汽車傳動(dòng)系統(tǒng)輕量化的關(guān)鍵點(diǎn)有哪些

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的迫切需求，使得汽車輕量化成為推動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的滾滾洪流，作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分的變速器，質(zhì)量約占整車質(zhì)量的2%～4%，所以變速器的輕量化也是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的重要環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)和工業(yè)水平的進(jìn)步，新能源汽車傳動(dòng)系統(tǒng)輕量化的實(shí)現(xiàn)思路越來(lái)越靈活，全文通過(guò)理論并結(jié)合實(shí)例，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料和工藝三個(gè)方面的輕量化實(shí)現(xiàn)方式展開論述。汽車輕量化之所以成為推動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的滾滾洪流，是與現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的迫切需求緊密結(jié)合在一起的。美國(guó)政府以法規(guī)形式規(guī)定2017—2025新款車型的燃油經(jīng)濟(jì)性必須比2012年的水平提升近一倍，而歐洲汽車制造協(xié)會(huì)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(guó)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(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，2015—2020年，乘用車企業(yè)的平均油耗目標(biāo)分別為每百公里6.9L、6.7L、6.4L、6.0L、5.5L和5.0L。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(zhì)量是實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵路徑之一。根據(jù)RenaultS.A.（雷諾）的一項(xiàng)研究表明，每減少10%的整車質(zhì)量，可對(duì)排放減少做出5%的貢獻(xiàn)，最新的研究則認(rèn)為可以達(dá)到6%～8%的貢獻(xiàn)。作為汽車傳動(dòng)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(shí)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(chǔ)上，目前行業(yè)已經(jīng)對(duì)輕量化的技術(shù)路徑達(dá)成了共識(shí)，即汽車輕量化需要通過(guò)結(jié)構(gòu)、材料和工藝三個(gè)方面得到實(shí)現(xiàn)。1.傳動(dòng)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)（1）輕量化布局。要實(shí)現(xiàn)變速器的輕量化，布局設(shè)計(jì)起著舉足輕重的作用。相同承載扭矩的變速器，由于結(jié)構(gòu)的不同，空間布置大不相同，總成質(zhì)量偏差可達(dá)到25%以上。不同結(jié)構(gòu)布局其空間布置、質(zhì)量及開發(fā)難度的對(duì)比如圖1所示。圖1不同布局對(duì)照通過(guò)分析可知，在變速器總長(zhǎng)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(dòng)系統(tǒng)的輕量化。（2）集成化設(shè)計(jì)。要實(shí)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(shè)計(jì)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(guān)零件通過(guò)焊接、鉚接及壓裝等方式集成到一起，組成一個(gè)部件（見圖2）。集成優(yōu)化后，零件數(shù)量從原來(lái)的28個(gè)減少到19個(gè)。這樣，既實(shí)現(xiàn)了所有的換擋功能，又簡(jiǎn)化了零件結(jié)構(gòu)，減少了數(shù)量，從而達(dá)到輕量化目的。圖2換擋塔總成2）高度集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，GKN最新電驅(qū)動(dòng)橋(e-Drive)技術(shù)的生產(chǎn)，將電動(dòng)機(jī)、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(guò)優(yōu)化的電動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已裝備于小型汽車，采用輕量化設(shè)計(jì)的傳動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)了12.5:1的傳動(dòng)比，該設(shè)計(jì)可適應(yīng)更高的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)可提供高達(dá)2000N·m的轉(zhuǎn)矩和70kW的功率，足以使車輛在純電動(dòng)模式下達(dá)到125km/h的最高速度。圖3GKNe-Drive3）整體式結(jié)合齒齒輪，整體式結(jié)合齒將結(jié)合齒齒輪與斜/直齒傳動(dòng)齒輪合二為一，（見圖4）。該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：零件數(shù)量少，合二為一；強(qiáng)度高、可靠性好，可徹底杜絕焊接過(guò)程中出現(xiàn)的虛焊、脫焊現(xiàn)象，產(chǎn)品安全性高；花鍵齒部是擠壓成形，金屬流線未被切斷，機(jī)械強(qiáng)度提高，耐磨性提高；能夠減小傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，零件總成質(zhì)量輕，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可靠的優(yōu)點(diǎn)。圖4整體式結(jié)合齒齒輪（3）零件結(jié)構(gòu)。這部分從空心軸設(shè)計(jì)、減重齒輪及薄壁殼體三個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明。1）空心軸設(shè)計(jì)，空心軸的采用，相當(dāng)于從軸的中心抽出了一條細(xì)軸，可以顯著降低變速器軸的質(zhì)量。尤其是旋鍛或溫鍛熱成型技術(shù)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(shù)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(shí)現(xiàn)了零件結(jié)構(gòu)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(yàn)測(cè)試能力的提升，齒輪的強(qiáng)度計(jì)算越來(lái)越精確。這使得直徑大的齒輪在幅板上實(shí)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(shí)現(xiàn)齒輪減重的案例。a齒輪為在幅板上鉆孔實(shí)現(xiàn)減重，b齒輪通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后，以鍛造方式實(shí)現(xiàn)輪輻板的等強(qiáng)度減重結(jié)構(gòu)，c齒輪是經(jīng)過(guò)模態(tài)分析后，在輪輻輻板上銑削方孔實(shí)現(xiàn)大幅減重。圖6齒輪減重結(jié)構(gòu)3）薄壁殼體，拓?fù)鋬?yōu)化能給出殼體設(shè)計(jì)質(zhì)量最輕、強(qiáng)度最高的優(yōu)化方向。如圖7所示，應(yīng)用有限元軟件對(duì)殼體進(jìn)行約束和加載，然后進(jìn)行拓?fù)鋬?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(qiáng)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(shí)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(guò)材料來(lái)減輕傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量無(wú)疑是最為直接和見效的輕量化技術(shù)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(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、工程塑料和復(fù)合材料等，另一則是高強(qiáng)度鋼材，通過(guò)高強(qiáng)度的薄壁鋼材代替低強(qiáng)度的厚鋼材，如高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)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(yīng)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(dǎo)熱性比鐵高3倍，機(jī)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(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件。鋁材的吸能性也異常突出，對(duì)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(jià)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(guò)150kg，預(yù)計(jì)在2020年將達(dá)到180kg。目前鋁合金材料的應(yīng)用主要集中在車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪4個(gè)系統(tǒng)，涉及的零件包括：車身結(jié)構(gòu)件、車身覆蓋件、車門、底盤支架、發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(yīng)用，主要原因是：①居高不下的價(jià)格成本使其更局限于高端車型而無(wú)法向數(shù)量龐大的中低端車型拓展。②鋁合金的連接技術(shù)，尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術(shù)也是鋁合金在汽車上應(yīng)用受阻的一大因素。③鋁合金材料還必須進(jìn)一步解決耐腐蝕的表面涂覆技術(shù)問(wèn)題。（2）粉末冶金。粉末冶金成形技術(shù)，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，隨著粉末冶金技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的鋼件可用粉末冶金材料來(lái)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(zhì)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(shí)現(xiàn)輕量化的手段之一，對(duì)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(yīng)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(dāng)于原鋼材重量的1/7。圖10尼龍零件3.CAE在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（ComputerAidedEngineering）技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，它的理論基礎(chǔ)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(gè)、且按一定方式相互連結(jié)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(fù)雜的求解域。數(shù)值分析方法是研究適合于在計(jì)算機(jī)上使用的實(shí)際可行、理論可靠、計(jì)算復(fù)雜性好的數(shù)值計(jì)算方法，近40年來(lái)，數(shù)值分析迅速發(fā)展并成為數(shù)學(xué)科學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立學(xué)科。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用CAE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)、制造。輕量化的手段之一就是對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)、整體化和輕質(zhì)化。利用CAE技術(shù)，結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)零部件輕量化的一個(gè)重要研究方向。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常包括截面優(yōu)化、幾何優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化及結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化幾個(gè)層次。（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在某空心軸零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，該零件的成型工藝設(shè)計(jì)時(shí)采用了Deform進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)將三維模型導(dǎo)入Deform中，分析成型過(guò)程中材料的流動(dòng)情況，從而對(duì)工藝進(jìn)行不斷地改進(jìn)。Deform的理論基礎(chǔ)是經(jīng)過(guò)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(guò)特殊處理的四面體，四面體比六面體單元容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分，當(dāng)變形量超過(guò)設(shè)定值時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其適用于材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負(fù)荷及模具應(yīng)力的分析。圖11為Deform模擬各工位成型情況，通過(guò)模擬可以分析獲得材料大致流動(dòng)方向、成型過(guò)程、成型噸位等信息。通過(guò)分析材料先后填充順序，進(jìn)而修改鍛坯成型過(guò)程中的結(jié)構(gòu)。圖12為各工位成型時(shí)鍛坯表面不同位置所受的不同應(yīng)力，顏色越亮即表明此處應(yīng)力越大。通過(guò)有限元成型過(guò)程分析，可以對(duì)不合理的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，使得成型過(guò)程穩(wěn)定可靠，最終滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。圖11Deform各工位成型圖12Deform各工位鍛件應(yīng)力（2）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化的基本思路是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布問(wèn)題，對(duì)于連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化中常用的拓?fù)浔磉_(dá)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?fù)浜瘮?shù)描述方法。在變速器產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，根據(jù)內(nèi)部齒軸傳動(dòng)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(luò)空間以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙的外圍布置空間，在符合鑄造工藝性、機(jī)加工工藝性、裝配工藝性等要求的前提下，初步包絡(luò)出變速器殼體的最小本體3D模型，即為非設(shè)計(jì)區(qū)域。然后根據(jù)殼體系統(tǒng)內(nèi)外部設(shè)計(jì)空間的布置和殼體方案的鑄造分型，定義出與非設(shè)計(jì)區(qū)域完全擬合的設(shè)計(jì)區(qū)域。為獲得較好的優(yōu)化結(jié)果，利用HyperMesh及SimLab等前處理軟件，對(duì)上述設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域劃分大小為3mm的四面體網(wǎng)格，加強(qiáng)筋等過(guò)渡特征精細(xì)化處理，單元類型選擇二階CTETRA，網(wǎng)格規(guī)模約193萬(wàn)。由于模型規(guī)模較大，無(wú)法再對(duì)模型劃分更精細(xì)的網(wǎng)格，在后期優(yōu)化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大的塊狀材料堆積，影響優(yōu)化精度。在對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域擬合面進(jìn)行處理過(guò)程中必須保證擬合面上的兩邊節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，且物理ID絕對(duì)一致，否則不能進(jìn)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(yàn)，取單元密度罰值為0.3，即去除單元密度小于0