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            高強度鋁合金材料在主減速器殼上的應用

            發(fā)布于:10-08

            汽車(chē)的輕量化是指在保持汽車(chē)強度和安全性能的前提下,盡可能減輕汽車(chē)整備質(zhì)量,以提高汽車(chē)的動(dòng)力性能,降低燃料消耗和排放污染。輕量化已成為世界汽車(chē)發(fā)展的趨勢,新的輕量化材料也應運而生,例如高強度鑄造鋁合金。這種合金通過(guò)添加Cu、Si、Mg、Mn、Ni、Zn、Fe、Co、La等元素,可以獲得強硬度、耐磨性和抗沖擊能力等綜合性能。高強度鋁合金可以替代普通鋁合金、鑄鐵和粉末冶金類(lèi)汽車(chē)零部件,例如殼體、盤(pán)套和卡鉗等。

            本文介紹了一種優(yōu)化設計和CAE分析,用一種超高強度鋁合金材料代替鑄件QT450-10材料作為驅動(dòng)橋主減速器殼的材料。通過(guò)這種材料的應用,可以減輕產(chǎn)品質(zhì)量,實(shí)現產(chǎn)品的輕量化,并且保證產(chǎn)品具有更可靠的性能。


              超高強度鋁合金材料  


            替代普通鋁合金材料:HQT20材料具有良好的機械性能、物理性能和抗腐蝕性能,可以替代普通鋁合金材料,在應用中實(shí)現輕量化。這對于一些需要重量控制的領(lǐng)域,如航空航天、汽車(chē)等行業(yè)具有重要意義。

            替代鑄鐵、粉冶類(lèi)機車(chē)零部件:HQT20材料經(jīng)過(guò)多級TX熱處理后,硬度和強度明顯提升,可以替代鑄鐵和粉冶類(lèi)機車(chē)零部件,提高零部件的強硬度、耐磨性和抗沖擊能力。


            替代高速旋轉類(lèi)、摩擦副和嚙合類(lèi)鋼鐵零部件:HQT20材料的機械性能優(yōu)越,可以替代高速旋轉類(lèi)、摩擦副和嚙合類(lèi)鋼鐵零部件,實(shí)現輕量化。這對于一些需要高速旋轉和摩擦的設備,如發(fā)動(dòng)機、渦輪機等具有重要意義。

            提升常規高強鋁合金零部件性能:HQT20材料可以用于制造常規高強鋁合金盤(pán)套類(lèi)和殼體類(lèi)零部件,提升其強硬度、耐磨性和抗沖擊能力。這對于一些需要高強度和耐磨性的零部件,如船舶、汽車(chē)等具有重要意義。

            HQT20材料的開(kāi)發(fā)可以廣泛應用于民用、工業(yè)和軍用領(lǐng)域,實(shí)現零部件輕量化、成本降低、性能提升,推動(dòng)材料技術(shù)的創(chuàng )新和國民經(jīng)濟的發(fā)展。


             主減速器殼輕量化設計 

            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。這些材料具有較高的強度和韌性,能夠承受高載荷和大扭矩的作用,以確保減速器的正常運轉。同時(shí),球墨鑄鐵和球墨鑄鋼也具有較好的耐磨性和耐腐蝕性,能夠延長(cháng)減速器的使用壽命。

            然而,目前的主減速器殼體設計在減輕質(zhì)量和簡(jiǎn)化工藝之間沒(méi)有形成最優(yōu)化的方案,導致舊結構減速器殼體質(zhì)量過(guò)大。這在一定程度上影響了驅動(dòng)橋總成的整體質(zhì)量和整車(chē)的自重,進(jìn)而增加了車(chē)輛的油耗?;蛘咴谙嗤秃牡那闆r下,降低了車(chē)輛的運載能力。

            此外,主減速器殼在驅動(dòng)橋中的主要作用是支撐。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。因此,主減速器殼體的支撐剛度對于齒輪的正確嚙合和減小車(chē)輛的NVH(噪音、振動(dòng)和刺激)噪聲非常重要。較大的支撐剛度有利于減小齒輪的變形和振動(dòng),提高傳動(dòng)效率,同時(shí)降低噪聲和震動(dòng)產(chǎn)生的可能性。

            當前的主減速器殼體材料選擇和設計方案還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間,以減輕質(zhì)量、降低油耗、提高運載能力和減小NVH噪聲??赡艿母倪M(jìn)包括采用更輕量化的材料、優(yōu)化殼體結構和加強殼體的剛度等。這將有助于提升驅動(dòng)橋總成和整車(chē)的性能和可靠性。


            1.HQT20和QT450-10的CAE剛度對比分析


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


            對比條件為:按《QC/T 533-2020商用車(chē)驅動(dòng)橋總成》標準中的第5.9條中的《齒輪彎曲疲勞試驗》,在相同的試驗扭矩下,從動(dòng)齒輪(Wheel)、主動(dòng)齒輪(Pinion)和總變量(Totall)的剛度變量。


            評價(jià)標準:HQT20相對QT450-10的主減殼剛性偏差接近5%時(shí),可視為達到設計目標。


            CAE剛度分析結果:QT450-10與AL20兩組數據對比分析的變量差△L1見(jiàn)表1,其中有4組數據被“【】”標識,不在被接收標準變差標準值內,需要進(jìn)行設計優(yōu)化結構?!鱈1計算過(guò)程如式(1)

            2.優(yōu)化結構


            根據對比剛度變量值,可以發(fā)現軸承裝配位置變量最大。為了加強軸承安裝位置的剛度要求,兩側油道各增加一條加強筋(見(jiàn)圖1),兩個(gè)差速器軸承孔內側各增加4條加強筋(見(jiàn)圖2)。




            再對優(yōu)化后的AL20主減速器殼進(jìn)行CAE剛度測試,對其使用同樣方法對比,進(jìn)一步數據分析,兩組數據對比分析的變量差△L2,見(jiàn)表2,△L2計算過(guò)程如式(2),各點(diǎn)的變量都已達到了小于5%,滿(mǎn)足設計目標要求。


            3.臺架試驗驗證


            按照優(yōu)化后的主減殼開(kāi)發(fā),材料為HQT20進(jìn)行樣件試制,裝配3臺橋總成,再進(jìn)行臺架試驗,進(jìn)一步驗證HQT20材料和優(yōu)化設計的可靠性。臺架試驗驗證標準同《齒輪彎曲疲勞試驗》,臺架試驗(見(jiàn)圖3),試驗結果是主減殼和齒輪未破壞,滿(mǎn)足設計標準要求。