新能源汽車傳動系統的輕量化設計與典型應用

■上海汽車變速器有限公司 （上海 201807） 費寧忠

高級工程師 費寧忠

汽車輕量化之所以成為推動汽車行業發展的滾滾洪流，是與現代社會對環保節能的迫切需求緊密結合在一起的。美國政府以法規形式規定2017—2025新款車型的燃油經濟性必須比2012年的水平提升近一倍，而歐洲汽車制造協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GB19578—2014《乘用車燃料消耗量限值》（第四階段油耗法規）強制性國家標準規定，2015—2020年，乘用車企業的平均油耗目標分別為每百公里6.9L、6.7L、6.4L、6.0L、5.5L和5.0L。為實現這一目標，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量是實現環保節能目標的關鍵路徑之一。根據Renault S.A.（雷諾）的一項研究表明，每減少10%的整車質量，可對排放減少做出5%的貢獻，最新的研究則認為可以達到6%～8%的貢獻。作為汽車傳動系統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現整車輕量化的重要環節。

在汽車輕量化研究工作的基礎上，目前行業已經對輕量化的技術路徑達成了共識，即汽車輕量化需要通過結構、材料和工藝三個方面得到實現。

1. 傳動系統的輕量化設計

（1）輕量化布局 要實現變速器的輕量化，布局設計起著舉足輕重的作用。相同承載扭矩的變速器，由于結構的不同，空間布置大不相同，總成質量偏差可達到25%以上。不同結構布局其空間布置、質量及開發難度的對比如圖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的輕量化。

圖1 不同布局對照

（2）集成化設計 要實現變速器的輕量化，首先想到零部件數量的減少。而集成化設計是減少零部件數量的最佳手段之一。

1）換擋塔，換擋塔是把很多換擋相關零件通過焊接、鉚接及壓裝等方式集成到一起，組成一個部件（見圖2）。集成優化后，零件數量從原來的28個減少到19個。這樣，既實現了所有的換擋功能，又簡化了零件結構，減少了數量，從而達到輕量化目的。

2）高度集成的結構設計，GKN最新電驅動橋(e-Drive) 技術的生產，將電動機、逆變器和e-Axle減速箱置于同一封裝空間，如圖3所示。經過優化的電動軸驅動系統已裝備于小型汽車，采用輕量化設計的傳動部件實現了12.5:1的傳動比，該設計可適應更高的電動機轉速。該系統可提供高達2 000N·m的轉矩和70kW的功率，足以使車輛在純電動模式下達到125km/h的最高速度。

圖2 換擋塔總成

3）整體式結合齒齒輪，整體式結合齒將結合齒齒輪與斜/直 齒傳動齒輪合二為一，（見圖4）。該結構的主要優點是：零件數量少，合二為一；強度高、可靠性好，可徹底杜絕焊接過程中出現的虛焊、脫焊現象，產品安全性高；花鍵齒部是擠壓成形，金屬流線未被切斷，機械強度提高，耐磨性提高；能夠減小傳動軸長度，零件總成質量輕，具有結構緊湊、靈活可靠的優點。

（3）零件結構 這部分從空心軸設計、減重齒輪及薄壁殼體三個方面進行說明。

1）空心軸設計，空心軸的采用，相當于從軸的中心抽出了一條細軸，可以顯著降低變速器軸的質量。尤其是旋鍛或溫鍛熱成型技術成熟后，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，實現了零件結構輕量化的目的。

圖3 GKN e-Drive

圖4 整體式結合齒齒輪

2）減重齒輪，隨著有限元分析能力和試驗測試能力的提升，齒輪的強度計算越來越精確。這使得直徑大的齒輪在幅板上實現精確減重成為可能。如圖6所示為三種不同成型方式實現齒輪減重的案例。a齒輪為在幅板上鉆孔實現減重，b齒輪通過拓撲優化后，以鍛造方式實現輪輻板的等強度減重結構，c齒輪是經過模態分析后，在輪輻輻板上銑削方孔實現大幅減重。

3）薄壁殼體，拓撲優化能給出殼體設計質量最輕、強度最高的優化方向。如圖7所示，應用有限元軟件對殼體進行約束和加載，然后進行拓撲優化，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，實現殼體整體的輕量化。

梳理人物關系 薛老師先讓學生找人物，喬依是這篇《愛之鏈》小說當中的一個主人公，這篇小說，除了喬依，還有哪些人物？學生很快找到了老婦人和女店主。薛老師接著讓學生理人物關系，學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質量無疑是最為直接和見效的輕量化技術之一。輕量化材料目前主要集中在兩大方向：一是低密度的輕質材料，如鋁合金、鎂合金、工程塑料和復合材料等，另一則是高強度鋼材，通過高強度的薄壁鋼材代替低強度的厚鋼材，如高強度鋼和超高強度鋼等。

圖5 空心軸

圖6 齒輪減重結構

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，導熱性比鐵高3倍，機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，適宜于制造薄壁復雜結構鑄件。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材料。

目前全球每輛轎車的鋁合金平均用量超過150kg，預計在2020年將達到180kg。目前鋁合金材料的應用主要集中在車身、底盤、發動機和車輪4個系統，涉及的零件包括：車身結構件、車身覆蓋件、車門、底盤支架、發動機缸體缸蓋及輪轂等。如圖8所示為目前上海交大開發的某新型鋁合金材料JDA1，該材料相較于傳統鋁合金材料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并沒有得到大規模應用，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量龐大的中低端車型拓展。②鋁合金的連接技術，尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術也是鋁合金在汽車上應用受阻的一大因素。③鋁合金材料還必須進一步解決耐腐蝕的表面涂覆技術問題。

圖8 JDA1與AlSi9Cu3對照數據

（2）粉末冶金 粉末冶金成形技術，適用于復雜結構零件的成形，隨著粉末冶金技術的進步，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，也是變速器實現輕量化的手段之一，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，重量只相當于原鋼材重量的1/7。

3. CAE在輕量化設計中的應用

計算機輔助工程C A E（Computer Aided Engineering）技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術，它的理論基礎是有限元法和數值分析方法。

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的求解區域離散為一組有限個、且按一定方式相互連結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雜的求解域。數值分析方法是研究適合于在計算機上使用的實際可行、理論可靠、計算復雜性好的數值計算方法，近40年來，數值分析迅速發展并成為數學科學中的一個獨立學科。

在現代汽車工業中，CAE 技術在汽車設計中得到了廣泛的應用，運用CAE 技術可以實現汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。

利用C A E 技術，結合有限元法與結構優化方法，對零部件進行結構優化，是實現零部件輕量化的一個重要研究方向。結構優化通常包括截面優化、幾何優化、拓撲優化及結構類型優化幾個層次。

（1）結構優化 在某空心軸零件設計過程中，該零件的成型工藝設計時采用了D e f o r m進行模擬仿真，通過將三維模型導入Deform中，分析成型過程中材料的流動情況，從而對工藝進行不斷地改進。D e f o r m的理論基礎是經過修訂的拉格朗日定理，屬于剛塑性有限元法。其單元類型是經過特殊處理的四面體，四面體比六面體單元容易實現網格劃分，當變形量超過設定值時可自動進行網格劃分。其適用于材料流動、模具填充、鍛造負荷及模具應力的分析。

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，進而修改鍛坯成型過程中的結構。圖12為各工位成型時鍛坯表面不同位置所受的不同應力，顏色越亮即表明此處應力越大。通過有限元成型過程分析，可以對不合理的零件結構進行更改，使得成型過程穩定可靠，最終滿足結構優化的目的。

圖11 Deform各工位成型

圖12 Deform各工位鍛件應力

（2）拓撲優化結構 拓撲優化的基本思路是將尋求結構的最優拓撲問題轉化為在給定區域內尋求最優材料分布問題，對于連續體結構拓撲優化，拓撲優化中常用的拓撲表達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）、變厚度法及拓撲函數描述方法。

在變速器產品設計階段，根據內部齒軸傳動系統、換擋系統、駐車裝置、液壓控制系統及離合器系統等分總成的包絡空間以及發動機艙的外圍布置空間，在符合鑄造工藝性、機加工工藝性、裝配工藝性等要求的前提下，初步包絡出變速器殼體的最小本體3D模型，即為非設計區域。然后根據殼體系統內外部設計空間的布置和殼體方案的鑄造分型，定義出與非設計區域完全擬合的設計區域。

為獲得較好的優化結果，利用HyperMesh及SimLab等前處理軟件，對上述設計區域和非設計區域劃分大小為3m m的四面體網格，加強筋等過渡特征精細化處理，單元類型選擇二階CTETRA，網格規模約193萬。由于模型規模較大，無法再對模型劃分更精細的網格，在后期優化過程中會出現較大的塊狀材料堆積，影響優化精度。在對設計區域和非設計區域擬合面進行處理過程中必須保證擬合面上的兩邊節點一一對應，且物理ID絕對一致，否則不能進行優化仿真。網格模型如圖13所示。

圖13 殼體有限元網格模型

根據經驗，取單元密度罰值為0.3，即去除單元密度小于0.3的設計區域，得到單元密度云圖，如圖14所示。

圖14 殼體拓撲優化結果

4. 結語

綜上所述，隨著技術和工業水平的進步，新能源汽車傳動系統輕量化的實現思路越來越靈活。巧妙的結構布局，先進的系統匹配技術和集成化設計思路應對變速器，特別是新能源汽車傳動系統的輕量化起到了舉足輕重的作用。同時，在潤滑油量的設計及零件結構設計、零件材料選用等方面都有很多輕量化的可能性，需要設計人員去思考、去嘗試。在上述思路的基礎上，不斷探索，不斷創新，必將設計開發出輕量化水平更高的系列產品。