一.研究背景
世界汽车工业发展面临三大问题：节能、环保、安全
汽车轻量化是节能与环保的重要方法和途径
轻量化与汽车制动安全、操纵稳定性、舒适性相关
整车轻量化：
1、降低排放的有效途径：
世界铝业协会数据：汽车自重每减少10%，排放降低5%-6% 欧盟将实现CO2排放控制目标的基础确定为汽车的小型化与轻量化 美国“新一代汽车共同开发计划”(PNGV)将汽车轻量化列为汽车节 能减排三大技术措施之一。
2、整车经济性提高的重要方法：
研究表明，约75%的油耗与整车的重量有关，降低汽车重量就可 有效降低油耗及排放；对商用车的研究表明，汽车重量每减少100Kg, 油耗可降低6%-7%.
3、提高运输效率，符合我国可持续发展要求：
汽车的轻量化符合国家节能减排战略和中长期科技发展规划的要求 我国原油对外依存度为60%.
二.轻量化设计方案
驱动桥简介
驱动桥功能
①将传动装置传来的发动机扭矩通过主减速器、差速器、 半轴等传到驱动车轮，实现降速増扭；
②通过主减速器圆锥齿轮副或双曲面齿轮副改变转矩的传递方向；
③通过差速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；
④通过桥壳体和车轮实现承载及传力作用。
本文将以某自主品牌越野车车型X 为蓝本 ，以车型X的驱动桥为例讲述 轻量化设计，并应用三维软件和有限元对驱动桥进行分析计算，最后通过台架以及实车试验验证本文所述车型X轻量化方案的可行性。
主减速器减重方案
用较小的尺寸和最轻的质量，设计制造出承载能力强，轻量化的主减速器，可 以降低整车噪声、提高整车舒适性和通过性，还减小了材料的使用和自身功耗。
齿轮机构
齿轮尺寸优化
• 通过过优化主减速器、轮 边减速器速比，原则：适当 提高行星齿轮轮边速比，减 小主减速比；
• 优化齿轮模数，在保证强 度要求的前提下，缩小齿轮 模数，减小齿轮尺寸；
齿轮材料
• 采用性能更优的20CrMoH， 代替20CrMnTi，表面硬度更高， 心部韧性更佳，渗碳后表面性能提升；齿轮工艺
• 采用强力喷丸表面强化技 术，可进一步提高其扭矩传 递能力，喷丸表面强化后的 齿轮疲劳强度寿命最高可提升30%；
壳体
主减总成壳体重量一般占总成的30%左右，重量占比较大，通过优 化结构、材料以铝代钢，提高材料利用率；
半轴
半轴为主减速器重要零件，对强度要求很高。
优化半轴与突缘连接方式
半轴与输出法兰一体式设计，采 用一次锻造成型，提升了半轴与法 兰的连接强度，同时优化了连接环 节，减少了连接螺母、O 型圈，缩 短了半轴长度，重量减轻；
优化设计后半轴 普通半轴
优化外廓尺寸
减小法兰直径和厚度； 切除多余的法兰边；
等强度设计，切除多余的材料；
优化半轴材料
采用高强度的采用代替传统材料
轮边减速器轻量化方案
轮毂 轮毂是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶型的、中心装在轴上的金属部件，又叫做轮圈、钢圈、轱辘、胎 铃。轮毂根据直径、宽度、成型方式、材料不同种类繁多。
新技术、工艺
采用低压铸造技术，材料利用率 提升30%
采用齿轮仿真技术、减小行星齿 轮机构,减小整体尺寸
新材料应用
采用压铸铝合金
结构优化
等强度设计，对轴承支撑、车轮连接部位强化；
优化内部型腔，减小铸造缺陷，提升轮毂强度；
转向节
转向节的功用是传递并承受汽车前部载荷，支撑并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽 车行驶转状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。
针对转向节受力情况进行划分：
- 把车轮与上下三角臂连接，并承受载荷冲击——转向节壳；固定齿圈并承受来自齿圈的扭矩—— 转向节轴颈 ；转向节壳采用轻质材料钛合金，而承受扭矩的轴颈采用合金结构钢。
- 对多余材料进行优化去除；
- 对高应力处进行加强，对受力较小的部位优化去除，造保证整体强度条件下，保证零件最轻；
- 高强度、轻量化材料的利用，钛合金比传统材料轻40%， 强度提升20%;
节臂
转向节臂又叫梯形臂，是转向传动装置的最后一级传力部件，转向节臂安装在左右转向节上， 另一端用球销和横拉杆连接。通过转向纵拉杆将其与转向摇臂连接起来，并实现转向。
1、措施
通过创新设计，通过提 高转向节臂与转下节壳 的配合间隙，提高连接 强度，缩小节臂结构
2、措施
调整转向节臂的安装位置， 改变转向节臂与转下拉杆的 空间角度，优化转向节臂的 受力，可缩小结构
3、措施
切除多余材料
4、措施
采用模锻工艺，提高材料 机械能力，提升零件强度
轻量化设计成果
轻量化设计
3、CAE分析
主减速器壳体CAE分析
受力分析
根据相关公式可得出主减速器壳体各轴承处的载荷;
壳体建模
- 主减速器壳体有限元模型由1406672个单元组成；
- 在有限元分析过程中，对输出轴两侧螺栓孔进行全约束，采用二阶单元计算；
- 主减速器壳体的材料为ZL101 ，材料的屈服强度为190MPa。
约束条件
分析结果
结论：车型X主减速器壳体的最大应力为170MPa，不超过材料屈服极限190MPa， 满足强度要求，轻量化的方案可行。
转向节与节臂CAE分析
转向节与转向节臂分析工况说明：
- 根据整车质心高度、轴荷等条件计算车轮所受载荷
- 前六个工况采用惯性释放方法，进行转向节强度计算；极限转向工况约 束轮心点，在上控制臂外点、下控制臂外点、横向推力杆外点加载；
- 前后轴转向节模型一致，且后轴荷大，此分析采用后轴计算；
- 前六个分析工况参考越野车结构零部件强度分析标准：EQCD-26。第七个极限转向工况为考虑自重及转向电机输出最大转向扭矩。
说明：Z0为静载状态下的轮荷，Z’为轴荷转移时产生的附加轮荷
节臂CAE分析
分析结果
结论：车型X转向节的最大应力为875MPa，不超过材料屈服极限930MPa，满足强度要求；车型X转向节臂的最大应力为601.5MPa，不超过材料屈服极限785MPa，满足强度要求， 轻量化方案可行。
轮毂CAE分析
约束：约束连接制动盘螺栓孔位置全部自由度；释放轴承外圈节点沿轴向转动自由度；
结论：车型X轮毂轻量化后的最大应力（166MPa）小于材料屈服值（190MPa)，满 足强度要求。
4、台架与实车试验
总成台架试验
总成疲劳试验，标准与国外不一致，主减速器试验次数50万次以上，满足国标要求；
总成静扭试验，总成后备系数大于2.5，满足国标要求；
实车试验
按照前文设计的总成，进行了总成试制，并开展实车验证，满足使用要求；
5、总结
1、轻量化是今后驱动桥结构设计的根本要求，利用CAE拓扑优化、运用新材 料、探索新工艺是有效的解决途径。
2、选取了驱动桥总成的4个典型部件进行了建模，进行了7个典型工况的力 学分析，计算设计结果并试验改进得出最佳方案，实现了各部件轻量化35kg， 并通过了台架与实车试验。
来源：汪振晓
