中后驱动桥总成轻量化分析设计与研究.pdf

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1、 中后驱动桥总成轻量化分析设计与研究中后驱动桥总成轻量化分析设计与研究 摘摘 要要 随着高等级公路、汽车行业的发展，汽车在节能、环保和舒适等方面的 性能将显著提升，这就要求车桥产品的性能进一步提高。为了适应市场、国 家法律、 法规的需要,使得汽车驱动桥在国外的公路型车上已广泛地采用轻量 化的中后桥总成, 轻量化的中后桥总成具有成本低,质量轻,传动效率高,噪 音小,温升低和整车油耗低等优点。 奔驰中后桥总成作为重型卡车上的重要大总成，关键元件，承受着汽车 的满载簧上荷重及地面与车轮之间的铅锤力、纵向力和横向力及其力矩，以 及冲击载荷，驱动桥还传递着传动系中的最大扭矩，桥壳承受反作用力矩， 因路况

2、、超载等原因，中后桥总成存在桥壳裂纹、滑板磨损、断裂、气室支 架断裂等故障，如何有效地减小故障率，降低中后桥总成重量，延长使用寿 命是本文研究的热点。 本文主要针对前期市场中后桥总成故障对桥总成进行轻量化方案设计, 并对奔驰中后桥总成轻量化前、后进行对比和有限元仿真分析，在保持装配 尺寸不变的条件下，通过改变中后桥壳截面厚度，滑板和下推力杆支座镂空 来优化桥壳及下推力杆支座、滑板，得到了动载荷条件下桥壳等件的优化值， 并考虑桥壳总成等零部件尺寸变化对整个桥总成可靠性的影响。 对桥壳及下推力杆支座、滑板、凸缘等件及其所受载荷进行了适当简化， 在有限元软件 ANSYS 中建立了桥壳等件的有限元模型

3、，采用 ANSYS 分析计算 桥壳等件分别按照驱动桥受力状况，其主要典型载荷工况的分布规律、压力 与变形间的关系，为该类中后桥总成的设计与结构优化提供了理论依据，以 提高此类中后桥总成在实际使用中的可靠性与安全性。 对于关键件桥壳总成进行台架试验， 对于轻量化的中后桥总成进行路试， 以得到可靠性数据，来验证理论结果。 关键词：关键词：中后桥总成故障，有限元分析，中后桥轻量化，台架试验，路 试 Rear drive axle lightweight analysis design and research ABSTRACT With the development of high-grade h

4、ighways, automobile industry, cars in areas such as energy saving, environmental protection and comfort performance will be significantly improved, which requires further improve the performance of the product of car axles . In order to meet the needs of market, state laws and regulations, car axles

5、 in foreign countries, light weight rear axle assembly has been widely used on road cars, lightweight rear axles assembly have the advantage such as, low cost, light weight, high transmission efficiency, low noise, low vehicle fuel consumption and low temperature rise. Mercedes-Benz rear axle assemb

6、ly is important big assembly, key components, on the heavy truck. bear with car of full spring load and the plumb force of ground and wheels , and longitudinal force ,horizontal force , torque and shock load, drive axles also passed with the maximum torque in drive department, axles shell bear react

7、ion moments, due to the causes of road condition and overload, The rear axle assembly exists faults such as axles shell crack, skateboard wear, break and gas room bracket break, how to effective ly reduce fault rate, and reduce the rear axle assembly weight, extend service life is the focus of this

8、research. This thesis main for early market in the rear axle Assembly fault on axles assembly for light quantitative program design and on Mercedes-Benz in the rear axle assembly light quantitative after, and before for contrast limited elements simulation analysis, under the conditions of keeping a

9、ssembly size not changed , through change the thickness in the rear axles shell section, skateboard and low thrust rod bearing pierced to optimization axle shell and the low thrust rod bearing, and skateboard, has moving load conditions low axle shell, pieces of optimization value, and consider axle

10、 shell assembly, parts size changes on throughout axle assembly reliability of effects. On axles shell and the low thrust rod bearing, and skateboard, and convex edge, pieces and by load has appropriately simplified, in limited elements software ANSYS established axles shell, pieces of limited eleme

11、nts model, used ANSYS analysis calculation axles shell, pieces respectively according to drive axles by force situation, its main typical load working conditions of distribution law, and the relationship between pressure and deformation , has provided theory for the class in the rear axle assembly o

12、f design and structure optimization, to improve the reliability and security of this class rear axle assembly in actual using . Test has been done for the axle assembly critical components, road test for light weight rear axle assembly to get reliable data, to verify the theoretical results. Key wor

13、ds: rear axle Assembly failure, finite element analysis, lightweight of the rear axle, bench test, road test 致致 谢谢 本设计及学位论文是在王其东老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他 严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激 励着我。在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，特别是牛家忠高 级工程师及姜武华老师，周新华、熊仆主任、邾枝润、娄中良、邓震等同事 正是由于你们的帮助、指点和支持，我才能克服一个一个的困

14、难和疑惑，完 成样件制造、试验验证直至本文的顺利完成。 感谢我的父亲母亲，正是他们的谆谆教诲，他们的厚望和无私奉献使我 能够全身心地投入到学业和科研中，他们的殷殷之情始终是我奋斗的动力! 让我有信心走到今天，感谢我的老公和女儿，他们的无私支持、精神鼓励和 理解，让我有了无穷动力，克服重重阻碍，完成课题。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学 友批评和指正！ 最后，衷心的感谢所有关心、支持和帮助我的老师、同事及朋友。 作者：黄新林 2013 年 12 月 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 . 1 1.1 驱动桥的概述及其发展 1 1.2 中后驱动桥的工作原理 2 1

15、.3 研究轻量化驱动桥总成的目的和意义 . 3 1.4 驱动桥的轻量化国内外研究现状 3 1.5 本文研究内容 5 第二章第二章 中后驱动桥总成结构及故障模式分析中后驱动桥总成结构及故障模式分析 6 2.1 中后驱动桥总成结构概述 6 2.2 中后驱动桥总成常见故障模式. 12 2.3 中后驱动桥总成故障模式产生的相关因素 14 2.4 中后驱动桥总成故障说明及根本原因 . 15 2.5 本章小结 . 16 第三章第三章 中后驱动桥总成轻量化措施中后驱动桥总成轻量化措施 16 3.1 设定轻量化目标 . 35 3.2 针对中后驱动桥总成故障制定轻量化方案 16 3.3 驱动桥壳总成轻量化有限元

16、分析 16 3.4 凸缘轻量化有限元分析 24 3.5 气室支架轻量化有限元分析 . 28 3.6 连接板轻量化有限元分析 30 3.7 桥壳的 CAE 分析 台架实验验证 . 35 3.8 本章小结 . 36 第四章第四章 中后桥总成轻量化措施实施后的验证中后桥总成轻量化措施实施后的验证 36 4.1 中后桥总成轻量化后的路试 . 36 4.2 路试试验结论及建议. 39 4.3 驱动桥桥壳垂直弯曲刚性和垂直弯曲静强度试验 . 40 4.4 本章小结 . 44 第五章第五章 结论及展望结论及展望 45 5.1 研究结论 . 45 5.2 研究展望 . 45 参考文献参考文献 47 插插 图图

17、 清清 单单 图 2-1 中后桥总成图片 . 6 图 2-2 后桥安装图 7 图 2-3 中桥安装图 7 图 2-4 后桥主减速器和差速锁结构爆炸图 1 8 图 2-5 后桥主减速器和差速锁结构爆炸图 2 9 图 2-6 轮边减速器部分结构爆炸图. 10 图 2-7 制动部分结构爆炸图 11 图 2-8 中后桥在整车上装配图 . 12 图 3-1 驱动桥几何模型 . 17 图 3-2 驱动桥有限元模型 17 图 3-3 满载时受力分析简图 17 图 3-4 最大牵引力时受力分析简图. 18 图 3-5 制动时受力分析简图 19 图 3-6 侧滑时受力分析简图 20 图 3-7 满载工况 Y 向

18、变形图 20 图 3-8 满载工况 Mises 等效应力图 . 20 图 3-9 满载工况最大主应力图 . 21 图 3-10 冲击载荷工况变形图 21 图 3-11 冲击载荷工况 Mises 等效应力图 21 图 3-12 冲击载荷工况最大主应力图 21 图 3-13 最大牵引力工况变形图 . 21 图 3-14 最大牵引力 x 向位移图 . 21 图 3-15 最大牵引力 y 向位移图 . 21 图 3-16 最大牵引力 z 向位移图 22 图 3-17 最大牵引力工况下全桥等效应力分布图 22 图 3-18 最大牵引力工况下最大主应力分布图 22 图 3-19 紧急制动工况下变形图 .

19、22 图 3-20 紧急制动 x 向位移图 22 图 3-21 紧急制动 y 向位移图 22 图 3-22 紧急制动 z 向位移图 22 图 3-23 桥壳应力分布云图. 23 图 3-24 紧急制动工况最大主应力分布图 . 23 图 3-25 侧向载荷工况变形图 22 图 3-26 侧向载荷工况 x 向位移图 . 23 图 3-27 侧向载荷工况 y 向位移图 . 23 图 3-28 侧向载荷工况 z 向位移图 . 23 图 3-29 侧向载荷工况下全桥等效应力分布图. 23 图 3-30 侧向载荷工况下最大主应力分布图 . 22 图 3-31 凸缘几何模型 . 26 图 3-32 凸缘有限

20、元模型 26 图 3-33 凸缘等效应力分布图. 26 图 3-34 凸缘最大主应力分布图 26 图 3-35 凸缘最小主应力分布图 26 图 3-36 凸缘等效弹性应变分布图 26 图 3-37 凸缘总变形分布图 . 26 图 3-38 凸缘 x 向变形分布图 . 26 图 3-39 凸缘结构优化模型 . 26 图 3-40 凸缘优化结构等效应力分布图 . 27 图 3-41 凸缘优化结构最大主应力分布图 27 图 3-42 凸缘优化结构最小主应力分布图 27 图 3-43 凸缘优化结构等效弹性应变分布图 27 图 3-44 凸缘优化结构总变形分布图 . 27 图 3-45 凸缘优化结构 x

21、 向变形分布图 . 27 图 3-46 支座几何模型 28 图 3-47 支座有限元模型 29 图 3-48 支座等效应力分布图. 29 图 3-49 支座最大主应力分布图 29 图 3-50 支座最小主应力分布图 29 图 3-51 支座等效弹性应变分布图 29 图 3-52 支座总变形分布图 . 29 图 3-53 支座 z 向变形分布图 . 29 图 3-54 连接板装配模型 31 图 3-55 连接板装配有限元模型 31 图 3-56 连接板装配体约束及受力情况 . 31 图 3-57 连接板结构之一 32 图 3-58 支座等效应力分布图. 32 图 3-59 支座最大主应力分布图

22、32 图 3-60 支座最小主应力分布图 32 图 3-61 支座等效弹性应变分布图 32 图 3- 62 支座总变形分布图 32 图 3-63 支座 z 向变形分布图 . 33 图 3-64 连接板结构之二 33 图 3-65 支座等效应力分布图. 33 图 3-66 支座最大主应力分布图 33 图 3-67 支座最小主应力分布图 33 图 3-68 支座等效弹性应变分布图 33 图 3-69 支座总变形分布图 . 33 图 3-70 支座 z 向变形分布图 . 33 图 3-71 桥壳台架实验 35 图 3-72 应变检测仪输出的载荷曲线图 . 36 图 4-1 故障性质数量统计图. 39

23、 图 4-2 定远试验场内强化坏路扭曲路 . 40 图 4-3 桥壳垂直弯曲刚性试验力点、支点及测点的位置简图 41 图 4-4 百分表位置图 43 图 4-5 试验结束桥故障图片. 43 图 4-6 试验桥 44 表表 格格 清清 单单 表 2-1 中后驱动桥总成主要技术参数 . 6 表 2-2 某年某月份某主机厂信息中市场故障模式/频次/频率统计 13 表 2-3 2013 年 4 月份 XX 市场铸钢桥产品故障情况统计与分析 15 表 2-4 某年某月份某主机厂信息中市场故障模式/频次/频率统计 15 表 3-1 车桥各工况下应变情况 24 表 3-2 车桥各工况下应力情况 24 表 3

24、-3 整车相关参数 25 表 3-4 凸缘材料基本参数 . 25 表 3-5 凸缘应力及应变对比情况 27 表 3-6 气室支架材料基本参数 29 表 3-7 气室支架应力及应变对比情况表. 30 表 3-8 连接板材料基本参数 . 31 表 3-9 连接板减重前后应力及应变对比情况 34 表 4-1 试验项目及执行标准 . 37 表 4-2 路试条件 . 37 表 4-3 试验设备仪器 38 表 4-4 油耗消耗量 . 38 表 4-5 尿素消耗量 . 38 表 4-6 行驶里程统计 38 表 4-7 行驶数据统计 38 表 4-8 桥壳垂直弯曲疲劳寿命遵循对数正态分布（或韦布尔分布） .

25、42 表 4-9 垂直弯曲疲劳寿命试验数据 42 表 4-10 垂直弯曲刚性试验数据（满载荷时各测点的变形量 mm） 43 1 第一章 绪绪 论论 1.1 驱动桥的概述及其发展驱动桥的概述及其发展 汽车驱动桥（又称车轴）通过悬架总成与车架（或承载式车身）相连接， 其两端安装车轮。作用：传递车架（或承载式车身）与车轮之间的各种作用力 及其力矩。驱动车桥可以是整体式的，两端通过悬架系统支撑着车身，因此整 体式车桥通常与非独立悬架配合；驱动车桥也可以是断开式的，再各自通过悬 架系统支撑车身，所以断开式驱动车桥与独立悬架配用。根据驱动方式的不同， 车桥也分成驱动桥、转向驱动桥两种。其中转向桥属于从动桥

26、。大多数汽车采 用前置后驱动(FR)，因此前桥作为转向桥，后桥作为驱动桥；而前置前驱动(FF) 汽车则前桥成为转向驱动桥，后桥充当支持桥 1。 近年来,国内重型商用车零部件市场，竞争最激烈的要数车桥行业。车桥厂 家多，产品多。在生产发动机、变速箱和车桥三大件的零部件企业里面，全国 的车桥生产厂家远远多于发动机厂家和厂家。国有的、合资的、民营的，数量 众多。国内重型车桥生产企业主要集中在东风德纳车桥有限公司、中国重汽济 南桥箱有限公司、安徽安凯福田曙光车桥有限公司、青特集团有限公司、一汽 解放汽车有限公司车桥分公司、陕西汉德车桥有限公司、山东蓬翔汽车有限公 司等七家主要的生产企业，它们在中重型车

27、领域的市场份额之和接近 90%，市 场集中度很高。 陕西汉德车桥有限公司由陕汽集团与潍柴动力于 2003 年 3 月投资组建。 拥有西安、宝鸡两个工厂，是目前国内重要的重型车桥生产基地。目前，公司 已与陕西重汽、东风商用车、北汽福田、上海汇众、郑州宇通、苏州金龙、中 联重科等国内外十余家重型汽车、客车制造企业建立了稳定良好的合作关系。 汉德公司目前拥有领先的重卡车桥制造技术，产品品质及工艺技术始终保持在 国内领先水平。东风德纳车桥公司是从国有企业整合成中、日、美三方合资企 业，今天这家公司已经成为国内最大的汽车车桥合资企业。主要配套东风重卡， 产品销量目前排在国内第一位。 安徽安凯福田曙光车桥

28、有限公司是由安徽安凯汽车股份有限公司、北汽福 田汽车股份有限公司、辽宁曙光汽车集团股份有限公司三大上市品牌公司共同 创立的专业生产车桥产品的公司。目前主要配套福田欧曼重卡、江淮重卡、福 田诸城汽车、福田长沙汽车、集瑞重卡、青年重卡、东风柳汽重卡、华菱重卡、 安凯股份客车、欧辉客车等国内知名公司。 过去，国内商用车整车生产企业的发展战略是车身必须自制，发动机立足 或争取自制，而车桥则一般采用社会资源。然而，随着近年商用车市场，特别 是中、重型卡车市场竞争的加剧，为了在核心总成上不受制于人，近年来，国 2 内一汽解放、东风汽车和中国重汽等主要商用车企业有的采取投巨资、重兵布 局发展自己的车桥业务方

29、式，有的采取积极主动与有关大型车桥生产企业建立 长期战略联盟方式，以确保自己稳定的零部件供应。 经过市场的洗礼，研发实力强、产品质量优异的几家大厂最终将会引领车 桥行业发展的潮流。随着汽车行业的发展，汽车在节能、环保、舒适等方面的 性能将显著提升，这就要求车桥产品的性能进一步提高。车桥作为重卡承载的 核心总成，其轻量化的重要性将受到越来越多的关注。 1.2 中后驱动桥的工作原理中后驱动桥的工作原理 驱动桥工作原理处于动力传动系的末端，其基本功能是： 将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速胎、差速器、半轴等传到 驱动车轮，实现降速增大转矩； 通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向； 通过差速

30、器实现两侧车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向； 通过桥壳承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向 力，以及制动力矩和反作用力矩等。 本文所研究的驱动桥是带轮边的减速驱动桥，自从 2003 年以后，斯太尔 和奔驰系列牵引车销售量逐渐增加，由于轮边减速驱动桥的承载能强，且又将 驱动桥的主减速器的尺寸缩小，车桥与地面间隙增加，使其通过性更强，适合 复杂路面。 使用轮边减速器是为了进一步增加汽车的驱动力，其扭矩大，驱动力强， 以满足或修正整个传动系统驱动力的匹配，适合爬坡。目前采用的轮边减速器， 就是为满足整个传动系统匹配的需要， 而增加的一套降速增扭的齿轮传动装置。 从发动机经

31、离合器、变速器和分动器把动力传递到前、后桥的主减速器， 再从主减速器的输出端传递到轮边减速器及车轮，以驱动汽车行驶。在这一过 程中，轮边减速器的工作原理就是把主减速器传递的转速和扭矩经由其降速增 扭后，再传递到车轮，以便使车轮在地面附着力的反作用下，产生较大驱动力。 不过轮边减 速器驱动 桥有两个 缺点：结构 复杂，传动 率低、装配 技术 要求高；首 先轮边减 速器的结 构复杂， 传导件较 多，这 使得传动 率下降， 能量损失加 大。复杂的结 构让维修 保养也 更加麻烦。轮 边减速器 在装配的 过程中要求 严格，假如各 部门零部 件的配 合尺寸泛 起较大偏 差，易导致轮 边减速器的 可靠性下

32、降，同时因为 国产制 动鼓的材 料及本钱 题目，国产车 中轮边减速器 散热效果 仍是不很 理想。 3 1.3 研究轻量化驱动桥总成的目的和意义研究轻量化驱动桥总成的目的和意义 随着“节能环保” 越来越成 为了广 泛关注的 话题，轻 量化也广 泛应 用到普通汽 车领域，在提 高操控性 的同时 还能有出 色的节油 表现。汽车的 油耗主要取 决于发动 机的排量 和汽车的 总质量，在 保持汽车 整体品质、性 能和造价不 变甚至优 化的前提 下，降低 汽车自身 重量可 以提高输 出功率、 降低噪声、提 升操控性、可靠性，提 高车速、降 低油耗、减 少废气排 放量、 提升安全性。 有研究数 字显示， 若汽

33、车整 车重量降 低 10， 燃油效率 可 提高 6-8；若 滚动阻力 减少 10， 燃油效 率可提高 3； 若驱动桥 、 变速器等装 置的传动 效率提高 10，燃油效 率可提高 7。汽车 驱动桥约 占汽车总质量 的 20，空 载情况下 ，约 60 的油耗用 在汽车驱 动桥质量 上。因此 ，驱动 桥变轻对 于整车的 燃油经 济性、车辆控制 稳定性 、碰撞安 全性都大有 裨益。当前，由于环保 和节能的 需要，汽车 的轻量化 已经成为 世界汽车发展 的潮流 【4】 。 汽车驱动桥轻 量化的主 要途径是 ： 汽车车桥 零件主流 规格车型 持续优化 ， 规格 主参数尺 寸保留的 前提 下，提升整车 结构

34、强度 ，降低耗 材用量； 采用轻质 材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻 璃纤维或 碳纤维复 合材 料等； 采用计算 机进行结 构设计。 如采用有 限元分析 、局部 加强设计 等； 采用减薄车 桥桥壳板 料厚度等 。 其中，当前的主 要汽车轻 量化措施：主要是结 构优化和 零部件的 模块 化设计， 计算机辅 助集成技 术(CAX)(包括 CAD/CAE/CAO)和结构分析 等技术应用 ；采用 轻质材料 ，铝合 金、镁 合金、钛合金 、高强 度钢、塑料、 粉末冶金、生态 复合材料 及陶瓷等 的应用 越来越多；汽 车制造业 在成形方 法和联接技术 上不断创 新等。 1.4 驱动桥的轻量化国内外研究现状驱

35、动桥的轻量化国内外研究现状 1.4.1 驱动桥的轻量化文献研究现状 1.4.1.1 朱航生教授在轻量化研究中指出： 采用新型高强 度材料和 轻型合金 材料，桥 壳及安装 支架钢 板采用 QSTE500TM 或 B600QK 甚至更高强 度级代替 原来的 16MnL 和 BL510， 套 管采用 Q345B 或 HSM450 替代 原来的 20 号 钢，主减 速器主从 动齿轮用 SAE8620H 或 SAE4320H 替代 20CrMnTiH；轮毂 和差、减 速器壳都 可考 虑用高压铸造 新型铝镁 合金替代 球墨铸铁 ， 采用新型制 造工艺， 齿轮通过 表面喷丸 表面强化 等组合 技术的应 用，

36、 进一步提高 扭矩传递 能力，桥壳焊接 过程采用 智能机器 人技术和 更新摩擦 4 焊接技术替代 原有技术 ；桥壳本 体由上下 片焊接成 型替代 三片焊接 等方 案，避免了焊 接缺陷， 提高桥壳 的支承强 度和寿命 。 合理布局 ，优化设 计，改 善受力分 布，减少结构 尺寸，提高零部 件的 支承刚性和寿 命。 通过以上途径 ，开发出 降重 21kg 的 驱动桥 【7】 。 1.4.1.2 从吴向阳等人的关于轻量化高强度驱动桥壳本体的研究与应用 文章得知： 对矩形截面桥 壳本体而 言,轻 量化有 以下三种 途径: (1)选用强度较 高 的材料，使所用 材料变薄,达 到减轻重 量的目的,但 强度

37、的提 高,钢材的价格 也相应提高 ；(2)在弯矩 M 不变的 情况下 ，桥壳本 体外形尺 寸改变 ；(3)采 用冷压成形工 艺。 分析得出：拉延 桥壳本体 在实现轻 量化、高强 度方面比 冲焊桥壳 本体 具有明显优势,结合 公司所具 备的电 子束焊机 和摩擦焊 机的条件,从 14mm 板厚拉延桥壳 本体取代 20mm 板厚的冲 焊桥壳本 体开始,经市 场使用验 证 效果很好,到现在已 经着手与 合作单 位共同开 发了多种 拉延桥壳 本体,在多 品种桥壳的批 量应用上 得到了突 破。 拉延桥壳本 体在汽车 驱动桥实 现轻量化 的同时满 足了高 强度要求 【5】。 1.4.1.2 肖英龙的关于汽车

38、部件轻量化节能减排锻造技术论文中指出： 为了进行轻量 化.小 型化，利 用原料 材、铸造 、热处理 、表面处 理的 改进而强化部 件； 在齿轮部件 的轻量化 方面，不仅涉 及齿轮 本身的高 强度化，而且 涉及 构成装置的 轴承和轴 部件的强 化，另外 壳强度与 刚性的 提高也是 必要的。 如利用差动装 置的差动 齿轮强化 以减少使 用的小齿 轮数等 等 【8】 。 1.4.2 国内主要重卡企业轻量化技术应用现状 东风天龙轻量化车型主要围绕三个途径来实现。第一，新材料和替代材料 的应用，第二，对车辆进行模块化设计，包括悬架、发动机、车桥等零部件进 行模块化设计，通过减少冗余的零部件实现整车轻量化

39、。第三，将零部件进行 跨功能整合。把不同的功能的部件整合到一个机体上，把具有相同功能的部件 整合在一个平台上。 中国重汽豪瀚轻量化车型采用美国瀚瑞森新型橡胶悬架，前桥使用少片簧 设计，采用铝合金壳变速器，高强度单层纵梁车架，降重 130kg。 一汽解放轻量化车型减重途径主要把悬架从多片簧改为少片簧，将鼓式制 动器改为盘式制动器，采用膨胀式桥盒的单级减速桥以及在散热器等相关零部 件上采用铝合金材料等。 5 陕汽德龙轻量化的车型应用变截面单层梁结构，整车应用非线性有限元软 件分析计算和实际路况试验，对车架大梁进行轻量化优化，整体少片簧设计， 采用国际领先的铝合金轻质变速器， 部分零部件及支架统一采

40、用铸件,汉德 MAN 技术 7.5t 前轴、汉德 MAN 技术 469 单级驱动桥和 MAN 技术双级减速桥（高速 版）的使用。 红岩杰狮轻量化车型采用以下办法（1）、高强度轻量化车架；（2）、少 片簧结构的应用；（3）、断开式平衡轴的应用；（4）、变直推力杆为 V 型推 力杆及子午胎换为真空胎，驱动桥配置改变等等。杰狮轻量化产品，不仅是指 该车自重相对杰狮以前的车型更轻，更重要的是从使用途径上进一步完善了车 辆结构，使其在公路运输和牵引车市场方面有了更大的竞争能力 【2】。 1.4.3 国外主要重卡企业轻量化技术应用现状 全球重型卡车的生产厂家主要集中在欧洲及美、中、日、韩、俄国。欧洲 国德

41、、法、意、英、瑞典企业的重型卡车在结构、性能和新技术的应用方面一 直处于世界领先地位。欧洲重型卡车的性能结构发展现状更主要从舒适性、安 全性、环保性、动力性、可靠性、经济性体现。 其中经济性的主要评价指标就是满载、平路、等速行驶时百公里油耗数值。 要实现降低油耗，除了从整车流线型，降低空气阻力，改善发动机性能，提高 各零部件的加工精度，降低传动损耗等，其中汽车轻量化是其中重要一环：如 采用轻合金（如铝板燃油箱，铝轮毂等），使用强度更高的原材料等 【3】。 据报道，欧洲首辆复合材料坦克问世，重量轻，速度快，这种坦克的车身 由环氧树脂和玻璃纤维制成。 1.5 本文研究内容本文研究内容 本文针对 x

42、x 车型一款驱动桥总成常见的故障模式说明， 对产生的原因进行 分析，产生轻量化方案，利用有限元软件 ANSYS 对桥壳总成等零部件故障模型 优化对比分析，并通过台架试验和定远试验场路试验证轻量化中后驱动桥的可 靠性和经济性。 6 第二章 中后驱动桥总成结构及故障模式分析中后驱动桥总成结构及故障模式分析 2.1 中后驱动桥总成结构概述中后驱动桥总成结构概述 图 2- 1 中、后桥总成图片（左中桥、右后桥） 中后驱动桥总成为桥壳中段整体铸造或拉延、冲焊与半轴套管组合式结 构，桥壳刚性好，通过性好，大大提高了整车重载时的性能。该中、后桥可以 根据客户要求，配备无石棉摩擦片、ABS 及制动间隙自动调整

43、臂。本文所研究 的某型中、后驱动桥总成如上图 2-1，主要技术参数如表 2-1： 表 2-1 中后驱动桥总成主要技术参数 额定轴荷 13000 kg 簧距 950，1030mm 适用车轮 轮 距 1800，1860mm 适用轮辋 型 式 8.0-20 或 8.5-20 适用轮胎 型 式 11.00R20、 12.00R20 制动器规 格 410 18018mm 可选速比 5.26、 5.92 6.73 最大输出 扭 矩 （ Nm） 21968、 19519、 17170 齿轮油 90#重负 荷 齿 轮 油 最大离地 间 隙 336mm 2.1.1 某型中后驱动桥总成安装图 某型中后驱动桥总成安

44、装图的连接尺寸如下图 2-1 所示： 7 图 2-2 后桥安装图 图 2-3 中桥安装图 2.1.2 某型后驱动桥总成外部件装配图 其由桥壳总成及其附件，后桥主减速器总成和差速锁总成、轮边减速器总 成，制动器部分等组成，它的外部件装配如下图 2-4、2-5、2-6、2-7 所示： 8 图 2-4 后桥主减速器和差速锁结构爆炸图 1 1-轴承座 连 接 螺 栓 ， 2-轴 承 座 ， 3-调 整 垫 片 ， 4-主 减 壳 连 接 螺 栓 ， 5-主 减 壳 连 接 螺 栓 ， 6-定 位 销 ， 7-六 角 头 螺 栓 ， 8-定 位 销 ， 9-卡 簧 ， 10-差 速 锁 压 力 开 关

45、， 11-六角 头 螺 栓 ， 12-差 速 锁 缸 体 ， 13-活 塞 ， 14-密 封 圈 ， 15-汽 缸 衬 垫 ， 16-开 槽 平端紧定 螺 钉 ，17-六 角 薄 螺 母 ， 18-拔 叉 轴 ， 19-差 速 锁 拔 叉 （ 轮 间 用 ） ， 20-弹 簧，21-固 定 啮 合 套 ， 22-卡 环 ， 23-滑 动 啮 合 套 ， 24-螺 塞 ， 25-后 桥 壳 总 成 ， 26- 轴头锁片 ， 27-轴 头 锁 紧 螺 母 ， 28-后 桥 主 减 壳 总 成 9 2-5 后桥主减速器和差速锁结构爆炸图 2 29-凸 缘 锁 紧 螺 母 ， 30-凸 缘 ， 31-

46、防 尘 罩 ， 32-油 封 总 成 ， 33-圆 锥 滚 子 轴 承 ， 34-主 齿 调 整 垫 片 ，35-隔 套 ，36-挡 油 盘 ，37-圆 锥 滚 子 轴 承 ，38-主 动 锥 齿 轮 ，39- 差速器壳 总 成 ，41-被 齿 连 接 螺 栓 ， 42-差 壳 连 接 螺 栓 ， 43-圆 锥 滚 子 轴 承 ， 44-右 调 整 螺 母 ，45-油 环 ，46-左 调 整 螺 母 总 成 ，47-止 动 片 ，48-弹 簧 垫 圈 ，49-六 角 头 螺 栓 ，50-半 轴 齿 轮 垫 片 ，51-半 轴 齿 轮 ，52-十 字 轴 ，53-十 字 轴 止 推 环 ，54-

47、十 字 轴衬套， 55-行 星 齿 轮 ， 56-行 星 齿 轮 减 磨 垫 片 10 图 2-6 轮边减速器部分结构爆炸图 1-半轴（左/右），2-锁环，3-锁环，4-调整垫片，5-太阳轮减磨垫片，6-太阳轮，7- 轴用钢丝挡圈，8-齿圈，9-齿圈支架，10-卡环，11-轮毂油封，12-挡板，13-圆锥滚子轴 承，14-轮毂防尘罩，15-后轮毂，16-车轮螺栓，17-O型圈，18-圆锥滚子轴承，19-螺塞， 20-垫片，21-螺塞，22-垫片，23-轮边端盖，24-衬垫，25-螺栓，26-六角头螺栓，27-轮边 减速器壳合件，28-行星轮减磨垫片，29-隔环，30-滚针，31-行星轮轴销，3

48、2-行星轮，33- 制动鼓，34-ABS齿圈 11 图 2-7 制动部分结构爆炸图 1-制动蹄片，2-回位弹簧，3-制动摩擦片，4-六角头螺栓5-六角头螺栓6-制动底板， 7-防尘罩，8-螺钉，9-弹垫，10-ABS卡圈，11-ABS衬套，12-ABS探头 2.1.3 某某单位的重型公路车用桥中后驱动桥总成在整车中的装配 中后驱动桥和悬架、传动轴相连，支撑整个簧上质量，与地面接触，输 入动力，传递冲击载荷 7。如图 2-8 所示： 12 图 2-8 中后桥在整车上装配图 2.2 中后驱动桥总成常见故障模式中后驱动桥总成常见故障模式 某某单位的重型公路车用桥中市场故障模式/频次/频率统计信息如下

49、表 2-2： 13 表 2-2 某年某月份某主机厂信息中市场故障模式/频次/频率统计 模式模式细分频次频率（） 累计频率（） 制动鼓裂纹13217.60 调整臂失效354.67 制动蹄损坏334.40 轮毂轴承松旷172.27 制动底板断裂81.07 轮毂裂纹70.93 回位弹簧失效50.67 制动底板紧固螺栓断30.40 凸轮轴犯卡10.13 制动系统故障 汇总24132.13 轮毂油封处漏油354.67 贯通轴油封处漏油293.87 凸缘油封处漏油192.53 接合面处漏油121.60 密封环处漏油121.60 端盖处漏油40.53 砂眼/裂纹处漏油30.40 螺塞处漏油20.27 漏油故障 汇总11615.47 桥壳裂纹10113.47 桥壳变形10.13 桥壳螺栓孔螺纹损坏10.13 桥壳故障 汇总10313.73 弹簧滑板故障 弹簧滑板断裂648.5369.87 气室支架故障 气室支架断裂537.0776.93 十字轴损坏异响283.73 半轴齿轮磨损异响60.80 差速器齿轮垫片损坏40.53 行星齿轮损坏异响40.53 差速器壳磨损30.40 轴间差速器花键轴裂纹20.27 差速器壳裂纹20.27 差速器壳连接螺栓断10.13 差速器零