試論汽車驅(qū)動橋焊接強(qiáng)度耐久性分析中熱點(diǎn)應(yīng)力法的應(yīng)用

劉圣仲

摘 要：汽車驅(qū)動橋殼是汽車差速器、半軸與主減速器的基礎(chǔ)零件，也是汽車傳動系統(tǒng)的一個(gè)重要組成。基于汽車在行駛過程中的受力比較復(fù)雜，因而對汽車驅(qū)動橋殼的性能和質(zhì)量有著較高的要求。為了能夠提升汽車驅(qū)動橋殼性能，文章以熱點(diǎn)應(yīng)力法為研究對象，結(jié)合臺架試驗(yàn)，就如何借助熱點(diǎn)應(yīng)力法提升汽車驅(qū)動橋焊接強(qiáng)度耐久性進(jìn)行策略分析。

關(guān)鍵詞：汽車驅(qū)動橋殼;焊接強(qiáng)度;耐久性;臺架試驗(yàn);熱點(diǎn)應(yīng)力法;應(yīng)用

汽車驅(qū)動橋殼是由多個(gè)薄板材料在經(jīng)過沖壓、焊接加工所形成的一種整體性封閉結(jié)構(gòu)，具備強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。驅(qū)動橋焊接橋殼的焊接部位包含軸頭、法蘭、后蓋、前后強(qiáng)化環(huán)、推力桿支架等。焊接局部包含過渡區(qū)域、結(jié)構(gòu)本體、焊接核等。汽車驅(qū)動橋殼的整個(gè)焊接操作深受焊接工藝、幾何變形、承載方式、焊接殘余應(yīng)力等綜合因素的影響，往往很難通過CAE的方式來對焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度耐久性進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果會出現(xiàn)不穩(wěn)定、不精準(zhǔn)的問題。為此，近幾年國內(nèi)外開始積極對汽車驅(qū)動橋殼焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的耐久性開展模擬分析評價(jià)，而熱點(diǎn)應(yīng)力法就是在CAE技術(shù)上發(fā)展起來的一種升級版汽車驅(qū)動橋殼焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耐久性檢驗(yàn)方式。文章現(xiàn)就熱點(diǎn)應(yīng)力法在汽車驅(qū)動橋焊接強(qiáng)度耐久性分析中的應(yīng)用問題進(jìn)行分析，同時(shí)通過臺架試驗(yàn)來證明熱點(diǎn)應(yīng)力法在提升汽車驅(qū)動橋焊接強(qiáng)度的應(yīng)用作用，以供相關(guān)人員的工作提供重要參考支持。

1 汽車驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)和功能分析

1.1 驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)

從實(shí)際應(yīng)用上來看，驅(qū)動橋殼主要分為分段式橋殼與整體式橋殼兩種結(jié)構(gòu)。分段式橋殼一般由兩個(gè)半軸套管、凸緣盤和主要減速器殼殼蓋共同組成，在螺栓的作用下來將這些零部件組合在一起。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，分段式橋殼一般具備加工簡單、制造簡單、維修不便等特點(diǎn)。而整體式橋殼和分段式橋殼相比則是具備更多種形式，例如，半軸套管壓配、鋼板沖壓焊接、整體鑄造還有中段鑄造等，和分段式橋殼相比具有操作復(fù)雜的特點(diǎn)。

1.2 汽車驅(qū)動橋殼的功能

汽車驅(qū)動橋殼行駛系統(tǒng)的重要組成部分。汽車驅(qū)動橋殼與差速器、主減速器還有半軸驅(qū)動橋在整個(gè)汽車的動力部分存在密切的關(guān)聯(lián)，都處于傳動系統(tǒng)的末端，總體作用是增大變速器和傳動軸的轉(zhuǎn)矩。汽車驅(qū)動橋殼被叫做后橋殼，驅(qū)動橋能夠承載汽車的主要荷載重量。而為了能夠更好地承載這種重量需要在汽車驅(qū)動橋殼上安裝并保護(hù)主減速器、半軸和差速器。

2 熱點(diǎn)應(yīng)力

熱點(diǎn)應(yīng)力主要是指最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力或者幾何應(yīng)力，總體上是結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力體現(xiàn)。熱點(diǎn)應(yīng)力作為整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的重要評定參考數(shù)值，在考察的時(shí)候減少了焊接縫隙本身產(chǎn)生的局部應(yīng)力效應(yīng)，能夠考察因?yàn)楹附咏蛹宇^、形狀代銷變化所引起的應(yīng)力集中效應(yīng)。

3 汽車驅(qū)動橋焊接強(qiáng)度耐久性分析

3.1 焊接熱電應(yīng)力外推點(diǎn)的確定

按照線性插制度外推及和固定點(diǎn)方法計(jì)算求出焊趾位置上的應(yīng)力數(shù)值。焊趾熱力點(diǎn)分析類型如圖一所示。在a、c型焊趾外端比較寬的時(shí)候，外推點(diǎn)取距離焊趾0.4t（焊接厚度單位）和1t的位置上。在a、c型焊趾外端比較狹窄的時(shí)候外推點(diǎn)取距離焊趾0.5t的位置上。在B焊趾外端比較寬的時(shí)候，外推點(diǎn)取距離焊趾4mm、8mm和12mm的位置。在b焊趾外端比較狹窄的時(shí)候，外推點(diǎn)取距離焊趾5mm的位置點(diǎn)。

3.2 焊接結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的綜合分析評價(jià)

焊接結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度一般表現(xiàn)在焊接結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下和準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)下的脆斷破壞現(xiàn)象。在計(jì)算的時(shí)候可以根據(jù)以下三種方式來確定焊接靜強(qiáng)度極限和允許應(yīng)用的力量。根據(jù)母材料許可應(yīng)用應(yīng)力來確定焊接許可應(yīng)用應(yīng)力，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料、焊接強(qiáng)度的基本配比來確定強(qiáng)度數(shù)值。

3.3 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的綜合評價(jià)

在經(jīng)過學(xué)者們的研究分析證明，在使用精準(zhǔn)有限元分析和外推法的基礎(chǔ)上能夠確定熱點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值?？梢允褂么婊盥蕿?7.7%的FAT90來作為一條通用的熱點(diǎn)應(yīng)力曲線數(shù)值。FAT90熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線相關(guān)參數(shù)情況如表1所示。

4 熱點(diǎn)應(yīng)力法在不同結(jié)構(gòu)汽車驅(qū)動橋焊接強(qiáng)度耐久性分析中的模擬分析

在標(biāo)準(zhǔn)件模擬比較的基礎(chǔ)上對兩種結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動橋焊接橋殼焊接部位進(jìn)行臺架工況下應(yīng)力和強(qiáng)度耐久性試驗(yàn)分析，并將試驗(yàn)分析測試結(jié)果和CAE的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比較。整車路譜測量點(diǎn)包含發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度、車輛行駛速度、檔位信息、制動踏板狀態(tài)、轉(zhuǎn)向盤角度、四輪懸架形成、前后副車架加速度等。結(jié)合強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果在車身、前后副車架的應(yīng)力集中點(diǎn)在上增加應(yīng)變測點(diǎn)。

4.1 橋殼1焊接部位臺架試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對比分析

橋殼1焊接部位臺架試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對比分析結(jié)果如表2所示。根據(jù)表二的數(shù)據(jù)信息可以發(fā)現(xiàn)焊縫各個(gè)測試點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力數(shù)值和測試的應(yīng)力趨勢基本保持在一致的狀態(tài)，模擬的精準(zhǔn)數(shù)值達(dá)到了七成以上，最終充分證明了橋殼1焊接部位臺架試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果應(yīng)力數(shù)值對比的可靠性。

4.2 橋殼2焊接部位臺架試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對比分析

橋殼2焊接部位臺架試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對比分析如表三所示，根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)A5和B5的試驗(yàn)測量數(shù)值差距較大，但是從總體上來看，表2和表3橋殼焊接部位臺架試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的最大誤差為25.6%，模擬精準(zhǔn)度達(dá)到了七成以上，符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

綜上所述，汽車車橋制造的主要工藝手段就是焊接，對于不同的產(chǎn)品類型設(shè)計(jì)出合理的汽車后橋殼焊接工藝并且設(shè)計(jì)出不同的設(shè)計(jì)自動焊功能是汽車車橋制造的一個(gè)發(fā)展方向。利用熱點(diǎn)應(yīng)力方法對汽車驅(qū)動橋橋殼焊接強(qiáng)度耐久性模擬分析的方法對焊接部位關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力的模擬有效性達(dá)到了70%，同時(shí)焊結(jié)部位的耐久性模擬數(shù)值以及壽命均值均和試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值相匹配。為此，文章認(rèn)為對于復(fù)雜汽車驅(qū)動橋殼焊接接頭強(qiáng)度耐久性分析評價(jià)具有廣泛的社會適用性，能夠解決驅(qū)動橋焊接結(jié)構(gòu)焊接部位強(qiáng)度耐久性模擬數(shù)值問題，通過這類的試驗(yàn)分析操作能夠有效提升汽車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的耐久性模擬分析能力，對產(chǎn)品開發(fā)和研究具備重要的實(shí)踐參考價(jià)值。

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