【技术论文】高强度铝合金材料在主减速器壳上的应用

2021-11-30


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汽车的轻量化,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地减轻汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流,一些轻量化新材料应运而生,如高强度铸造铝合金的合金材料,添加Cu、Si、Mg、Mn、Ni、Zn、Fe、Co、La等元素,以获得强硬度、强耐磨性和抗冲击能力等综合性能。高强度铝合金代替普通铝合金、铸铁、粉冶类汽车零部件,如壳体类、盘套类、卡钳类等。

本文介绍了驱动桥主减速器壳用某种超高强度铝合金材料代替铸件QT450-10材料(简称QT450-10)的优化设计及CAE分析,在减轻产品质量,实现产品轻量化同时,保证了产品具有更可靠的性能。



   超高强度铝合金材料   


与某新材料公司合作,在普通铝合金加入特定元素材料,经过低压铸造和多级TX热处理后能获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能,该材料代号简称为HQT20。HQT20材料成分质量百分比为:Cu 10-15,Si 4-20,Mn0.2-0.5,Mg0.3-0.6,Ni0.3-0.6,Fe0.3-0.8,Zn3-6,Co0.1-0.3,La0.1-0.4,剩余Al。该材料经过多级TX热处理性能:硬度为HBW200,抗拉强度为650-700MPa, 屈服强度580-600 MPa。而普通铸造硬度HBW150-160,抗拉强度为530 MPa,屈服强度450-480MPa。


HQT20开发意义可替代普通铝合金材料、铸铁、粉冶类机车零部件,实现轻量化;可替代高速旋转类、摩擦副和啮合类钢铁零部件,实现轻量化;提升常规高强铝合金盘套类和壳体类零部件强硬度、耐磨性和抗冲击能力,用于制造超高强民用、大工业和军用特殊轻量化零部件,大幅度降低成本,创新材料技术服务国民。


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主减速器壳轻量化设计

目前大部分主減速器壳体通常采用球墨铸铁或球墨铸钢为材料,在减轻质量和简化工艺之间没有形成最优化的方案,造成旧结构减速器壳体质量过大,影响驱动桥总成整体质量和整车自重,以至于増加了车辆的油耗,或则在相同油耗的情况下降低了车辆的运载能力。另主减速器壳在驱动桥中主要作用为支撑,主动齿轮轴承和差速器轴承都直接支撑在主减速器壳上,支撑刚度大,有利于齿轮的正确啮合,减小NVH噪声。


1.HQT20和QT450-10的CAE刚度对比分析


选择一种悬臂式的主减速器壳,建立主减速器总成的数学模型,进行有限元模型的约束,再进行驱动桥齿轮疲劳试验条件下的对比。


对比条件为:按《QC/T 533-2020商用车驱动桥总成》标准中的第5.9条中的《齿轮弯曲疲劳试验》,在相同的试验扭矩下,从动齿轮(Wheel)、主动齿轮(Pinion)和总变量(Totall)的刚度变量。


评价标准:HQT20相对QT450-10的主减壳刚性偏差接近5%时,可视为达到设计目标。


CAE刚度分析结果:QT450-10与AL20两组数据对比分析的变量差△L1见表1,其中有4组数据被“【】”标识,不在被接收标准变差标准值内,需要进行设计优化结构。△L1计算过程如式(1)


ΔL1=(L1-L)/L×100%        (1)


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2.优化结构


根据对比刚度变量值,可以发现轴承装配位置变量最大。为了加强轴承安装位置的刚度要求,两侧油道各增加一条加强筋(见图1),两个差速器轴承孔内侧各增加4条加强筋(见图2)。



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图1 优化结构一


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图2 优化结构二


再对优化后的AL20主减速器壳进行CAE刚度测试,对其使用同样方法对比,进一步数据分析,两组数据对比分析的变量差△L2,见表2,△L2计算过程如式(2),各点的变量都已达到了小于5%,满足设计目标要求。



ΔL2=(L2-L)/L×100%      (2)

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3.台架试验验证


按照优化后的主减壳开发,材料为HQT20进行样件试制,装配3台桥总成,再进行台架试验,进一步验证HQT20材料和优化设计的可靠性。台架试验验证标准同《齿轮弯曲疲劳试验》,台架试验(见图3),试验结果是主减壳和齿轮未破坏,满足设计标准要求。


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图3 台架试验


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   轻   量   化   


新开发出来材料为HQT20主減速器壳,实际称重为8.3kg,原设计QT450-10主減速器壳实际称重为18.5 kg,减轻质量为10.2kg,主減速器壳质量降低55%。有研究数字显示,汽车质量降低10%,油耗可降低约7%,汽车整重每减少100 kg,每100km油耗可减低0.3~0.6L,CO2排放可减少约5g/kg。主减速器壳只是汽车零部件中的一个小零件,能够减少10 kg是个相当可观的数值。


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    结    语   


本文通过在主减速器壳上运用高强度铝合金材料HQT20和普通铸铁材料QT450-10的CAE刚度对比分析,再进行了优化设计,前后的仿真分析和实际台架试验对比,证明新HQT20材料运用的可行性,减轻了主减速器壳质量,实现汽车零部件轻量化的设计。


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作者:   黄卫琴   万雄飞

单位:    江西江铃底盘股份有限公司



本文已在《汽车工艺师》杂志

2021 年第 11 期 “汽车轻量化” 栏目    P62-P64 发表。

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部分图片 来自 “摄图网”   




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