高強(qiáng)度鋁合金材料在主減速器殼上的應(yīng)用

黃衛(wèi)琴 萬雄飛

江西江鈴底盤股份有限公司 江西 撫州 344000

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流，一些輕量化新材料應(yīng)運(yùn)而生，如高強(qiáng)度鑄造鋁合金的合金材料，添加Cu、Si、Mg、Mn、Ni、Zn、Fe、Co、La等元素，以獲得強(qiáng)硬度、強(qiáng)耐磨性和抗沖擊能力等綜合性能。高強(qiáng)度鋁合金代替普通鋁合金、鑄鐵、粉冶類汽車零部件，如殼體類、盤套類、卡鉗類等。

本文介紹了驅(qū)動(dòng)橋主減速器殼用某種超高強(qiáng)度鋁合金材料代替鑄件QT450-10材料（簡(jiǎn)稱QT450-10）的優(yōu)化設(shè)計(jì)及CAE分析，在減輕產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化同時(shí)，保證了產(chǎn)品具有更可靠的性能。

超高強(qiáng)度鋁合金材料

與某新材料公司合作，在普通鋁合金加入特定元素材料，經(jīng)過低壓鑄造和多級(jí)TX熱處理后能獲得良好的機(jī)械性能、物理性能和抗腐蝕性能，該材料代號(hào)簡(jiǎn)稱為HQT20。HQT20材料成分質(zhì)量百分比為：Cu 10-15，Si 4-20，Mn0.2-0.5，Mg0.3-0.6,Ni0.3-0.6，F(xiàn)e0.3-0.8,Zn3-6，Co0.1-0.3，La0.1-0.4,剩余Al。該材料經(jīng)過多級(jí)TX熱處理性能：硬度為HBW200，抗拉強(qiáng)度為650-700MPa，屈服強(qiáng)度580-600 MPa。而普通鑄造硬度HBW150-160，抗拉強(qiáng)度為530 MPa，屈服強(qiáng)度450-480 MPa。

HQT20開發(fā)意義可替代普通鋁合金材料、鑄鐵、粉冶類機(jī)車零部件，實(shí)現(xiàn)輕量化；可替代高速旋轉(zhuǎn)類、摩擦副和嚙合類鋼鐵零部件，實(shí)現(xiàn)輕量化；提升常規(guī)高強(qiáng)鋁合金盤套類和殼體類零部件強(qiáng)硬度、耐磨性和抗沖擊能力，用于制造超高強(qiáng)民用、大工業(yè)和軍用特殊輕量化零部件，大幅度降低成本，創(chuàng)新材料技術(shù)服務(wù)國民。

主減速器殼輕量化設(shè)計(jì)

目前大部分主減速器殼體通常采用球墨鑄鐵或球墨鑄鋼為材料，在減輕質(zhì)量和簡(jiǎn)化工藝之間沒有形成最優(yōu)化的方案，造成舊結(jié)構(gòu)減速器殼體質(zhì)量過大，影響驅(qū)動(dòng)橋總成整體質(zhì)量和整車自重，以至于増加了車輛的油耗，或則在相同油耗的情況下降低了車輛的運(yùn)載能力。另主減速器殼在驅(qū)動(dòng)橋中主要作用為支撐，主動(dòng)齒輪軸承和差速器軸承都直接支撐在主減速器殼上，支撐剛度大，有利于齒輪的正確嚙合，減小NVH噪聲。

1.HQT20和QT450-10的CAE剛度對(duì)比分析

選擇一種懸臂式的主減速器殼，建立主減速器總成的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行有限元模型的約束，再進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋齒輪疲勞試驗(yàn)條件下的對(duì)比。

對(duì)比條件為：按《QC/T 533-2020商用車驅(qū)動(dòng)橋總成》標(biāo)準(zhǔn)中的第5.9條中的《齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)》，在相同的試驗(yàn)扭矩下，從動(dòng)齒輪（Wheel）、主動(dòng)齒輪（Pinion）和總變量（Totall）的剛度變量。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：HQT20相對(duì)QT450-10的主減殼剛性偏差接近5%時(shí)，可視為達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

CAE剛度分析結(jié)果：QT450-10與AL20兩組數(shù)據(jù)對(duì)比分析的變量差△L1見表1，其中有4組數(shù)據(jù)被“【】”標(biāo)識(shí)，不在被接收標(biāo)準(zhǔn)變差標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)?！鱈1計(jì)算過程如式（1）

表1 QT450-10和HQT20剛度變量值對(duì)比表（優(yōu)化前）

2.優(yōu)化結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)比剛度變量值，可以發(fā)現(xiàn)軸承裝配位置變量最大。為了加強(qiáng)軸承安裝位置的剛度要求，兩側(cè)油道各增加一條加強(qiáng)筋（見圖1），兩個(gè)差速器軸承孔內(nèi)側(cè)各增加4條加強(qiáng)筋（見圖2）。

圖1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)一

圖2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)二

再對(duì)優(yōu)化后的AL20主減速器殼進(jìn)行CAE剛度測(cè)試，對(duì)其使用同樣方法對(duì)比，進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，兩組數(shù)據(jù)對(duì)比分析的變量差△L2，見表2，△L2計(jì)算過程如式（2），各點(diǎn)的變量都已達(dá)到了小于5%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

表2 QT450-10和HQT20剛度變量值對(duì)比表（優(yōu)化后）

3.臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

按照優(yōu)化后的主減殼開發(fā)，材料為HQT20進(jìn)行樣件試制，裝配3臺(tái)橋總成，再進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證HQT20材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)同《齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)》，臺(tái)架試驗(yàn)（見圖3），試驗(yàn)結(jié)果是主減殼和齒輪未破壞，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 臺(tái)架試驗(yàn)

輕量化

新開發(fā)出來材料為HQT20主減速器殼，實(shí)際稱重為8.3kg，原設(shè)計(jì)QT450-10主減速器殼實(shí)際稱重為18.5 kg，減輕質(zhì)量為10.2kg，主減速器殼質(zhì)量降低55%。有研究數(shù)字顯示，汽車質(zhì)量降低10%，油耗可降低約7%，汽車整重每減少100 kg，每100km油耗可減低0.3～0.6L，CO2排放可減少約5g/kg。主減速器殼只是汽車零部件中的一個(gè)小零件，能夠減少10 kg是個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)值。

結(jié)語

本文通過在主減速器殼上運(yùn)用高強(qiáng)度鋁合金材料HQT20和普通鑄鐵材料QT450-10的CAE剛度對(duì)比分析，再進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，前后的仿真分析和實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比，證明新HQT20材料運(yùn)用的可行性，減輕了主減速器殼質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化的設(shè)計(jì)。