鋁合金在分動(dòng)器殼體的應(yīng)用研究

雷 君

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

鋁及其合金是有色金屬中用途較廣的輕金屬之一。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，鋁合金在汽車中的使用量在日益增加。

在國(guó)外傳遞大扭矩的齒輪箱總成中有采用鋁合金殼體的實(shí)例，如德國(guó)ZF公司生產(chǎn)的16S161/16S251（最大輸入扭矩 2 500 Nm）等系列變速器殼體采用壓鑄鋁合金，在分動(dòng)器方面，ZF公司生產(chǎn)的VG750（最大輸入扭矩8 000 Nm）也采用鋁合金，國(guó)內(nèi)目前在中重型分動(dòng)器總成還沒(méi)有采用鋁合金的實(shí)例。原因有二，第一是技術(shù)上存在風(fēng)險(xiǎn)，材料的失效會(huì)導(dǎo)致殼體開裂；熱膨脹系數(shù)的不同，溫差的變化導(dǎo)致軸承及軸定位精度的變化，軸齒或軸承耐久失效。第二是市場(chǎng)與成本的因素，特種商用車相對(duì)近10噸的整備質(zhì)量，減重幾十公斤，而成本增加幾百元，這種技術(shù)措施不能被普通市場(chǎng)接受。

本項(xiàng)目針對(duì)某特種用車開發(fā)輸入扭矩達(dá)12 000 Nm的分動(dòng)器總成，根據(jù)整車分解的重量指標(biāo)，對(duì)鋁合金殼體材料的選擇進(jìn)行了分析和應(yīng)用。

本文從分動(dòng)器殼體在試驗(yàn)過(guò)程中的失效出發(fā)，在CAE分析的指導(dǎo)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)材料工藝性分析，完善熱處理和機(jī)加工藝等改進(jìn)措施，最后，經(jīng)過(guò)臺(tái)架和整車試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)改進(jìn)措施切實(shí)有效。

1 試驗(yàn)故障分析

分動(dòng)器總成按照QC/T292-1999標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行總成疲勞壽命試驗(yàn)和靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)，在靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)中分動(dòng)器后殼體開裂。

靜扭臺(tái)架試驗(yàn)：輸出端加載，分動(dòng)器掛低擋，試驗(yàn)結(jié)果：輸入軸的破壞扭矩24 120 Nm，箱體開裂，見(jiàn)圖1。

按照QC/T291-1999標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，強(qiáng)度后備系數(shù)小于指標(biāo)要求的2.5。

通過(guò)調(diào)取殼體鑄造時(shí)留存的試樣進(jìn)行力學(xué)性能和化學(xué)成分的檢測(cè)，結(jié)果符合設(shè)計(jì)選用材料的標(biāo)準(zhǔn)。

2 材料和鑄造工藝的分析

鋁合金鑄造方法主要分重力鑄造法和壓力鑄造法，兩種方法最典型的區(qū)別在于壓力鑄造不適宜小批量生產(chǎn)，由于分動(dòng)器匹配的特種車輛規(guī)劃的年產(chǎn)量較少，因此，本殼體采用重力鑄造方法，試制階段的鑄造工藝采用砂型鑄造。

在材料的選擇上，國(guó)內(nèi)分動(dòng)器殼體通常采用QT450，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 QT450的性能指標(biāo)

常用的鑄鋁材料見(jiàn)表2。

表2 常用的鑄鋁材料

結(jié)合殼體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的CAE計(jì)算結(jié)果，要求選擇較高強(qiáng)度的鑄鋁合金，同時(shí)考慮特種車輛的工作環(huán)境，通過(guò)對(duì)各種鑄鋁力學(xué)性能的綜合分析，選擇了能承受較大載荷、工作溫度范圍大、中等復(fù)雜程度的高強(qiáng)度鑄件的材料—ZL201A。

2.1 ZL201A的性能指標(biāo)

ZL201A屬可熱處理強(qiáng)化的鋁-銅-錳系合金，是一種用途較廣的高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鑄鋁材料，適用于工作溫度-70℃~300℃。

ZL201A疲勞性能和彈性性能高疲勞性能：該合金的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限，δ-1=88 MPa （n=2×107），通過(guò)表面噴丸處理，疲勞極限可提高20%。

彈性性能：該合金的彈性模量E=69 GPa，切變模量G=28 GPa。

失效殼體的留存樣棒檢測(cè)：力學(xué)性能和化學(xué)成分測(cè)試，符合設(shè)計(jì)選用材料的標(biāo)準(zhǔn)。

殼體開裂斷面初步分析：未見(jiàn)明顯缺陷。

2.2 鑄造工藝分析

該合金采用高純度鋁錠為原料，為保持合金純凈，對(duì)熔煉和鑄造過(guò)程的控制有嚴(yán)格的要求，合金的澆鑄溫度為700℃~750℃。

鑄件的壁厚影響成形過(guò)程的冷凝速度，而鑄造的力學(xué)性能隨著冷凝速度增加，即隨著α枝晶細(xì)化而提高。

由于該材料的鑄造性能較差，報(bào)廢率較高。

針對(duì)這一難點(diǎn)，改進(jìn)的措施主要有：

1）鑄造時(shí)應(yīng)考慮到加強(qiáng)補(bǔ)縮和采用退讓性較好的材料（冷卻），以防止鑄件產(chǎn)生熱裂和疏松。

2）在零件的設(shè)計(jì)中，充分考慮到其結(jié)構(gòu)的布置，以增加加強(qiáng)筋，來(lái)提高鑄件的鑄造質(zhì)量和零件的強(qiáng)度。

3）首輪試制的模型采用木模，由于鑄造的表面質(zhì)量不十分理想，為了有效地保證鑄件的質(zhì)量，改進(jìn)后的模型采用金屬模

4）為解決鑄件中的疏松和針孔等缺陷，提高其氣密性，工藝上采用了浸滲處理。

5）針對(duì)該合金鑄造時(shí)熱裂，疏松傾向較大的特點(diǎn)，除了采用以上所述之外，做到在設(shè)計(jì)上盡量使截面均勻過(guò)渡，以及適當(dāng)加大圓角。

工藝改進(jìn)后，廢品率有一定改善，具備試制或小批量生產(chǎn)的條件。

3 分動(dòng)器殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

殼體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行了CAE分析，但由于缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，計(jì)算結(jié)果沒(méi)有成為設(shè)計(jì)判斷的依據(jù)，僅對(duì)結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行了指導(dǎo)，分析結(jié)果有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 殼體的受力和約束

工況的選?。鹤兯倨髋c分動(dòng)器不同的擋位組合能派生出分動(dòng)器的多種工況，其中變速器1擋加分動(dòng)器低擋時(shí)，分動(dòng)器工況最惡劣，并與分動(dòng)器靜扭試驗(yàn)規(guī)范比較吻合，選取該工況的分析結(jié)果較有代表性。

殼體作為總成傳遞扭矩的支撐件，力的路徑簡(jiǎn)化為：輸入扭矩→齒輪→軸→主軸承→殼體，假定齒輪及軸等部件為剛性體，可以快速的計(jì)算出殼體軸承處的受力，而該假定對(duì)殼體強(qiáng)度的分析結(jié)果影響較小。以低擋速比為例計(jì)算殼體受力如圖3。

殼體的約束面與整車安裝狀態(tài)一致，忽略橡膠懸置的作用。簡(jiǎn)化約束不僅計(jì)算方便，還能起到強(qiáng)化安全系數(shù)的作用，該假定比較合理。

3.2 殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)CAE分析和試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)原設(shè)計(jì)的不足，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)：增加筋的分布，將輸出軸孔邊臺(tái)階部分拉直，加大圓角使筋更加圓滑過(guò)渡等措施，如圖4。

改進(jìn)后殼體應(yīng)力明顯降低，對(duì)比數(shù)據(jù)如表3。

表3 改進(jìn)后殼體應(yīng)力對(duì)比數(shù)據(jù)

針對(duì)低擋位工況中與后殼體輸出軸孔連接的筋處應(yīng)力值偏大，對(duì)該筋的設(shè)計(jì)提出幾個(gè)再改進(jìn)方案，如圖5。

圖5的結(jié)果表明，筋在加高的過(guò)程中，其周邊的應(yīng)力值經(jīng)過(guò)了先降低又升高的過(guò)程，筋的加強(qiáng)應(yīng)該有一個(gè)合適的范圍。

這個(gè)優(yōu)化的過(guò)程也體現(xiàn)了仿真分析的必要性，CAE作為一個(gè)高效的分析工具，能夠給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師一個(gè)量化的結(jié)果，作為參考和趨勢(shì)性的指導(dǎo)，能幫助設(shè)計(jì)師快速的指向最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)殼體的加強(qiáng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，殼體應(yīng)力值有了很大改善，最終的結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 殼體應(yīng)力值最終的結(jié)果

4 鋁合金殼體的工藝難點(diǎn)分析及措施

4.1 機(jī)加工藝難點(diǎn)分析及措施

分動(dòng)器殼體為前后結(jié)構(gòu)，通過(guò)定位銷定位，前后殼體軸承孔的同軸度對(duì)總成耐久及噪音有很大影響，產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)殼體主軸承安裝孔的尺寸和位置精度提出很高要求。

鋁合金材料中存在著一種軟的可塑的金屬機(jī)體，機(jī)體中摻有硬而脆的顆粒，這些顆粒提高了工件材料的強(qiáng)度，切削時(shí)起到斷屑的作用，但隔熱卻引起了刀具的加速磨損，合理地確定刀具的技術(shù)參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量至關(guān)重要。另外，鋁合金材料的機(jī)械加工在一定的切削條件下易形成積屑瘤，會(huì)嚴(yán)重影響其加工的表面質(zhì)量，故而在加工中我們根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)配備了專用刀具，并選擇了合適的切削參數(shù)。

針對(duì)殼體外形的不規(guī)則，加工中我們選擇了日本三菱臥式加工中心進(jìn)行切削加工，為了減少殼體在加工中的振動(dòng)，我們?cè)O(shè)計(jì)制造了專用工裝，采用傳統(tǒng)的一面兩銷定位方法，裝夾上使其支點(diǎn)盡可能接近加工表面，同時(shí)定位面與夾緊點(diǎn)盡量靠近，避免固定殼體時(shí)的變形，一次裝夾完成多序加工，以減少定位誤差，提高加工的質(zhì)量。

鋁殼體的剛度較低，切削力的作用會(huì)造成形位誤差，因而在加工時(shí)要考慮工件各部分的柔度。加工中我們采用粗加工→半精加工→精加工→精細(xì)加工，讓殼體在加工過(guò)程中釋放應(yīng)力，保證加工質(zhì)量符合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

4.2 裝配工藝及應(yīng)用難點(diǎn)分析及措施

由于一個(gè)總成中各零件的用材不可能是單一牌號(hào)的材料，不同材料的線膨脹系數(shù)是不同的，特別是輕有色金屬與黑色金屬的線膨脹系數(shù)相差較大，在汽車行駛一段時(shí)間后，各部件溫度上升，在溫度上升的同時(shí)，各零件膨脹的大小不一樣，這必然改變了我們?cè)诔叵卵b配后的狀態(tài)和要求。因此，我們?cè)谶x用鋁合金作為基材制造工件時(shí)，對(duì)與鋼件配合的部位一定要考慮線膨脹系數(shù)的不同帶來(lái)的變化，一定要控制在使用允許的范圍內(nèi)，才不至于因其而造成失效或喪失其功能。

通過(guò)對(duì)分動(dòng)器總成結(jié)構(gòu)的分析，殼體上定位主、被動(dòng)齒輪的軸承安裝孔是必須嚴(yán)格控制的，而控制的尺寸主要是其直徑，也就是必須保證在工件最高溫度下仍保持有一定的過(guò)盈量而不至于使軸承松動(dòng)而失效，其余部位可以不考慮（因?yàn)槠渚€膨脹帶來(lái)的微小變化不會(huì)超出其允許的范圍）。要使殼體上的軸承安裝孔在最高溫度下與軸承外圈保持一定的過(guò)盈量就必須選定在常溫下（20℃）其安裝的過(guò)盈量。常溫下安裝的過(guò)盈量若選擇過(guò)小，同一溫度下名義值相同的直徑，殼體的安裝孔膨脹量大于軸承外圓的膨脹量，若其差值大于實(shí)際過(guò)盈量就會(huì)出現(xiàn)間隙，軸承就會(huì)松動(dòng)，這樣就會(huì)影響軸承的性能和壽命。若過(guò)盈量選擇過(guò)大，就會(huì)給裝配帶來(lái)困難或?qū)崿F(xiàn)不了。

以分動(dòng)器殼體φ80的軸承孔軸配合為例：

理論上殼體鋁合金的平均線膨脹系數(shù)為22.6x10-6/℃.（20 ℃～100 ℃）；軸承材料鉻鋼的平均線膨脹系數(shù)為 11.2x10-6/℃.（20℃～100℃），見(jiàn)表 5。

表5 殼體孔和軸承外圈以及直徑的變化值

這也就是說(shuō)會(huì)造成安裝孔與軸承外圈有0.054 72 mm的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮排除此因素方可保證軸承使用可靠。

實(shí)際上，由于殼體軸承孔處形狀比較復(fù)雜，壁厚也不均勻，其膨脹不一定完全符合理論上的狀況。為此，我們做了如下試驗(yàn)：將兩件在常溫下測(cè)量好的鋁合金殼體及一件軸承放在加熱恒溫箱中加熱至80℃、100℃、120℃三種溫度下分別測(cè)量其φ80軸承安裝孔及軸承的實(shí)際尺寸。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)下表6。

表6 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，殼體上軸承安裝孔實(shí)際膨脹量只有理論上的二分之一，而軸承的實(shí)際膨脹量幾乎和理論上相等，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明由于殼體的軸承孔周圍是不規(guī)則的形狀，壁厚也不一致，其膨脹不完全符合線性關(guān)系，而軸承的外圈是規(guī)則的型面，壁厚均勻，其膨脹符合線性關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選定其配合關(guān)系。

以上試驗(yàn)工作在其它車型類似的總成上試驗(yàn)過(guò)，且有幾輛車經(jīng)過(guò)三萬(wàn)公里的路試還未發(fā)現(xiàn)有軸承松動(dòng)的故障。因此，該配合是可靠的。

為滿足裝配，采取熱裝工藝。即將殼體放入熱恒溫箱中，加熱至120℃溫度并保溫20分鐘，配合一定的工裝及壓力機(jī)，將軸承（或軸承外圈）壓裝到要求部位。通過(guò)該工藝可解決過(guò)盈量較大給裝配帶來(lái)的困難。

隨著各種先進(jìn)的工藝和產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，我們認(rèn)為在解決此問(wèn)題時(shí)選擇合理的配合關(guān)系不失為一種可行的手段，但不是唯一的手段。比如在鋁合金基體上噴涂一種穩(wěn)定的材料或鑲嵌一種復(fù)合材料完全可以把因膨脹不同帶來(lái)的間隙控制在最小或允許的范圍內(nèi)，這方面國(guó)內(nèi)外有資料介紹，但因工藝的復(fù)雜性和穩(wěn)定性以及設(shè)備的專用性要求都非常嚴(yán)格，要得到廣泛的應(yīng)用需不斷地探索和試驗(yàn)。為此，我們也在密切關(guān)注這些先進(jìn)工藝的推廣和應(yīng)用，以便在今后的大批量生產(chǎn)中探討實(shí)施的可能性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)結(jié)果：輸入軸的破壞扭矩28 860 Nm，中間軸高擋齒輪一齒斷裂，見(jiàn)圖6。

臺(tái)架靜扭試驗(yàn)結(jié)果：強(qiáng)度后備系數(shù)為2.41，按照QC/T291-1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)已經(jīng)非常接近指標(biāo)要求的2.5，而且殼體在試驗(yàn)中沒(méi)有損壞。結(jié)合修正后的CAE分析結(jié)果，改進(jìn)后的殼體強(qiáng)度后備系數(shù)達(dá)到2.83，大于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的2.5，因此，基本認(rèn)定改進(jìn)后的殼體滿足設(shè)計(jì)要求。

整車試驗(yàn)結(jié)果：樣車完成5 000 km的可靠性試驗(yàn)考核，完成了越野路試驗(yàn)、600mm垂直越障等惡劣試驗(yàn)項(xiàng)目，分動(dòng)器總成未出現(xiàn)任何故障。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)鋁合金殼體進(jìn)行的設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)基本達(dá)到預(yù)期效果。

6 小結(jié)

本文從分動(dòng)器殼體失效分析出發(fā)，重點(diǎn)分析了高強(qiáng)度鋁合金ZL201A的鑄造工藝性、機(jī)加工藝性，制定了提高鑄件質(zhì)量和加工質(zhì)量的具體措施；在殼體加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中與CAE分析手段互動(dòng)，進(jìn)行強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化；同時(shí)利用第一輪的試驗(yàn)結(jié)果修正改進(jìn)前殼體的CAE計(jì)算結(jié)果，對(duì)改進(jìn)后殼體的CAE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估的結(jié)果及隨后的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均表明，上述改進(jìn)措施切實(shí)有效。

總成重量（與QT450比）由250 kg降至205 kg,減重達(dá)21%,輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成。

輸入扭矩超過(guò)10 000 Nm的分動(dòng)器總成采用鋁合金作為殼體材料，在國(guó)內(nèi)還是首次，本項(xiàng)目階段性的成果，可以為鋁合金材料在國(guó)內(nèi)分動(dòng)器或其他齒輪箱領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考。

總成再次試制后重新進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，靜扭臺(tái)架強(qiáng)度彈簧鋼的材料的成分、工藝特性、力學(xué)特性等進(jìn)行了廣泛而深入地研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果制定的高強(qiáng)度彈簧鋼的技術(shù)條件，鋼廠根據(jù)高強(qiáng)度彈簧鋼的技術(shù)要求，對(duì)生產(chǎn)工藝做了必要的改進(jìn)，生產(chǎn)出了能夠滿足使用要求的高強(qiáng)度彈簧鋼。板簧企業(yè)通過(guò)大量的產(chǎn)品工藝試驗(yàn)后，已經(jīng)掌握了高強(qiáng)度彈簧鋼的技術(shù)特點(diǎn)，并能夠利用高強(qiáng)度彈簧鋼的技術(shù)優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)開發(fā)輕量化的鋼板彈簧產(chǎn)品。目前，采用高強(qiáng)度彈簧鋼生產(chǎn)的高應(yīng)力板簧，不僅產(chǎn)品性能大大提高了，臺(tái)架試驗(yàn)（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T19844）次數(shù)一般都在20萬(wàn)次以上，是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求次數(shù)的2.5倍以上，臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)表明，產(chǎn)品的可靠性也大大地提高了。國(guó)內(nèi)板簧企業(yè)參與了多個(gè)歐洲引進(jìn)車型的國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目，加上在客車行業(yè)推廣應(yīng)用高應(yīng)力板簧技術(shù)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)板簧企業(yè)已經(jīng)具備自主開發(fā)高應(yīng)力輕量化鋼板彈簧的能力，并且具備了批量的制造能力，能夠滿足我國(guó)汽車技術(shù)發(fā)展的需要。

［1］ 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京： 清華大學(xué)出版社，2001.