高強度鋁合金材料在主減速器殼上的應用

黃衛琴 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450-480 MPa。

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。△L1計算過程如式（1）

表1 QT450-10和HQT20剛度變量值對比表（優化前）

2.優化結構

根據對比剛度變量值，可以發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（見圖1），兩個差速器軸承孔內側各增加4條加強筋（見圖2）。

圖1 優化結構一

圖2 優化結構二

再對優化后的AL20主減速器殼進行CAE剛度測試，對其使用同樣方法對比，進一步數據分析，兩組數據對比分析的變量差△L2，見表2，△L2計算過程如式（2），各點的變量都已達到了小于5%，滿足設計目標要求。

表2 QT450-10和HQT20剛度變量值對比表（優化后）

3.臺架試驗驗證

按照優化后的主減殼開發，材料為HQT20進行樣件試制，裝配3臺橋總成，再進行臺架試驗，進一步驗證HQT20材料和優化設計的可靠性。臺架試驗驗證標準同《齒輪彎曲疲勞試驗》，臺架試驗（見圖3），試驗結果是主減殼和齒輪未破壞，滿足設計標準要求。

圖3 臺架試驗

輕量化

新開發出來材料為HQT20主減速器殼，實際稱重為8.3kg，原設計QT450-10主減速器殼實際稱重為18.5 kg，減輕質量為10.2kg，主減速器殼質量降低55%。有研究數字顯示，汽車質量降低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小零件，能夠減少10 kg是個相當可觀的數值。

結語

本文通過在主減速器殼上運用高強度鋁合金材料HQT20和普通鑄鐵材料QT450-10的CAE剛度對比分析，再進行了優化設計，前后的仿真分析和實際臺架試驗對比，證明新HQT20材料運用的可行性，減輕了主減速器殼質量，實現汽車零部件輕量化的設計。