，橡膠套及安裝托架板設(shè)計得越軟越好；但是安裝托架板及橡膠套設(shè)計得越軟的話，汽車的承載量將會下降，且汽車在剎車后會“點頭”，加速時會產(chǎn)生“抬頭”現(xiàn)象，以及左右側(cè)傾斜嚴重等不良現(xiàn)象，同時也會對汽車的轉(zhuǎn)向和操縱穩(wěn)定性造成影響。因此科學(xué)合理地設(shè)計出適合不同結(jié)構(gòu)和不同狀況要求的安裝托架總成是一項非常重要的工作。

1 鑄造安裝托架

圖1 鑄鐵安裝托架

其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，它由底座1，連接板2和加強筋3三部分組成。底座1的中央位置開有一個大孔，能與車橋減速器一側(cè)的法蘭止口定位，底座1的四周設(shè)置有3或4個通孔，這些通孔用螺栓與減速器殼側(cè)面的螺紋孔連接；底座1中央大孔周邊設(shè)置了能提升底座1強度的加強筋，以提高底座1的強度，增加懸架的承載力。連接板2與底座1采用大圓角過渡以減少鑄造應(yīng)力，且連接板2與底座1的平面因為位置限制不能設(shè)計成直角，而是呈一銳角連接；此外連接板1與底座2連接過渡處一側(cè)兩邊增設(shè)2根加強筋，以提高安裝托架的強度。連接板2的上端部位設(shè)置了橡膠套安裝孔，膠套安裝孔的加工精度根據(jù)橡膠套的精度確定，其精度等級通常為6～7級，以滿足橡膠套的壓入力和拔出力的要求。鑄鐵件的材料可選用HT250或QT450-10；QT400-15等材料，選用濕砂造型或覆膜砂造型，澆注溫度在1380℃～1350℃范圍，采用單澆口澆注，單補縮口補縮；也可采用澆冒口合一的澆注方案，減少材料和能量損失，提高澆注效率和產(chǎn)品質(zhì)量。常見缺陷：底座1與連接板2的過渡處易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷；其解決辦法是將澆口和冒口合并，并將澆口設(shè)置在圓弧過渡處一側(cè)面上，鑄件的合格率上升到98%以上。

2 沖壓焊接托架

鋼板沖壓、焊接形式的汽車安裝托架總成根據(jù)托架板結(jié)構(gòu)形式的不同可分為彎曲型安裝托架總成和直線型安裝托架總成。而彎曲型安裝托架總成在不同車型及不同受力狀況下，又通常設(shè)計成帶加強板的加強型安裝托架總成或截面呈封閉型的安裝托架總成。為更準確地設(shè)計安裝托架結(jié)構(gòu)，在此運用有限元分析軟件對彎曲型和直線型安裝托架進行強度分析，以便選擇最佳的結(jié)構(gòu)供汽車行業(yè)的設(shè)計者參考。

2.1 彎曲型安裝托架總成

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成

其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，它由安裝托架板、托架套和橡膠套三部分組成。安裝托架板由第一曲面1、第二曲面2、第三曲面3、第四曲面4構(gòu)成；第一曲面1位于右安裝托架總成的最右邊，在第一曲面1的左邊設(shè)有第二曲面2，在第一曲面1的上方設(shè)有第三曲面3，在第三曲面3的左邊設(shè)有第四曲面4；在第一曲面1的平面上設(shè)有一個大孔5和四個小孔6，在第二曲面2的最左邊設(shè)有大圓弧7，大圓弧7的旁邊設(shè)有導(dǎo)管8，導(dǎo)管8的中央安裝有橡膠套總成9，橡膠套總成9與導(dǎo)管8中心成20度角。并且第一曲面和第二曲面之間通過圓滑過渡，第一曲面和第三曲面之間設(shè)有小圓弧，第三曲面和第四曲面之間設(shè)有斜面。

圖2 彎曲型安裝托架

2.1.2 生產(chǎn)工藝分析

汽車前橋安裝托架總成中的安裝托架板通常由5～10毫米厚的高強度鋼板沖壓而成，高強度板可選用SAPH440或SAPH490鋼板，這種冷軋鋼板強度高，表面光滑，耐腐蝕性能好，沖裁加工阻力小；但因其屈服強度高，在成形后翻邊處回彈量大，需要增加整形工序或者在成形之前增加預(yù)成形工序。其材料化學(xué)成分及物理性能如表1、2、3所示。

其加工工藝流程為：下料→沖孔落料→成型→組焊→沖大孔→表面處理→壓裝橡膠套→標(biāo)記。

表1 SAPH440化學(xué)成分及物理性能

表2 SAPH490化學(xué)成分及物理性能

表3 導(dǎo)管8的化學(xué)成分及物理性能

2.2 直線型安裝托架總成

其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，它與彎曲型的安裝托架總成類似，也是由安裝托架板、托架套和橡膠套三部分組成。區(qū)別在于安裝托架板是平板型結(jié)構(gòu)，平板的一側(cè)邊上是翻邊結(jié)構(gòu)，以增加平板的剛度和強度。

圖3 直線型安裝托架

3 CAE仿真分析比較

3.1 CAE分析的條件

邊界條件：①材料：SAPH440/t6.0+SAPH590/t2.9；②密度：7.85g/cm3；③彈性模量（E/GPa）：200～210；④泊松比（ν）：0.25～0.33；⑤抗拉強度（σb/MPa）：≥440MPa；⑥屈服強度：≥305MPa；⑦伸長率 δ（%）：≥34（SAPH590材料屈服強度為420MPa，該處以低值的SAPH440屈服強度來計算）

3.2 CAE分析對比

如圖4所示，彎曲型托架的加載情況及結(jié)論為：①質(zhì)心處施加前橋扭矩為755N·m，方向垂直前橋法蘭，同時施加三倍重力場，前橋質(zhì)心位置質(zhì)量45kg；②承受的最大應(yīng)力：117.5MPa；③安全系數(shù)：2.6。

圖4 彎曲型托架CAE分析圖

如圖5所示，直線型托架加載情況及結(jié)論：①質(zhì)心處施加前橋扭矩為755N·m、3095.5N·m，方向分別垂直前橋法蘭、輪端，同時施加三倍重力場，前橋質(zhì)心位置質(zhì)量45kg；②承受的最大應(yīng)力：268.1MPa；③安全系數(shù)：1.14。

3.3 CAE分析結(jié)果

圖5 直線型托架CAE分析圖

在相同載荷下，直線型安裝托架產(chǎn)生的應(yīng)力大，安全系數(shù)低；彎曲型安裝托架產(chǎn)生的應(yīng)力小，安全系數(shù)大。因此，優(yōu)先選用彎曲型的安裝托架作為汽車安裝托架的結(jié)構(gòu)形式。

4 彎曲型安裝托架的兩種變形結(jié)構(gòu)

4.1 加強型安裝托架總成

如圖6所示，在安裝托架板11的大端內(nèi)側(cè)或外側(cè)面增加了加強板2，加強板2的形狀與安裝托架板11的形狀相同，其邊緣比11的邊緣小5～6毫米，加強板2通過周邊焊接與安裝托架板11連接；在安裝托架板11上增加了加強板2，有效解決了右安裝托架板11上的小孔周邊的開裂問題或斷裂問題，增強了安裝托架板11的強度和韌性，延長了其使用壽命。它具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越，成本低，使用方便，確保整車行駛的安全性。

圖6 加強型安裝托架

4.2 小端帶有“L”型加強板的安裝托架總成

在安裝托架板的小端增加帶有“L”型加強板1，如圖7所示。“L”型加強板1與安裝托架板2通過焊接方式連接，焊接組合件的截面成長方形或正方形，這種組合結(jié)構(gòu)簡單，剛性大，強度高，重量輕，有利于提高安裝托架的剛度、強度。

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析，安裝托架的選型應(yīng)從以下幾方面考慮：

圖7 帶有“L”型加強板的安裝托架

（1）鑄造件安裝托架具有強度較低，鑄造過程中容易出現(xiàn)潛在的氣孔、裂紋等缺陷，比較適合轎車以及在平坦的路面上行駛的小型汽車上使用，且適于批量生產(chǎn)的情況下選用；

（2）沖壓焊接成型的彎曲型安裝托架的減震性能好、安全系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品合格率高，比較適合于輕型越野汽車、SUV以及皮卡車上使用；

（3）沖壓焊接成型的直線型安裝托架減震性能相對較差，安全系數(shù)較彎曲型安裝托架低，具有制造容易、制造成本更低，比較適合于有安裝空間的SUV及皮卡車上使用；

（4）加強型汽車前橋右安裝托架總成是在安裝托架板的大端一側(cè)或兩側(cè)增加了加強板，其強度較彎曲型安裝托架高，適用于在鄉(xiāng)村公路以及高原地區(qū)使用的越野汽車上使用；

（5）小端帶有“L”型加強板的彎曲型安裝托架總成，增加了安裝托架小端的強度，其剛性較好，抗沖擊能力強，承載能力大，比較適用于電動皮卡車或者是混合動力SUV車上使用；

（6）通過CAE仿真分析，其結(jié)果與實際生產(chǎn)基本一致，大大節(jié)省了試驗次數(shù)，降低了開發(fā)費用，縮短了試驗時間，提高了研發(fā)效率，為汽車懸架的設(shè)計者提供了參考數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。