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高強度鋁合金材料在主減速器殼上的應用

發布于:12-11

汽車的輕量化,就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地減輕汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流,一些輕量化新材料應運而生,如高強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,以獲得強硬度、強耐磨性和抗沖擊能力等綜合性能。高強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。
本文介紹了驅動橋主減速器殼用某種超高強度鋁合金材料代替鑄件QT450-10材料(簡稱QT450-10)的優化設計及CAE分析,在減輕產品質量,實現產品輕量化同時,保證了產品具有更可靠的性能。


  超高強度鋁合金材料  


與某新材料公司合作,在普通鋁合金加入特定元素材料,經過低壓鑄造和多級TX熱處理后能獲得良好的機械性能、物理性能和抗腐蝕性能,該材料代號簡稱為HQT20。HQT20材料成分質量百分比為: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。該材料經過多級TX熱處理性能:硬度為HBW200,抗拉強度為650-700MPa, 屈服強度580-600 MPa。而普通鑄造硬度HBW150-160,抗拉強度為530 MPa,屈服強度450-480MPa。


HQT20開發意義可替代普通鋁合金材料、鑄鐵、粉冶類機車零部件,實現輕量化;可替代高速旋轉類、摩擦副和嚙合類鋼鐵零部件,實現輕量化;提升常規高強鋁合金盤套類和殼體類零部件強硬度、耐磨性和抗沖擊能力,用于制造超高強民用、大工業和軍用特殊輕量化零部件,大幅度降低成本,創新材料技術服務國民。


 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,在減輕質量和簡化工藝之間沒有形成最優化的方案,造成舊結構減速器殼體質量過大,影響驅動橋總成整體質量和整車自重,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載能力。另主減速器殼在驅動橋中主要作用為支撐,主動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模型,進行有限元模型的約束,再進行驅動橋齒輪疲勞試驗條件下的對比。


對比條件為:按《QC/T 533-2020商用車驅動橋總成》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,從動齒輪(Wheel)、主動齒輪(Pinion)和總變量(Totall)的剛度變量。


評價標準:HQT20相對QT450-10的主減殼剛性偏差接近5%時,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,需要進行設計優化結構?!鱈1計算過程如式(1)