目前轻型和中型商用车采用的电驱桥的主流方案有三种：第一种，电驱桥采用中央集成平行轴电驱桥，虽然簧下质量重，舒适性没有优势，但是，桥壳和轮边及制动部分直接借用燃油车桥成熟结构，可靠性好，更重要的是，承载及超载能力强;第二种，独立悬挂半轴式电驱桥，由乘用车成熟的半轴式电驱桥技术，配合偏心支撑梁，应用于商用车，虽然产品和结构成熟，行驶舒适性好，但是，成本偏高，承载能力较低;第三种，同轴电驱桥，虽然其结构更加紧凑，体积小重量轻，但是其行星结构成本较高，用螺栓连接的三 段式桥壳承载能力有限。出于安全、超载、成本等方面考虑，轻中型商用车采用中央集成平行轴电驱桥居多。通过对电驱桥减速器壳体失效分析、强度仿真分析、明确壳体断裂原因，掌握壳体在产品运行过程中的应力应变规律，对壳体进行相应优化。
一、电驱桥减速器壳体失效分析
通过对电驱桥减速器壳体进行系统的失效分析，了解失效机理，对壳体结构进行合理优化。首先，通过外观检查壳体断口宏观特征(见图 1)，毛坯呈现浅灰色，断裂位于差速器轴承安装孔位置，开裂方向与减速器安装状态的竖直方向成 45°左右，且上下的开裂位置都与轴承的飞溅润滑引流槽连接。根据裂纹的张开宽度，以及图 1 反面位置，裂纹下方的二次裂纹。猜测断裂源在上下两个飞溅润滑引流槽位置，向两边延伸(见图 2)。轴承孔表面有明显的挤压痕迹，未见有腐蚀和裂纹形貌，推测轴承外圈发生了蠕动。
对壳体开裂位置进行扫描电子显微镜(Scan-ning Electron Microscope, SEM)分析(见图 3)，发现断裂均起始于差速器轴承安装孔侧，起始部位未见铸造缺陷，断面微观形貌为准解理-少量韧窝，为典型的过载断裂特征;对断口周围部位取样进行金相检测，壳体显微组织为 α(Al)+(α+ Si)共晶，共晶硅呈条块状，未见晶界加粗、三角晶界和复熔球等过烧组织特征，判断显微组织正常。对壳体进行化学成分检测结果论明，符合《铝合金压铸件》(JIS-H5302-2006)标准对材料 ADC12 要求;该标准力学性能要求，硬度≥74.1 HB;屈服强度≥154 MPa，抗拉强度≥228 MPa。在断裂部位附近取样进行宏观硬度检测为 92.8 HB，符合标准要求，排除材料及制造问题导致壳体开裂的因素。
通过宏观及微观分析结果，初步判断壳体差速器安装孔处两个引流槽结构复杂，圆角较小，导致应力集中，在遇到启停或加减速等冲击时，导致过载断裂。
二、电驱桥减速器壳体强度仿真
通过壳体的仿真强度分析，了解壳体的应力应变规律。结合失效壳体的断口分析，找准减速器壳体开裂的失效原因，有针对性的对壳体进行优化，确保快速解决失效问题。
模拟产品的运行状态，对减速器与电机安装孔进行刚性约束，减速器与桥壳通过螺栓连接，对桥壳两端进行刚性连接，在最恶劣的高扭工况下对壳体强度进行分析。根据《纯电动乘用车技术条件》(QC/T 1022-2015)标准要求，最大扭矩 420 Nm，最大功率 140 kW 带入 MASTA，提取轴向力，通过ABAQUS软件对壳体强度进行分析。结果如图 4、图 5 所示，强度仿真结果显示，减速器壳体插入桥壳部分变形较大，与桥壳连接螺栓的远端变形最大，后壳体对应的远端位置达到 0.733 5 mm。变形趋势是其在整车安装状态下，向下移动，由于壳体由一圈螺栓连接到桥壳上，无法带动变形，所以图 4 中 A 指向位置相对应力较大，达到 190 MPa 以上，应变趋势与扭矩传导方向一致。后壳体上安装差速器轴承的卸油槽位置，结构复杂，圆角较小。在应变过程中应力无法释放，存在应力集中情况达到 197.6 MPa，大于屈服强度 154 MPa。同时，壳体变形大，会降低齿轮的传动精度，进而又加大了齿轴系统对壳体的冲击，壳体变形相应增大，形成一个正反馈。
进一步分析，电驱桥减速器与桥壳连接端面设计止口插入桥壳对应孔中进行精确定位，同时有限位作用。但是，连接端面对应的远端没有限位，相当于一个悬臂。在电驱桥运行过程中，容易变形，导致应力释放不良的位置应力过大，与断口分析中断裂源位置及断裂机理相符合。对比后壳体与前壳体的变形情况如图 5 所示，壳体插入桥壳连接螺栓的远端，变形差别较大。对应位置的应力情况也有较大差异。从两个方面分析，其一，主减齿轮插入桥壳的安装位置不在中心，往后壳体端偏了 78 mm，导致后壳体安装差速器轴承的结构较薄弱，刚度较差;其二，电机正转结合齿轮旋向，该工况下，差速器结构对应轴向力偏向后壳体。所以，后壳体表象出来应力应变较大。同时对比电机反转输入扭矩 420 Nm 工况下，壳体强度分析结果如图 6 所示，前壳体应力应变增大，后壳体应力应变有所降低，符合分析预期。
三、电驱桥减速器壳体结构优化
根据壳体失效分析及壳体的强度分析结果，提取壳体失效的三个关键点，壳体差速器轴承安装位置为悬臂结构;由于主减齿轮偏向后壳体，导致后壳体的差速器轴承安装处轴向空间有限，类似一个薄板，刚度不够，在电驱桥运行时，其承受差速器轴承的载荷后，变形较大;壳体差速器轴承安装位置结构较复杂，尤其提供轴承飞溅润滑的导油槽，该位置突变多、圆角小，容易造成应力集中。结合上述三个关键点对壳体进行优化。
如图 7 所示，对壳体壁进行折叠，同时在竖直方向设计加强筋，提高壳体壁刚度，减少应力应变;优化差速器轴承飞溅润滑方式，去除导油槽，一方面保留完整的轴承孔凸台，提供轴承安装孔位置的动刚度，另一方面简化该位置的壳体结构，使用大圆角过渡，避免在承受大载荷时，壳体差速器安装孔区域应力释放不良，导致应力过大产生过载或疲劳断裂。从安装差速器壳体腔的外侧上方设计集油槽，再通过机加孔的方式，把集油槽与差速器轴承安装孔底部连通，引流润滑油对轴承进行润滑。更重要的是，消除悬臂结构，在壳体插入桥壳，与桥壳连接端面的远端设计止口限位。电驱桥减速器壳体插入桥壳，入口端有止口配合，螺栓连接。远端壳体与桥壳止口配合。避免电驱桥运行过程中，产生大的变形。齿轴传统精准，避免对壳体产生异常冲击。在壳体两止口区域简化壳体结构，加大过渡圆角，避免应力集中。用 Croe 软件对总成做间隙检查，确保不存在干涉情况，同时重量增加 222 g，处于可接收范围内。
四、电驱桥减速器壳体 DVP 验证
在相同的输入扭矩 420 Nm 下，考虑电机正/ 反转两种情况，约束方式保持一致，增加插入桥壳减速器壳体远端与桥壳进行止口约束。进行壳体强度分析，优化前后结果对比如图 8 所示。通过壳体优化前后强度仿真的对比分析，结果表明，应力应变大幅降低。最大应力低于壳体材料 ADC12 的屈服强度 154 MPa，且最大应力位置不在失效断裂区域，改善明显，符合设计要求。改进后样件顺利通过 QC/T 1022-2015 中的疲劳寿命试验/高速性能试验，整车的道路耐久试验。对相应的试验箱进行拆解，未发现过载或疲劳裂纹，壳体无异常，失效区域形态正常，符合功能要求。
五、总结
对壳体进行断口分析了解开裂的机理，对壳体进行强度分析了解失效原因，通过失效原因与壳体开裂机理符合性验证，明确失效原因为减速器插入桥壳内部结构为悬臂结构;壳体差速器轴承安装部位刚度不够;导致应变较大，在后壳体导油槽位置应力集中导致开裂。对壳体进行优化，并顺利通过设计验证计划(Design Verification Plan, DVP)试验。
参考文献略.