高强度铝合金材料在主减速器壳上的应用

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地减轻汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，一些轻量化新材料应运而生，如高强度铸造铝合金的合金材料，添加Cu、Si、Mg、Mn、Ni、Zn、Fe、Co、La等元素，以获得强硬度、强耐磨性和抗冲击能力等综合性能。高强度铝合金代替普通铝合金、铸铁、粉冶类汽车零部件，如壳体类、盘套类、卡钳类等。

本文介绍了驱动桥主减速器壳用某种超高强度铝合金材料代替铸件QT450-10材料（简称QT450-10）的优化设计及CAE分析，在减轻产品质量，实现产品轻量化同时，保证了产品具有更可靠的性能。

超高强度铝合金材料

与某新材料公司合作，在普通铝合金加入特定元素材料，经过低压铸造和多级TX热处理后能获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能，该材料代号简称为HQT20。HQT20材料成分质量百分比为：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。该材料经过多级TX热处理性能：硬度为HBW200，抗拉强度为650-700MPa，屈服强度580-600 MPa。而普通铸造硬度HBW150-160，抗拉强度为530 MPa，屈服强度450-480MPa。

HQT20开发意义可替代普通铝合金材料、铸铁、粉冶类机车零部件，实现轻量化；可替代高速旋转类、摩擦副和啮合类钢铁零部件，实现轻量化；提升常规高强铝合金盘套类和壳体类零部件强硬度、耐磨性和抗冲击能力，用于制造超高强民用、大工业和军用特殊轻量化零部件，大幅度降低成本，创新材料技术服务国民。

主减速器壳轻量化设计

目前大部分主減速器壳体通常采用球墨铸铁或球墨铸钢为材料，在减轻质量和简化工艺之间没有形成最优化的方案，造成旧结构减速器壳体质量过大，影响驱动桥总成整体质量和整车自重，以至于増加了车辆的油耗，或则在相同油耗的情况下降低了车辆的运载能力。另主减速器壳在驱动桥中主要作用为支撑，主动齿轮轴承和差速器轴承都直接支撑在主减速器壳上，支撑刚度大，有利于齿轮的正确啮合，减小NVH噪声。

1.HQT20和QT450-10的CAE刚度对比分析

选择一种悬臂式的主减速器壳，建立主减速器总成的数学模型，进行有限元模型的约束，再进行驱动桥齿轮疲劳试验条件下的对比。

对比条件为：按《QC/T 533-2020商用车驱动桥总成》标准中的第5.9条中的《齿轮弯曲疲劳试验》，在相同的试验扭矩下，从动齿轮（Wheel）、主动齿轮（Pinion）和总变量（Totall）的刚度变量。

评价标准：HQT20相对QT450-10的主减壳刚性偏差接近5%时，可视为达到设计目标。

CAE刚度分析结果：QT450-10与AL20两组数据对比分析的变量差△L1见表1，其中有4组数据被“【】”标识，不在被接收标准变差标准值内，需要进行设计优化结构。△L1计算过程如式（1）

2.优化结构

根据对比刚度变量值，可以发现轴承装配位置变量最大。为了加强轴承安装位置的刚度要求，两侧油道各增加一条加强筋（见图1），两个差速器轴承孔内侧各增加4条加强筋（见图2）。

图1 优化结构一

图2 优化结构二

再对优化后的AL20主减速器壳进行CAE刚度测试，对其使用同样方法对比，进一步数据分析，两组数据对比分析的变量差△L2，见表2，△L2计算过程如式（2），各点的变量都已达到了小于5%，满足设计目标要求。

3.台架试验验证

按照优化后的主减壳开发，材料为HQT20进行样件试制，装配3台桥总成，再进行台架试验，进一步验证HQT20材料和优化设计的可靠性。台架试验验证标准同《齿轮弯曲疲劳试验》，台架试验（见图3），试验结果是主减壳和齿轮未破坏，满足设计标准要求。

图3 台架试验

轻量化

新开发出来材料为HQT20主減速器壳，实际称重为8.3kg，原设计QT450-10主減速器壳实际称重为18.5 kg，减轻质量为10.2kg，主減速器壳质量降低55%。有研究数字显示，汽车质量降低10%，油耗可降低约7%，汽车整重每减少100 kg，每100km油耗可减低0.3～0.6L，CO2排放可减少约5g/kg。主减速器壳只是汽车零部件中的一个小零件，能够减少10 kg是个相当可观的数值。