目前輕型和中型商用車采用的電驅(qū)橋的主流方案有三種：第一種，電驅(qū)橋采用中央集成平行軸電驅(qū)橋，雖然簧下質(zhì)量重，舒適性沒有優(yōu)勢，但是，橋殼和輪邊及制動(dòng)部分直接借用燃油車橋成熟結(jié)構(gòu)，可靠性好，更重要的是，承載及超載能力強(qiáng);第二種，獨(dú)立懸掛半軸式電驅(qū)橋，由乘用車成熟的半軸式電驅(qū)橋技術(shù)，配合偏心支撐梁，應(yīng)用于商用車，雖然產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)成熟，行駛舒適性好，但是，成本偏高，承載能力較低;第三種，同軸電驅(qū)橋，雖然其結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積小重量輕，但是其行星結(jié)構(gòu)成本較高，用螺栓連接的三 段式橋殼承載能力有限。出于安全、超載、成本等方面考慮，輕中型商用車采用中央集成平行軸電驅(qū)橋居多。通過對電驅(qū)橋減速器殼體失效分析、強(qiáng)度仿真分析、明確殼體斷裂原因，掌握殼體在產(chǎn)品運(yùn)行過程中的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，對殼體進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。
一、電驅(qū)橋減速器殼體失效分析
通過對電驅(qū)橋減速器殼體進(jìn)行系統(tǒng)的失效分析，了解失效機(jī)理，對殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。首先，通過外觀檢查殼體斷口宏觀特征(見圖 1)，毛坯呈現(xiàn)淺灰色，斷裂位于差速器軸承安裝孔位置，開裂方向與減速器安裝狀態(tài)的豎直方向成 45°左右，且上下的開裂位置都與軸承的飛濺潤滑引流槽連接。根據(jù)裂紋的張開寬度，以及圖 1 反面位置，裂紋下方的二次裂紋。猜測斷裂源在上下兩個(gè)飛濺潤滑引流槽位置，向兩邊延伸(見圖 2)。軸承孔表面有明顯的擠壓痕跡，未見有腐蝕和裂紋形貌，推測軸承外圈發(fā)生了蠕動(dòng)。
對殼體開裂位置進(jìn)行掃描電子顯微鏡(Scan-ning Electron Microscope, SEM)分析(見圖 3)，發(fā)現(xiàn)斷裂均起始于差速器軸承安裝孔側(cè)，起始部位未見鑄造缺陷，斷面微觀形貌為準(zhǔn)解理-少量韌窩，為典型的過載斷裂特征;對斷口周圍部位取樣進(jìn)行金相檢測，殼體顯微組織為 α(Al)+(α+ Si)共晶，共晶硅呈條塊狀，未見晶界加粗、三角晶界和復(fù)熔球等過燒組織特征，判斷顯微組織正常。對殼體進(jìn)行化學(xué)成分檢測結(jié)果論明，符合《鋁合金壓鑄件》(JIS-H5302-2006)標(biāo)準(zhǔn)對材料 ADC12 要求;該標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能要求，硬度≥74.1 HB;屈服強(qiáng)度≥154 MPa，抗拉強(qiáng)度≥228 MPa。在斷裂部位附近取樣進(jìn)行宏觀硬度檢測為 92.8 HB，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除材料及制造問題導(dǎo)致殼體開裂的因素。
通過宏觀及微觀分析結(jié)果，初步判斷殼體差速器安裝孔處兩個(gè)引流槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圓角較小，導(dǎo)致應(yīng)力集中，在遇到啟停或加減速等沖擊時(shí)，導(dǎo)致過載斷裂。
二、電驅(qū)橋減速器殼體強(qiáng)度仿真
通過殼體的仿真強(qiáng)度分析，了解殼體的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。結(jié)合失效殼體的斷口分析，找準(zhǔn)減速器殼體開裂的失效原因，有針對性的對殼體進(jìn)行優(yōu)化，確保快速解決失效問題。
模擬產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)，對減速器與電機(jī)安裝孔進(jìn)行剛性約束，減速器與橋殼通過螺栓連接，對橋殼兩端進(jìn)行剛性連接，在最惡劣的高扭工況下對殼體強(qiáng)度進(jìn)行分析。根據(jù)《純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件》(QC/T 1022-2015)標(biāo)準(zhǔn)要求，最大扭矩 420 Nm，最大功率 140 kW 帶入 MASTA，提取軸向力，通過ABAQUS軟件對殼體強(qiáng)度進(jìn)行分析。結(jié)果如圖 4、圖 5 所示，強(qiáng)度仿真結(jié)果顯示，減速器殼體插入橋殼部分變形較大，與橋殼連接螺栓的遠(yuǎn)端變形最大，后殼體對應(yīng)的遠(yuǎn)端位置達(dá)到 0.733 5 mm。變形趨勢是其在整車安裝狀態(tài)下，向下移動(dòng)，由于殼體由一圈螺栓連接到橋殼上，無法帶動(dòng)變形，所以圖 4 中 A 指向位置相對應(yīng)力較大，達(dá)到 190 MPa 以上，應(yīng)變趨勢與扭矩傳導(dǎo)方向一致。后殼體上安裝差速器軸承的卸油槽位置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圓角較小。在應(yīng)變過程中應(yīng)力無法釋放，存在應(yīng)力集中情況達(dá)到 197.6 MPa，大于屈服強(qiáng)度 154 MPa。同時(shí)，殼體變形大，會降低齒輪的傳動(dòng)精度，進(jìn)而又加大了齒軸系統(tǒng)對殼體的沖擊，殼體變形相應(yīng)增大，形成一個(gè)正反饋。
進(jìn)一步分析，電驅(qū)橋減速器與橋殼連接端面設(shè)計(jì)止口插入橋殼對應(yīng)孔中進(jìn)行精確定位，同時(shí)有限位作用。但是，連接端面對應(yīng)的遠(yuǎn)端沒有限位，相當(dāng)于一個(gè)懸臂。在電驅(qū)橋運(yùn)行過程中，容易變形，導(dǎo)致應(yīng)力釋放不良的位置應(yīng)力過大，與斷口分析中斷裂源位置及斷裂機(jī)理相符合。對比后殼體與前殼體的變形情況如圖 5 所示，殼體插入橋殼連接螺栓的遠(yuǎn)端，變形差別較大。對應(yīng)位置的應(yīng)力情況也有較大差異。從兩個(gè)方面分析，其一，主減齒輪插入橋殼的安裝位置不在中心，往后殼體端偏了 78 mm，導(dǎo)致后殼體安裝差速器軸承的結(jié)構(gòu)較薄弱，剛度較差;其二，電機(jī)正轉(zhuǎn)結(jié)合齒輪旋向，該工況下，差速器結(jié)構(gòu)對應(yīng)軸向力偏向后殼體。所以，后殼體表象出來應(yīng)力應(yīng)變較大。同時(shí)對比電機(jī)反轉(zhuǎn)輸入扭矩 420 Nm 工況下，殼體強(qiáng)度分析結(jié)果如圖 6 所示，前殼體應(yīng)力應(yīng)變增大，后殼體應(yīng)力應(yīng)變有所降低，符合分析預(yù)期。
三、電驅(qū)橋減速器殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
根據(jù)殼體失效分析及殼體的強(qiáng)度分析結(jié)果，提取殼體失效的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，殼體差速器軸承安裝位置為懸臂結(jié)構(gòu);由于主減齒輪偏向后殼體，導(dǎo)致后殼體的差速器軸承安裝處軸向空間有限，類似一個(gè)薄板，剛度不夠，在電驅(qū)橋運(yùn)行時(shí)，其承受差速器軸承的載荷后，變形較大;殼體差速器軸承安裝位置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尤其提供軸承飛濺潤滑的導(dǎo)油槽，該位置突變多、圓角小，容易造成應(yīng)力集中。結(jié)合上述三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對殼體進(jìn)行優(yōu)化。
如圖 7 所示，對殼體壁進(jìn)行折疊，同時(shí)在豎直方向設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，提高殼體壁剛度，減少應(yīng)力應(yīng)變;優(yōu)化差速器軸承飛濺潤滑方式，去除導(dǎo)油槽，一方面保留完整的軸承孔凸臺，提供軸承安裝孔位置的動(dòng)剛度，另一方面簡化該位置的殼體結(jié)構(gòu)，使用大圓角過渡，避免在承受大載荷時(shí)，殼體差速器安裝孔區(qū)域應(yīng)力釋放不良，導(dǎo)致應(yīng)力過大產(chǎn)生過載或疲勞斷裂。從安裝差速器殼體腔的外側(cè)上方設(shè)計(jì)集油槽，再通過機(jī)加孔的方式，把集油槽與差速器軸承安裝孔底部連通，引流潤滑油對軸承進(jìn)行潤滑。更重要的是，消除懸臂結(jié)構(gòu)，在殼體插入橋殼，與橋殼連接端面的遠(yuǎn)端設(shè)計(jì)止口限位。電驅(qū)橋減速器殼體插入橋殼，入口端有止口配合，螺栓連接。遠(yuǎn)端殼體與橋殼止口配合。避免電驅(qū)橋運(yùn)行過程中，產(chǎn)生大的變形。齒軸傳統(tǒng)精準(zhǔn)，避免對殼體產(chǎn)生異常沖擊。在殼體兩止口區(qū)域簡化殼體結(jié)構(gòu)，加大過渡圓角，避免應(yīng)力集中。用 Croe 軟件對總成做間隙檢查，確保不存在干涉情況，同時(shí)重量增加 222 g，處于可接收范圍內(nèi)。
四、電驅(qū)橋減速器殼體 DVP 驗(yàn)證
在相同的輸入扭矩 420 Nm 下，考慮電機(jī)正/ 反轉(zhuǎn)兩種情況，約束方式保持一致，增加插入橋殼減速器殼體遠(yuǎn)端與橋殼進(jìn)行止口約束。進(jìn)行殼體強(qiáng)度分析，優(yōu)化前后結(jié)果對比如圖 8 所示。通過殼體優(yōu)化前后強(qiáng)度仿真的對比分析，結(jié)果表明，應(yīng)力應(yīng)變大幅降低。最大應(yīng)力低于殼體材料 ADC12 的屈服強(qiáng)度 154 MPa，且最大應(yīng)力位置不在失效斷裂區(qū)域，改善明顯，符合設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后樣件順利通過 QC/T 1022-2015 中的疲勞壽命試驗(yàn)/高速性能試驗(yàn)，整車的道路耐久試驗(yàn)。對相應(yīng)的試驗(yàn)箱進(jìn)行拆解，未發(fā)現(xiàn)過載或疲勞裂紋，殼體無異常，失效區(qū)域形態(tài)正常，符合功能要求。
五、總結(jié)
對殼體進(jìn)行斷口分析了解開裂的機(jī)理，對殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析了解失效原因，通過失效原因與殼體開裂機(jī)理符合性驗(yàn)證，明確失效原因?yàn)闇p速器插入橋殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)為懸臂結(jié)構(gòu);殼體差速器軸承安裝部位剛度不夠;導(dǎo)致應(yīng)變較大，在后殼體導(dǎo)油槽位置應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂。對殼體進(jìn)行優(yōu)化，并順利通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃(Design Verification Plan, DVP)試驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)略.