汽車傳動系統(tǒng)輕量化的關鍵點有哪些

現(xiàn)代社會對環(huán)保節(jié)能的迫切需求，使得汽車輕量化成為推動汽車行業(yè)發(fā)展的滾滾洪流，作為汽車傳動系統(tǒng)重要組成部分的變速器，質量約占整車質量的2%～4%，所以變速器的輕量化也是實現(xiàn)整車輕量化的重要環(huán)節(jié)。隨著技術和工業(yè)水平的進步，新能源汽車傳動系統(tǒng)輕量化的實現(xiàn)思路越來越靈活，全文通過理論并結合實例，分別從結構設計優(yōu)化、材料和工藝三個方面的輕量化實現(xiàn)方式展開論述。汽車輕量化之所以成為推動汽車行業(yè)發(fā)展的滾滾洪流，是與現(xiàn)代社會對環(huán)保節(jié)能的迫切需求緊密結合在一起的。美國政府以法規(guī)形式規(guī)定2017—2025新款車型的燃油經(jīng)濟性必須比2012年的水平提升近一倍，而歐洲汽車制造協(xié)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(jù)GB19578—2014《乘用車燃料消耗量限值》（第四階段油耗法規(guī)）強制性國家標準規(guī)定，2015—2020年，乘用車企業(yè)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(xiàn)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(xiàn)環(huán)保節(jié)能目標的關鍵路徑之一。根據(jù)RenaultS.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(tǒng)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(xiàn)整車輕量化的重要環(huán)節(jié)。在汽車輕量化研究工作的基礎上，目前行業(yè)已經(jīng)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(xiàn)。1.傳動系統(tǒng)的輕量化設計（1）輕量化布局。要實現(xiàn)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(fā)難度的對比如圖1所示。圖1不同布局對照通過分析可知，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(tǒng)的輕量化。（2）集成化設計。要實現(xiàn)變速器的輕量化，首先想到零部件數(shù)量的減少。而集成化設計是減少零部件數(shù)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(yōu)化后，零件數(shù)量從原來的28個減少到19個。這樣，既實現(xiàn)了所有的換擋功能，又簡化了零件結構，減少了數(shù)量，從而達到輕量化目的。圖2換擋塔總成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(jīng)過優(yōu)化的電動軸驅動系統(tǒng)已裝備于小型汽車，采用輕量化設計的傳動部件實現(xiàn)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(tǒng)可提供高達2000N·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3GKNe-Drive3）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(yōu)點是：零件數(shù)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(xiàn)的虛焊、脫焊現(xiàn)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(yōu)點。圖4整體式結合齒齒輪（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(xiàn)了零件結構輕量化的目的。圖5空心軸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(xiàn)精確減重成為可能。如圖6所示為三種不同成型方式實現(xiàn)齒輪減重的案例。a齒輪為在幅板上鉆孔實現(xiàn)減重，b齒輪通過拓撲優(yōu)化后，以鍛造方式實現(xiàn)輪輻板的等強度減重結構，c齒輪是經(jīng)過模態(tài)分析后，在輪輻輻板上銑削方孔實現(xiàn)大幅減重。圖6齒輪減重結構3）薄壁殼體，拓撲優(yōu)化能給出殼體設計質量最輕、強度最高的優(yōu)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(yōu)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(xiàn)殼體整體的輕量化。圖7薄壁殼體2.新型材料的廣泛使用通過材料來減輕傳動系統(tǒng)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。（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(yè)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(fā)動機和車輪4個系統(tǒng)，涉及的零件包括：車身結構件、車身覆蓋件、車門、底盤支架、發(fā)動機缸體缸蓋及輪轂等。如圖8所示為目前上海交大開發(fā)的某新型鋁合金材料JDA1，該材料相較于傳統(tǒng)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。圖8JDA1與AlSi9Cu3對照數(shù)據(jù)但鋁合金在汽車行業(yè)并沒有得到大規(guī)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(shù)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。（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%。圖9粉末冶金零件（3）尼龍。尼龍材料的選用，也是變速器實現(xiàn)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。圖10尼龍零件3.CAE在輕量化設計中的應用計算機輔助工程CAE（ComputerAidedEngineering）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(shù)值分析方法。有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)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(shù)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(shù)值計算方法，近40年來，數(shù)值分析迅速發(fā)展并成為數(shù)學科學中的一個獨立學科。在現(xiàn)代汽車工業(yè)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(xiàn)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(yōu)化，實現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。利用CAE技術，結合有限元法與結構優(yōu)化方法，對零部件進行結構優(yōu)化，是實現(xiàn)零部件輕量化的一個重要研究方向。結構優(yōu)化通常包括截面優(yōu)化、幾何優(yōu)化、拓撲優(yōu)化及結構類型優(yōu)化幾個層次。（1）結構優(yōu)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Deform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。Deform的理論基礎是經(jīng)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(jīng)過特殊處理的四面體，四面體比六面體單元容易實現(xiàn)網(wǎng)格劃分，當變形量超過設定值時可自動進行網(wǎng)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(wěn)定可靠，最終滿足結構優(yōu)化的目的。圖11Deform各工位成型圖12Deform各工位鍛件應力（2）拓撲優(yōu)化結構。拓撲優(yōu)化的基本思路是將尋求結構的最優(yōu)拓撲問題轉化為在給定區(qū)域內尋求最優(yōu)材料分布問題，對于連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化，拓撲優(yōu)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（HomogenizationMethod）、密度法（如各向正交懲罰材料密度法，即SIMP，SolidIsotropicMaterialwithPenalizationModeD）、變厚度法及拓撲函數(shù)描述方法。在變速器產品設計階段，根據(jù)內部齒軸傳動系統(tǒng)、換擋系統(tǒng)、駐車裝置、液壓控制系統(tǒng)及離合器系統(tǒng)等分總成的包絡空間以及發(fā)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(qū)域。然后根據(jù)殼體系統(tǒng)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(qū)域完全擬合的設計區(qū)域。為獲得較好的優(yōu)化結果，利用HyperMesh及SimLab等前處理軟件，對上述設計區(qū)域和非設計區(qū)域劃分大小為3mm的四面體網(wǎng)格，加強筋等過渡特征精細化處理，單元類型選擇二階CTETRA，網(wǎng)格規(guī)模約193萬。由于模型規(guī)模較大，無法再對模型劃分更精細的網(wǎng)格，在后期優(yōu)化過程中會出現(xiàn)較大的塊狀材料堆積，影響優(yōu)化精度。在對設計區(qū)域和非設計區(qū)域擬合面進行處理過程中必須保證擬合面上的兩邊節(jié)點一一對應，且物理ID絕對一致，否則不能進行優(yōu)化仿真。網(wǎng)格模型如圖13所示。圖13殼體有限元網(wǎng)格模型根據(jù)經(jīng)驗，取單元密度罰值為0.3，即去除單元密度小于0