分享 | 锻造工艺在汽车轻量化中的应用

2020/10/09

随着锻造技术的快速发展,材料流动性能模拟等技术使得锻造工艺能越来越多地用作复杂零件的制造。有限元(FEM)模拟技术的应用也实现了零部件锻造过程中的工艺协调控制,为其在汽车产品的轻量化应用中提供了更多可能。


发动机系统的轻量化

对于分轴式混合动力车,发动机系统的连杆一般由微合金钢3MnVS3制成,其抗拉强度为850MPa。目前,市场上也有应用新型微合金钢,抗拉强度可达到1160MPa,减少了轴的横截面,实现减重51克,但安全系数方面还有待提升。

凸轮轴一般是由铸铁材料制成的实心轴,Tekfor提出了锻造凸轮的轻量化方案,即采用内高压成形的管件作为凸轮轴,可有效实现减重400%。但其强度和耐磨性还有待进一步验证。

曲轴方面,可采用高强钢、微合金钢、贝氏体钢等替代传统材料。同时,锻造后不需要任何额外的热处理,钢硫含量低,使用寿命更长。

此外,发动机系统的轻量化设计、制造方案也在不断被研究和开发。Hatebur提出了从各个零件面构建曲轴,这样可以很容易地实现锻造。舒勒扩展了这一理念,提出通过收缩配合连接零件。Trumpf更进一步,建议使用空心轴颈,然后通过激光焊接与各个锻造零件连接。


变速器和动力总成轻量化

转子轴的两种设计方案如图2。空心轴需要通过压力连接在相关部件上,因此一般需要较大的壁厚。新的轻量化方案旨在通过增大轴承弯曲扭矩,较大的直径设计,从而实现整体质量的降低。

对于半轴外侧的万向节,采用50CrMnB5-3(H50)1.7136钢锻造的轻量化设计,如图2。通过温热锻造产生的芯层强度高于感应淬火碳钢,可改善表面的承载能力。传动轴的输出端与半轴的连接法兰通过锻造工艺和更深的空腔设计可实现10%的减重,同时可以经济高效地生产。恒速驱动轴的内侧和外侧之间的连接通过实心轴实现,半轴通过模锻管制成中空结构。


电动后桥的轻量化

该应用领域提到的第一个轻量化方案是将差速器中的四个锥齿增加到六个,如图3所示。这样齿轮侧面的扭矩传递分布可获得2倍效果,并且整个系统可以设计得更小。

输入齿轮固定在差速器壳体的外侧,德西福格(Hirschvogel)提出的方案实现了在扭矩传递到牙齿较少的区域中牙根下面的材料节省。此外,通过在锻造过程中穿孔,产生轮廓钻孔,也可实现安装孔之间减轻重量。这里与连杆一样,采用提高淬透性的,且具有成本效益的表面硬化钢16MnCrV7-7(H2)1.8195,可以通过更高的齿轮强度进一步提高齿轮的承载能力。对于齿轮部件,Daido推荐使用其DCDG钢,其表现出高达40%的凹坑强度和20%的齿根疲劳强度,从而允许更小和更轻的尺寸。Timken Steel公司提出由ME级表面硬化钢制成的部件可承受使用超级钢时侧面上高达300 MPa的载荷。根据组件的负载状态,可以较少10%至30%的质量。输入齿轮一般使用多个螺纹紧固件连接到差速传动装置,Trumpf提出采用激光焊接,可节省1公斤的材料。

差速器连接到底盘车架的托架一般由铸铁制成,重6.56千克。Bharat Forge,Hammerwerk Fridingen,Hirschvogel和Lasco建议在这里使用更轻的材料,预计可减轻10%到20%的重量。Hirschvogel和Leiber建议改用锻造铝,这样可以实现减重30%。


底盘的轻量化


稳定杆方面,Benteler提出了变壁厚管材的轻量化方案,如图4。在高负载的弧形区域采用更大的壁厚,在低负载区域采用更薄的壁厚。通过这种负载导向设计,稳定杆可以节省1.55千克的重量。Voestalpine提出使用高强度弹簧钢制造稳定杆以实现轻量化。

阻尼器支柱轴承是包括多个连接的钢板的复杂组装部件,采用锻造铝合金可减轻约200克的重量。

Yamanaka公司提出使用空心管件替代原来的转向齿轮轴,采用空心锻造工艺实现。JFE建议在齿轮中使用高强度钢,以实现轻量化。

如图5,采用锻造铝合金制成的转向节和轮架与铸铁制成的部件具有相似的强度值,仅在锻造时进行较小的几何优化便可获得相同的刚度水平。因此,从锻造的角度来说,部件的几何优化将有利于提高质量。

后横向支柱从原来的钢板焊接变为锻造铝合金+加强元件的设计,提升了设计的灵活性。尽管杨氏模量较低,但是可以实现重量减轻,同时纵向刚度获得增加。

在轮毂方面,基于旋转对称部件的减重可从圆形外侧移除材料的轻量化思路,Cotarko建议在法兰上钻孔,也可在锻压机上进行。同时还提出了轻量化设计建议,即用轮毂的星形臂替换制动盘的连接件,不仅在整个宽度上节省了装配空间,而且还具有显着的轻量化设计潜力。


商用车的轻量化设计案例

通过上述轻量化方案的研究,采用锻造工艺对重型卡车进行了轻量化设计。包括变速器、传动轴等部件。如图6所示,轻量化设计的主要思路是在高负载区域进行高壁厚设计,在低负载区域尽量减少材料,如薄壁设计、穿孔设计等。对于重量为为10.32 kg的部件,可以实现约29%的减重。传动轴的连接法兰主要设计为旋转对称部件。从锻造的角度来看,易于去除承受较小负荷的材料区域,从而产生较轻的部件。即使在保持旋转对称的情况下,仍可以在传动区域中实现明显的重量减轻,如中间轴的设计。Linamar Seissenschmidt建议从实心轴转换为空心轴,采用管状材料型锻工艺生产中空结构。Richard Neumayer提出通过变速箱齿轮的结构优化,在轴附近实现质量节省。

Kamax通过使用内部六角形部件看到紧固件头部的轻量化潜力,这也可在装配过程中带来优势。考虑到耐氢脆等问题,使用强度等级为15.9U的高强度材料也可以显著减轻重量。如采用新日铁通的具有良好抗氢脆性的高强钢,也可以实现轻量化。综上,本研究发现该重型卡车的减重潜力高达124千克。


小结

尽管锻造是一种较为古老的金属成形技术,但随着技术的发展,其在汽车轻量化领域具有较好的前景。该工艺既适用于工业级生产,也适用于小批量的试验研究。通过材料和生产技术间的相互促进、相互合作,可实现汽车制造的轻量化发展。当然,这需要材料和锻造工艺领域的企业相互合作,共同促进。

素材来源 |网络

编辑整理及图片 | AEE汽车工程会议

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