乘用車變速器鋁合金撥叉強(qiáng)度提升研究分析

邴紀(jì)秋，唐諒，唐儒，袁小星，張鵬

?

乘用車變速器鋁合金撥叉強(qiáng)度提升研究分析

邴紀(jì)秋，唐諒，唐儒，袁小星，張鵬

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

鋁合金撥叉在變速器里應(yīng)用廣泛，因?yàn)槠渚哂休^低的原材料及機(jī)加成本，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度。因?yàn)槠鋭偠缺炔簧箱摀懿?，在?shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)撥叉斷裂的情況，會(huì)導(dǎo)致變速器掛不上擋，或者換擋行程不足引起脫擋故障。文章從零件的材料牌號(hào)、毛坯狀態(tài)、鑄造方法等方面進(jìn)行研究優(yōu)化，通過更改相關(guān)工藝制造樣件。并針對(duì)樣件進(jìn)行耐久試驗(yàn)，考核優(yōu)化后的撥叉強(qiáng)度。

撥叉；材料；試驗(yàn)

前言

鋁合金在汽車中應(yīng)用廣泛，比如缸體、輪轂、車身構(gòu)件、變速器殼體和撥叉等零部件。同樣強(qiáng)度下，鋁合金的重量是鋼的一半，而且防銹能力較強(qiáng)，在汽車輕量化和降低能耗的背景下，鋁合金在汽車的應(yīng)用越來越多。

鋁合金按加工方法可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。變速器撥叉一般為壓鑄鋁合金，在使用中存在強(qiáng)度較弱的情況，限于空間布置問題，零件尺寸無法增大，只能通過優(yōu)化產(chǎn)品性能來提高撥叉的叉腳強(qiáng)度。

1 背景

鋁合金密度低，但是強(qiáng)度比較高，塑性好，抗拉強(qiáng)度甚至可達(dá)570MPa，可加工成各種型材，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。部分鋁合金可以采用熱處理獲得良好的物理性能和抗腐蝕性能。本文基于一款普通的變速器撥叉（見圖1）進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化分析，主要針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝方面進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 撥叉

2 優(yōu)化研究分析

2.1 CAE仿真強(qiáng)度分析

通過CATIA的創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析（Generative Structural Analysis）進(jìn)行強(qiáng)度分析，計(jì)算條件見表1，結(jié)果見圖2和圖3。

表1 計(jì)算輸入表

撥叉最大應(yīng)力為97MPa。考慮到撥叉中部擋邊為輔助支撐，受力點(diǎn)會(huì)從三處變?yōu)閮商?，所以撥叉?shí)際受力還在97-145.5MPa之間波動(dòng)。

撥叉普遍材料為R14高強(qiáng)度鋁合金，疲勞強(qiáng)度為146MPa,屈服強(qiáng)度為130MPa，撥叉實(shí)際承受應(yīng)力存在超過屈服強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn)，詳細(xì)見表2。

表2 強(qiáng)度對(duì)比表

小結(jié)：通過計(jì)算分析，撥叉叉腳連接處應(yīng)力最大，超過了材料的屈服極限。

2.2 撥叉材料及工藝分析

2.2.1 撥叉材料對(duì)比分析

撥叉的材料可以進(jìn)行優(yōu)化，可選日本標(biāo)號(hào)ADC12，原撥叉材料選用的R14。兩種材料成分對(duì)比分析見表3：

表3 成分對(duì)比表

銅（Cu）：銅在鋁合金可以提高其強(qiáng)度和硬度，降低伸長率，還可以提高高溫力學(xué)性能。但是銅易導(dǎo)致晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，大大降低鋁合金的耐蝕性，而且腐蝕后合金表面仍保持一點(diǎn)的金屬光澤，不易被發(fā)現(xiàn)。在Al-Si-Cu系合金中Cu含量控制在1%-4%之間。

硅（Si）：增加 Si含量，合金晶粒變細(xì)，鑄造性能變好，熱處理效果增加?？商岣咝筒牡目估瓘?qiáng)度，但是耐蝕性降低。Al-Mg-Si合金中，鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1，形成鋁鎂硅系合金，為了提高強(qiáng)度可加入適量銅。

鎂（Mg）：鎂可以提高鋁合金的耐腐蝕性和抗拉強(qiáng)度，但是也會(huì)增大脆性，有熱裂傾向。

綜合分析，R14中銅含量較大，材料耐蝕性較差；硅鎂含量較高，抗拉強(qiáng)度稍大，但是脆性較大，塑性不如ADC12。

2.2.2 撥叉制造工藝分析

（1）噴丸處理：鋁合金的噴丸處理一般在硬鋁合金應(yīng)用廣泛，比如LY2等。噴丸處理一般結(jié)合電解氧化涂層等耐腐蝕處理，單純噴丸處理的表面損傷易引起耐蝕性下降。

傳統(tǒng)的ADC12材料，當(dāng)用于制造缸體、大型箱蓋等零件時(shí)，可以進(jìn)行壓鑄和表面不銹鋼噴丸處理。但是用于較小的零件時(shí)，工藝一般為壓鑄，而不進(jìn)行噴丸處理。

（2）壓鑄工藝分析：調(diào)查失效撥叉的壓鑄工藝如下：鋁液澆注溫度750±10℃，壓射速度5.5-6.5m/s,比壓28MPa。

鋁合金的液相線溫度約為580℃，鋁合金常規(guī)澆注溫度為660-720℃，過低和過高都易產(chǎn)生粗大的樹枝晶形態(tài)和產(chǎn)生氣孔，而在680-690℃之間生成均勻的球狀晶態(tài)。

鋁合金鑄造壓力一般選60-70MPa,而此失效撥叉的鑄造壓力偏小，在鑄造過程中會(huì)引起較大的溫度變化，可引起縮孔、組織疏松和熱裂等問題。

（3）固溶時(shí)效處理：鋁合金常用的強(qiáng)化措施是固溶時(shí)效處理。不同于鋼，鋁合金剛淬火后，強(qiáng)度和硬度并不立即升高，塑性不但沒有下降，反而有所上升。但是淬火后的鋁合金放置一段時(shí)間后，強(qiáng)度和硬度會(huì)顯著提高，同時(shí)塑性明顯降低。時(shí)效發(fā)生在100-200℃之間，稱為人工時(shí)效。

合適的固溶時(shí)效處理后，鋁合金的抗拉強(qiáng)度可提高50%，屈服極限可提高100%。

小結(jié)：

（1）R14材料塑性不如ADC12。

（2）噴丸處理不適用于小體積零部件，壓鑄工藝參數(shù)設(shè)置不合理。

（3）在屈服強(qiáng)度不足的情況下，未采用有效的熱處理手段進(jìn)行強(qiáng)度提升。

3 改進(jìn)方案及驗(yàn)證結(jié)果

3.1 通過以上分析，制定改進(jìn)方案

a.撥叉材料由R14更換為ADC12，提高零件的塑性和耐腐蝕性；

b.取消噴丸處理，防止零件表面出現(xiàn)原始缺陷，誘發(fā)疲勞失效；

c.完善壓鑄工藝：澆注溫度由750±10℃更改為680±10℃，鑄造壓力由28MPa更改為70MPa。

d.進(jìn)行固溶時(shí)效強(qiáng)化處理，具體見表4：

表4 固溶時(shí)效強(qiáng)化參數(shù)

3.2 方案驗(yàn)證

通過以上四條優(yōu)化措施，制造樣件進(jìn)行性能評(píng)估和試驗(yàn)考核?？估瓘?qiáng)度及屈服強(qiáng)度對(duì)比見表5：

表5 優(yōu)化前后強(qiáng)度對(duì)比

優(yōu)化后的撥叉疲勞強(qiáng)度為193MPa，大于撥叉實(shí)際應(yīng)用的最大應(yīng)力145.5MPa，同時(shí)屈服極限由130MPa提升到220MPa，滿足產(chǎn)品使用要求。

試驗(yàn)考核：

（1）單體試驗(yàn)通過：靜態(tài)強(qiáng)度極限1470N，疲勞強(qiáng)度極限980N（1百萬次）。

（2）臺(tái)架試驗(yàn)通過：同步器耐久，增大三倍強(qiáng)度考核，具體見表6：

表6 耐久試驗(yàn)考核參數(shù)

4 總結(jié)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，遇到強(qiáng)度不足而又不能增大尺寸的情況下，需要從產(chǎn)品材料、工藝和熱處理等多方面進(jìn)行優(yōu)化。本文從撥叉的材料、取消噴丸、優(yōu)化壓鑄參數(shù)和固溶時(shí)效強(qiáng)化等方面對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度提升，有效降低了撥叉叉腳斷裂的隱患。同時(shí)經(jīng)過單體試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，證實(shí)此方案可靠有效。

本文的問題分析及改進(jìn)方案，對(duì)于手動(dòng)變速器其他零部件的強(qiáng)度提升也有重要的參考價(jià)值。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 王世洪,何明,張寶昌.有色金屬及其熱處理.國防工業(yè)出版社,1981.

[3] 方昆凡.工程材料手冊(cè).北京出版社,2000.

Research and Analysis on Strength Improvement of Aluminum Alloy Fork forPassenger Vehicle Transmission

Bing Jiqiu, Tang Liang, Tang Ru, Yuan Xiaoxing, Zhang Peng

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

Aluminum alloy fork is widely used in transmission, because it has lower raw material and machining cost, and higher strength. Because the stiffness of the fork is not as good as that of the steel fork, the fork will break in practical application, which will cause the transmission to be out of gear, or the shift stroke is insufficient to cause the breakdown. Herein, the material grade, blank state and casting method of the parts are studied and optimized, and the samples are manufactured by changing the relevant process. The durability test is carried out for the sample, and the optimized fork strength is checked.

Fork; Material; Test

U467

A

1671-7988(2019)09-182-03

U467

A

1671-7988(2019)09-182-03

邴紀(jì)秋，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.059