目前輕型和中型商用車采用的電驅橋的主流方案有三種：第一種，電驅橋采用中央集成平行軸電驅橋，雖然簧下質量重，舒適性沒有優勢，但是，橋殼和輪邊及制動部分直接借用燃油車橋成熟結構，可靠性好，更重要的是，承載及超載能力強;第二種，獨立懸掛半軸式電驅橋，由乘用車成熟的半軸式電驅橋技術，配合偏心支撐梁，應用于商用車，雖然產品和結構成熟，行駛舒適性好，但是，成本偏高，承載能力較低;第三種，同軸電驅橋，雖然其結構更加緊湊，體積小重量輕，但是其行星結構成本較高，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橋居多。通過對電驅橋減速器殼體失效分析、強度仿真分析、明確殼體斷裂原因，掌握殼體在產品運行過程中的應力應變規律，對殼體進行相應優化。
一、電驅橋減速器殼體失效分析
通過對電驅橋減速器殼體進行系統的失效分析，了解失效機理，對殼體結構進行合理優化。首先，通過外觀檢查殼體斷口宏觀特征(見圖 1)，毛坯呈現淺灰色，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，推測軸承外圈發生了蠕動。
對殼體開裂位置進行掃描電子顯微鏡(Scan-ning Electron Microscope, SEM)分析(見圖 3)，發現斷裂均起始于差速器軸承安裝孔側，起始部位未見鑄造缺陷，斷面微觀形貌為準解理-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、三角晶界和復熔球等過燒組織特征，判斷顯微組織正常。對殼體進行化學成分檢測結果論明，符合《鋁合金壓鑄件》(JIS-H5302-2006)標準對材料 ADC12 要求;該標準力學性能要求，硬度≥74.1 HB;屈服強度≥154 MPa，抗拉強度≥228 MPa。在斷裂部位附近取樣進行宏觀硬度檢測為 92.8 HB，符合標準要求，排除材料及制造問題導致殼體開裂的因素。
通過宏觀及微觀分析結果，初步判斷殼體差速器安裝孔處兩個引流槽結構復雜，圓角較小，導致應力集中，在遇到啟停或加減速等沖擊時，導致過載斷裂。
二、電驅橋減速器殼體強度仿真
通過殼體的仿真強度分析，了解殼體的應力應變規律。結合失效殼體的斷口分析，找準減速器殼體開裂的失效原因，有針對性的對殼體進行優化，確保快速解決失效問題。
模擬產品的運行狀態，對減速器與電機安裝孔進行剛性約束，減速器與橋殼通過螺栓連接，對橋殼兩端進行剛性連接，在最惡劣的高扭工況下對殼體強度進行分析。根據《純電動乘用車技術條件》(QC/T 1022-2015)標準要求，最大扭矩 420 Nm，最大功率 140 kW 帶入 MASTA，提取軸向力，通過ABAQUS軟件對殼體強度進行分析。結果如圖 4、圖 5 所示，強度仿真結果顯示，減速器殼體插入橋殼部分變形較大，與橋殼連接螺栓的遠端變形最大，后殼體對應的遠端位置達到 0.733 5 mm。變形趨勢是其在整車安裝狀態下，向下移動，由于殼體由一圈螺栓連接到橋殼上，無法帶動變形，所以圖 4 中 A 指向位置相對應力較大，達到 190 MPa 以上，應變趨勢與扭矩傳導方向一致。后殼體上安裝差速器軸承的卸油槽位置，結構復雜，圓角較小。在應變過程中應力無法釋放，存在應力集中情況達到 197.6 MPa，大于屈服強度 154 MPa。同時，殼體變形大，會降低齒輪的傳動精度，進而又加大了齒軸系統對殼體的沖擊，殼體變形相應增大，形成一個正反饋。
進一步分析，電驅橋減速器與橋殼連接端面設計止口插入橋殼對應孔中進行精確定位，同時有限位作用。但是，連接端面對應的遠端沒有限位，相當于一個懸臂。在電驅橋運行過程中，容易變形，導致應力釋放不良的位置應力過大，與斷口分析中斷裂源位置及斷裂機理相符合。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端，變形差別較大。對應位置的應力情況也有較大差異。從兩個方面分析，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，導致后殼體安裝差速器軸承的結構較薄弱，剛度較差;其二，電機正轉結合齒輪旋向，該工況下，差速器結構對應軸向力偏向后殼體。所以，后殼體表象出來應力應變較大。同時對比電機反轉輸入扭矩 420 Nm 工況下，殼體強度分析結果如圖 6 所示，前殼體應力應變增大，后殼體應力應變有所降低，符合分析預期。
三、電驅橋減速器殼體結構優化
根據殼體失效分析及殼體的強度分析結果，提取殼體失效的三個關鍵點，殼體差速器軸承安裝位置為懸臂結構;由于主減齒輪偏向后殼體，導致后殼體的差速器軸承安裝處軸向空間有限，類似一個薄板，剛度不夠，在電驅橋運行時，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構較復雜，尤其提供軸承飛濺潤滑的導油槽，該位置突變多、圓角小，容易造成應力集中。結合上述三個關鍵點對殼體進行優化。
如圖 7 所示，對殼體壁進行折疊，同時在豎直方向設計加強筋，提高殼體壁剛度，減少應力應變;優化差速器軸承飛濺潤滑方式，去除導油槽，一方面保留完整的軸承孔凸臺，提供軸承安裝孔位置的動剛度，另一方面簡化該位置的殼體結構，使用大圓角過渡，避免在承受大載荷時，殼體差速器安裝孔區域應力釋放不良，導致應力過大產生過載或疲勞斷裂。從安裝差速器殼體腔的外側上方設計集油槽，再通過機加孔的方式，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行潤滑。更重要的是，消除懸臂結構，在殼體插入橋殼，與橋殼連接端面的遠端設計止口限位。電驅橋減速器殼體插入橋殼，入口端有止口配合，螺栓連接。遠端殼體與橋殼止口配合。避免電驅橋運行過程中，產生大的變形。齒軸傳統精準，避免對殼體產生異常沖擊。在殼體兩止口區域簡化殼體結構，加大過渡圓角，避免應力集中。用 Croe 軟件對總成做間隙檢查，確保不存在干涉情況，同時重量增加 222 g，處于可接收范圍內。
四、電驅橋減速器殼體 DVP 驗證
在相同的輸入扭矩 420 Nm 下，考慮電機正/ 反轉兩種情況，約束方式保持一致，增加插入橋殼減速器殼體遠端與橋殼進行止口約束。進行殼體強度分析，優化前后結果對比如圖 8 所示。通過殼體優化前后強度仿真的對比分析，結果表明，應力應變大幅降低。最大應力低于殼體材料 ADC12 的屈服強度 154 MPa，且最大應力位置不在失效斷裂區域，改善明顯，符合設計要求。改進后樣件順利通過 QC/T 1022-2015 中的疲勞壽命試驗/高速性能試驗，整車的道路耐久試驗。對相應的試驗箱進行拆解，未發現過載或疲勞裂紋，殼體無異常，失效區域形態正常，符合功能要求。
五、總結
對殼體進行斷口分析了解開裂的機理，對殼體進行強度分析了解失效原因，通過失效原因與殼體開裂機理符合性驗證，明確失效原因為減速器插入橋殼內部結構為懸臂結構;殼體差速器軸承安裝部位剛度不夠;導致應變較大，在后殼體導油槽位置應力集中導致開裂。對殼體進行優化，并順利通過設計驗證計劃(Design Verification Plan, DVP)試驗。
參考文獻略.