本文介紹了應用UG/NX軟件對汽車驅動橋殼進行參數化設計的方法，并對某輕型貨車建立了其驅動橋殼的動力學模型。在考察其變形、強度和剛度的基礎上，對影響橋殼強度和剛度的因素進行了設計研究，并進行了產品結構優化設計。和傳統的設計方法相比，這種方法提高了精度和效率。

　　1.前言

　　車輛驅動橋殼的功用是支承并保護主減速器、差速器和半軸等，使左右驅動車輪的軸向相對位置固定;同從動橋一起支承車架及其上的各總成重量;汽車行駛時，承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩，并經懸架傳給車架。

　　驅動橋殼應有足夠的強度和剛度，質量小，并便于主減速器的拆裝和調整。由于橋殼的尺寸和質量比較大，制造較困難，故其結構型式在滿足使用要求的前提下，要盡可能便于制造。

　　驅動橋殼可分為整體式橋殼和分段式橋殼兩類。整體式橋殼具有較大的強度和剛度，且便于主減速器的裝配、調整和維修，因此普遍應用于各類汽車上。

　　目前，車輛驅動橋殼的設計大多還是圖解法，這種設計計算量大且很復雜，精度不高。應用計算機的可視化技術和參數化造型和建模能力，在車輛的設計階段進行三維實體建模，并利用有限元分析方法進行滿載荷靜力學分析，2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強度和剛度計算，并進行模態分析和參數化結構優化。從而提高車輛驅動橋殼結構的設計水平，減少實際試驗研究費用和時間，提高設計效率。

　　2.UG軟件簡介及其結構分析方法

　　Unigraphics(UG) CAD/CAM/CAE系統提供了一個基于過程的產品設計環境，使產品開發從設計到加工真正實現了數據的無縫集成，從而優化了企業的產品設計與制造。而且，在設計過程中可進行有限元分析、機構運動分析、動力學分析和仿真模擬，提高設計的可靠性。

　　通過在實踐中運用UG軟件，作者總結了一套結構分析方法和分析步驟：

　　(1)參數化建模：包括建立構件的實體模型，建立設計變量，并施加約束和載荷等;

　　(2)滿載荷靜力學分析：確定8mm橋殼每米輪距變形量和最大許可應力值;

　　(3)結構模態分析：確定不同設計變量下的結構固有頻率及振型，并與試驗值比較;

　　(4)參數化優化設計：在指定優化目標、定義約束和定義變量之后，計算出最優結果。

　　3.有限元分析模型的建立

　　對產品進行參數化建模，可以用參數建立起零件內各特征之間的相互關系。同時，通過設計時設定的關聯參數，實現相關部件的關聯改變，可以有效地減少設計改變的時間及成本，并維護設計的完整性。設計軟件采用UG/NX，基于自頂向下(Top-Down)原則對產品進行設計，根據關鍵參數和UG/WAVE技術建立起零部件之間的幾何和位置的相關性。

　　建立好的參數化模型如下：

　　圖1 參數化模型

　　由于部件三維模型中的細節將影響整個結構的網格分布，增加網格的數量，使模型過于復雜。因此，對三維模型去掉那些對分析影響不大的特征(如倒角、圓角等)和一些小孔。

　　采用UG/Scenario for structure進行網格劃分，劃分網格時選用四面體10節點單元(四面體10節點單元具有較高的剛度及計算精度)，全局單元尺寸大小為18.3，進行網格自動劃分，建立起橋殼有限元網格模型，共有63218個節點，32293個單元。

　　圖2 有限元模型

　　4.橋殼結構有限元分析

　　4.1 有限元分析方案

　　后橋是汽車中的重要部件，它承受著來自路面和懸架之間的一切力和力矩，是汽車中工作條件最惡劣的總成之一，如果設計不當會造成嚴重的后果。為保證后橋設計的可行性和工作的可靠性，在設計過程中必須對其應力分布、變形等進行計算和校核。

　　進行分析、評估和校核的項目如下：

　　(1)后橋殼垂直彎曲強度和剛度計算

　　(2)后橋總成模態分析，計算后橋殼總成的固有頻率及振型

　　橋殼的相關數據：驅動橋滿載后軸重為5.5T，簧距880mm，輪距1586mm，板簧座上表面面積7079mm2，面載荷為材料09SiVL-8的彈性模量為 5Mpa，泊松比為0.3，材料密度為7850kg/m ，根據國內外經驗，垂向載荷均取為橋殼滿載負荷的2.5倍即為9.5MPa。材料許可應力[σ]s=510~610 MPa。

　　試驗數據： 滿載荷最大位移1.5mm。

　　4.2 結構靜力學分析

　　計算橋殼的垂直彎曲剛度和強度的方法是將后橋兩端固定，在彈簧座處施加載荷，將橋殼兩端6個自由度全部約束，在彈簧座處施加規定的載荷。當承受滿載軸荷時，根據國家標準，橋殼最大變形量不超過1.5mm/m，承受2.5倍滿載軸荷時，橋殼不能出現斷裂和塑性變形。

　　根據建立的有限元分析模型，通過PE solve解算器，計算了部件在2.5倍滿載荷條件下的位移和應力。

　　圖3 2.5倍滿載荷條件下的位移

　　圖4 2.5倍滿載荷條件下的應力

　　其結果如下：最大位移為1.561mm，最大應力出現在半軸套管約束處，為659.9Mpa，每米輪距的變形量為1.561mm/1.586m=0.98mm/m，小于規定的1.5mm/m，符合國家相關規定。

　　從圖4可以看出，在橋殼方形截面與牙包過渡的地方，其應力為280MPa左右，遠小于其許用應力[σ]s。

　　綜上分析，8mm厚度的橋殼本體是完全符合橋殼結構強度要求的。

　　4.3 結構模態分析

　　改變橋殼本體厚度做模態分析，結果如表1所示。

　　表1 不同厚度、模態橋殼的頻率

　　從上表可以看出，在厚度降低時，橋殼的固有頻率是在不斷地增加的，說明降低橋殼的厚度可以提高其低階固有頻率，從而提高橋殼剛度。

　　與試驗結果(一階頻率149Hz)比較，其一階頻率接近試驗結果，橋殼本體厚度為8mm的驅動橋殼的一階頻率與試驗絕對誤差為：

　　(149-132.2)/149×100%=11.2%

　　小于經驗值20%，說明模型的可靠性是有保證的。

　　5.橋殼優化設計

　　以重量最小化為定義目標，定義約束為許可應力。把橋殼的厚度定為設計變量，其最大值定為8mm，最小值定為6mm。表2為經過20次迭代后的結果[4，5]。

　　圖5 迭代質量變化曲線

　　圖6 迭代橋殼厚度變化曲線

　　由表2和圖6可以看出經過3次迭代，得到一個最優點，在7mm時橋殼的質量時50.72kg，質量比原來減輕了4.2kg。在同時滿足強度和剛度要求的情況下，從而實現了輕量化驅動橋殼的生產。

　　表2優化分析結果

　　6.結論

　　利用UG軟件建立了驅動橋殼的3D參數化模型，并利用有限元分析方法進行了2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強度和剛度計算;并進行了模態分析和參數化結構優化。計算結果表明，該型驅動橋殼具有足夠的強度和剛度，這為該型驅動橋殼的輕量化設計提供了部分依據，有很大的實踐指導意義。

　　經過優化分析，使橋殼本體的厚度由8mm降至7mm，質量減少了4.2kg。

　　經查閱相關資料，改變牙包與方形截面過渡處的半徑也是一種有效的優化方案。

　　實踐表明，使用CAD/CAE方法設計驅動橋殼，具有耗時少，效率高，耗資少，變型方便，計算結果全面詳盡，勞動強度低等傳統設計方法不具備的優點。可以預見，如果CAD/CAE方法在我國的汽車工業企業中得到推廣，則必將對我國的汽車工業產生劃時代的影響。