新能源汽車傳動系統(tǒng)的輕量化設(shè)計與典型應(yīng)用

■上海汽車變速器有限公司 （上海 201807） 費(fèi)寧忠

高級工程師 費(fèi)寧忠

汽車輕量化之所以成為推動汽車行業(yè)發(fā)展的滾滾洪流，是與現(xiàn)代社會對環(huán)保節(jié)能的迫切需求緊密結(jié)合在一起的。美國政府以法規(guī)形式規(guī)定2017—2025新款車型的燃油經(jīng)濟(jì)性必須比2012年的水平提升近一倍，而歐洲汽車制造協(xié)會則承諾新車的碳排放從2012年開始降低至120g/km以下的水平。中國根據(jù)GB19578—2014《乘用車燃料消耗量限值》（第四階段油耗法規(guī)）強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，2015—2020年，乘用車企業(yè)的平均油耗目標(biāo)分別為每百公里6.9L、6.7L、6.4L、6.0L、5.5L和5.0L。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，整車的輕量化是重要手段之一。

在保證汽車綜合性能和安全性的前提下，最大程度地降低汽車的自身質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵路徑之一。根據(jù)Renault S.A.（雷諾）的一項(xiàng)研究表明，每減少10%的整車質(zhì)量，可對排放減少做出5%的貢獻(xiàn)，最新的研究則認(rèn)為可以達(dá)到6%～8%的貢獻(xiàn)。作為汽車傳動系統(tǒng)重要組成部分的變速器，重量約占整車重量的2%～4%，所以變速器的輕量化也是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的重要環(huán)節(jié)。

在汽車輕量化研究工作的基礎(chǔ)上，目前行業(yè)已經(jīng)對輕量化的技術(shù)路徑達(dá)成了共識，即汽車輕量化需要通過結(jié)構(gòu)、材料和工藝三個方面得到實(shí)現(xiàn)。

1. 傳動系統(tǒng)的輕量化設(shè)計

（1）輕量化布局 要實(shí)現(xiàn)變速器的輕量化，布局設(shè)計起著舉足輕重的作用。相同承載扭矩的變速器，由于結(jié)構(gòu)的不同，空間布置大不相同，總成質(zhì)量偏差可達(dá)到25%以上。不同結(jié)構(gòu)布局其空間布置、質(zhì)量及開發(fā)難度的對比如圖1所示。

通過分析可知，在變速器總長度能夠滿足空間布置要求的前提下，采用高度集成的“多合一”布局可以獲得最緊湊布局、最輕的重量，利于新能源傳動系統(tǒng)的輕量化。

圖1 不同布局對照

（2）集成化設(shè)計 要實(shí)現(xiàn)變速器的輕量化，首先想到零部件數(shù)量的減少。而集成化設(shè)計是減少零部件數(shù)量的最佳手段之一。

1）換擋塔，換擋塔是把很多換擋相關(guān)零件通過焊接、鉚接及壓裝等方式集成到一起，組成一個部件（見圖2）。集成優(yōu)化后，零件數(shù)量從原來的28個減少到19個。這樣，既實(shí)現(xiàn)了所有的換擋功能，又簡化了零件結(jié)構(gòu)，減少了數(shù)量，從而達(dá)到輕量化目的。

2）高度集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計，GKN最新電驅(qū)動橋(e-Drive) 技術(shù)的生產(chǎn)，將電動機(jī)、逆變器和e-Axle減速箱置于同一封裝空間，如圖3所示。經(jīng)過優(yōu)化的電動軸驅(qū)動系統(tǒng)已裝備于小型汽車，采用輕量化設(shè)計的傳動部件實(shí)現(xiàn)了12.5:1的傳動比，該設(shè)計可適應(yīng)更高的電動機(jī)轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)可提供高達(dá)2 000N·m的轉(zhuǎn)矩和70kW的功率，足以使車輛在純電動模式下達(dá)到125km/h的最高速度。

圖2 換擋塔總成

3）整體式結(jié)合齒齒輪，整體式結(jié)合齒將結(jié)合齒齒輪與斜/直 齒傳動齒輪合二為一，（見圖4）。該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：零件數(shù)量少，合二為一；強(qiáng)度高、可靠性好，可徹底杜絕焊接過程中出現(xiàn)的虛焊、脫焊現(xiàn)象，產(chǎn)品安全性高；花鍵齒部是擠壓成形，金屬流線未被切斷，機(jī)械強(qiáng)度提高，耐磨性提高；能夠減小傳動軸長度，零件總成質(zhì)量輕，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可靠的優(yōu)點(diǎn)。

（3）零件結(jié)構(gòu) 這部分從空心軸設(shè)計、減重齒輪及薄壁殼體三個方面進(jìn)行說明。

1）空心軸設(shè)計，空心軸的采用，相當(dāng)于從軸的中心抽出了一條細(xì)軸，可以顯著降低變速器軸的質(zhì)量。尤其是旋鍛或溫鍛熱成型技術(shù)成熟后，空心軸的壁厚變得更均勻，減重幅度又得到了明顯提升。如圖5所示，為采用溫鍛加冷擠壓成型技術(shù)不去除材料的方法成型空心軸，顯然，采用溫鍛加冷擠壓成型工藝制作的空心軸，壁厚更均勻，材料利用率提高，實(shí)現(xiàn)了零件結(jié)構(gòu)輕量化的目的。

圖3 GKN e-Drive

圖4 整體式結(jié)合齒齒輪

2）減重齒輪，隨著有限元分析能力和試驗(yàn)測試能力的提升，齒輪的強(qiáng)度計算越來越精確。這使得直徑大的齒輪在幅板上實(shí)現(xiàn)精確減重成為可能。如圖6所示為三種不同成型方式實(shí)現(xiàn)齒輪減重的案例。a齒輪為在幅板上鉆孔實(shí)現(xiàn)減重，b齒輪通過拓?fù)鋬?yōu)化后，以鍛造方式實(shí)現(xiàn)輪輻板的等強(qiáng)度減重結(jié)構(gòu)，c齒輪是經(jīng)過模態(tài)分析后，在輪輻輻板上銑削方孔實(shí)現(xiàn)大幅減重。

3）薄壁殼體，拓?fù)鋬?yōu)化能給出殼體設(shè)計質(zhì)量最輕、強(qiáng)度最高的優(yōu)化方向。如圖7所示，應(yīng)用有限元軟件對殼體進(jìn)行約束和加載，然后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在殼體的承載部位局部增加壁厚，在力的傳遞路徑上增加加強(qiáng)筋，相反，在只起覆蓋作用的部位可大幅降低壁厚，從通常的3.5～4mm降低到2～2.5mm，實(shí)現(xiàn)殼體整體的輕量化。

梳理人物關(guān)系 薛老師先讓學(xué)生找人物，喬依是這篇《愛之鏈》小說當(dāng)中的一個主人公，這篇小說，除了喬依，還有哪些人物？學(xué)生很快找到了老婦人和女店主。薛老師接著讓學(xué)生理人物關(guān)系，學(xué)生便很快又說出了女店主是喬依的妻子。

2. 新型材料的廣泛使用

通過材料來減輕傳動系統(tǒng)質(zhì)量無疑是最為直接和見效的輕量化技術(shù)之一。輕量化材料目前主要集中在兩大方向：一是低密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、工程塑料和復(fù)合材料等，另一則是高強(qiáng)度鋼材，通過高強(qiáng)度的薄壁鋼材代替低強(qiáng)度的厚鋼材，如高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼等。

圖5 空心軸

圖6 齒輪減重結(jié)構(gòu)

圖7 薄壁殼體

（1）鋁合金 鋁合金是最先采用的輕量化材料，也是目前在汽車上應(yīng)用最多的輕金屬材料。作為汽車上鋼鐵材料的替代者，鋁合金的密度只有鋼鐵的1/3，導(dǎo)熱性比鐵高3倍，機(jī)械加工性能則比鐵高4.5倍，其表面自然形成的氧化膜也具備良好的耐腐蝕性。鋁合金的鑄造性能也較為突出，適宜于制造薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件。鋁材的吸能性也異常突出，對舒適性和安全性都有提高。鋁材良好的再生性能使其成為最具有回收價值的汽車工業(yè)材料。

目前全球每輛轎車的鋁合金平均用量超過150kg，預(yù)計在2020年將達(dá)到180kg。目前鋁合金材料的應(yīng)用主要集中在車身、底盤、發(fā)動機(jī)和車輪4個系統(tǒng)，涉及的零件包括：車身結(jié)構(gòu)件、車身覆蓋件、車門、底盤支架、發(fā)動機(jī)缸體缸蓋及輪轂等。如圖8所示為目前上海交大開發(fā)的某新型鋁合金材料JDA1，該材料相較于傳統(tǒng)鋁合金材料AlSi9Cu3而言，X+向破壞力明顯提高，平均可提升1.41倍。

但鋁合金在汽車行業(yè)并沒有得到大規(guī)模應(yīng)用，主要原因是：①居高不下的價格成本使其更局限于高端車型而無法向數(shù)量龐大的中低端車型拓展。②鋁合金的連接技術(shù)，尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術(shù)也是鋁合金在汽車上應(yīng)用受阻的一大因素。③鋁合金材料還必須進(jìn)一步解決耐腐蝕的表面涂覆技術(shù)問題。

圖8 JDA1與AlSi9Cu3對照數(shù)據(jù)

（2）粉末冶金 粉末冶金成形技術(shù)，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，隨著粉末冶金技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的鋼件可用粉末冶金材料來替代，如圖9所示。粉末冶金成形除了可以大幅降低加工成本外，還可以有效降低零件的質(zhì)量。粉末冶金材料的密度通常為6.9g/cm3，而鑄鋼密度為 7.8g/cm3。體積相同的情況下，重量可降低11.5%。

（3）尼龍 尼龍材料的選用，也是變速器實(shí)現(xiàn)輕量化的手段之一，對非承載零件，在精度要求允許的前提下，都可以考慮尼龍等非金屬材料的應(yīng)用，如圖10所示。尼龍材料的密度為1.15g/cm3，如果替代鋼材，重量只相當(dāng)于原鋼材重量的1/7。

3. CAE在輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

計算機(jī)輔助工程C A E（Computer Aided Engineering）技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，它的理論基礎(chǔ)是有限元法和數(shù)值分析方法。

圖9 粉末冶金零件

圖10 尼龍零件

有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連結(jié)在一起的單元組合體。由于單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬幾何形狀復(fù)雜的求解域。數(shù)值分析方法是研究適合于在計算機(jī)上使用的實(shí)際可行、理論可靠、計算復(fù)雜性好的數(shù)值計算方法，近40年來，數(shù)值分析迅速發(fā)展并成為數(shù)學(xué)科學(xué)中的一個獨(dú)立學(xué)科。

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，CAE 技術(shù)在汽車設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用CAE 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質(zhì)化。

利用C A E 技術(shù)，結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)零部件輕量化的一個重要研究方向。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常包括截面優(yōu)化、幾何優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化及結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化幾個層次。

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化 在某空心軸零件設(shè)計過程中，該零件的成型工藝設(shè)計時采用了D e f o r m進(jìn)行模擬仿真，通過將三維模型導(dǎo)入Deform中，分析成型過程中材料的流動情況，從而對工藝進(jìn)行不斷地改進(jìn)。D e f o r m的理論基礎(chǔ)是經(jīng)過修訂的拉格朗日定理，屬于剛塑性有限元法。其單元類型是經(jīng)過特殊處理的四面體，四面體比六面體單元容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分，當(dāng)變形量超過設(shè)定值時可自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其適用于材料流動、模具填充、鍛造負(fù)荷及模具應(yīng)力的分析。

圖11為Deform模擬各工位成型情況，通過模擬可以分析獲得材料大致流動方向、成型過程、成型噸位等信息。通過分析材料先后填充順序，進(jìn)而修改鍛坯成型過程中的結(jié)構(gòu)。圖12為各工位成型時鍛坯表面不同位置所受的不同應(yīng)力，顏色越亮即表明此處應(yīng)力越大。通過有限元成型過程分析，可以對不合理的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，使得成型過程穩(wěn)定可靠，最終滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

圖11 Deform各工位成型

圖12 Deform各工位鍛件應(yīng)力

（2）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu) 拓?fù)鋬?yōu)化的基本思路是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布問題，對于連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化中常用的拓?fù)浔磉_(dá)形式和材料插值模型方法有：均勻化方法（Homogenization Method）、密度法（如各向正交懲罰材料密度法，即SIMP，Solid Isotropic Materialwith Penalization ModeD）、變厚度法及拓?fù)浜瘮?shù)描述方法。

在變速器產(chǎn)品設(shè)計階段，根據(jù)內(nèi)部齒軸傳動系統(tǒng)、換擋系統(tǒng)、駐車裝置、液壓控制系統(tǒng)及離合器系統(tǒng)等分總成的包絡(luò)空間以及發(fā)動機(jī)艙的外圍布置空間，在符合鑄造工藝性、機(jī)加工工藝性、裝配工藝性等要求的前提下，初步包絡(luò)出變速器殼體的最小本體3D模型，即為非設(shè)計區(qū)域。然后根據(jù)殼體系統(tǒng)內(nèi)外部設(shè)計空間的布置和殼體方案的鑄造分型，定義出與非設(shè)計區(qū)域完全擬合的設(shè)計區(qū)域。

為獲得較好的優(yōu)化結(jié)果，利用HyperMesh及SimLab等前處理軟件，對上述設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域劃分大小為3m m的四面體網(wǎng)格，加強(qiáng)筋等過渡特征精細(xì)化處理，單元類型選擇二階CTETRA，網(wǎng)格規(guī)模約193萬。由于模型規(guī)模較大，無法再對模型劃分更精細(xì)的網(wǎng)格，在后期優(yōu)化過程中會出現(xiàn)較大的塊狀材料堆積，影響優(yōu)化精度。在對設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域擬合面進(jìn)行處理過程中必須保證擬合面上的兩邊節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，且物理ID絕對一致，否則不能進(jìn)行優(yōu)化仿真。網(wǎng)格模型如圖13所示。

圖13 殼體有限元網(wǎng)格模型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取單元密度罰值為0.3，即去除單元密度小于0.3的設(shè)計區(qū)域，得到單元密度云圖，如圖14所示。

圖14 殼體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

4. 結(jié)語

綜上所述，隨著技術(shù)和工業(yè)水平的進(jìn)步，新能源汽車傳動系統(tǒng)輕量化的實(shí)現(xiàn)思路越來越靈活。巧妙的結(jié)構(gòu)布局，先進(jìn)的系統(tǒng)匹配技術(shù)和集成化設(shè)計思路應(yīng)對變速器，特別是新能源汽車傳動系統(tǒng)的輕量化起到了舉足輕重的作用。同時，在潤滑油量的設(shè)計及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件材料選用等方面都有很多輕量化的可能性，需要設(shè)計人員去思考、去嘗試。在上述思路的基礎(chǔ)上，不斷探索，不斷創(chuàng)新，必將設(shè)計開發(fā)出輕量化水平更高的系列產(chǎn)品。