新能源汽车自动变速器壳体压铸成型技术

本文综述了新能源汽车的发展现状。针对新的传动原理，论述了新能源汽车所需的变速器的结构形式，并提出了亟待解决的三大主要问题。针对目前存在的主要问题，提出了可能的解决方案，主要为压铸工艺优化计算以减少变形和常规缺陷; 以高硅铝合金为基本体系并对合金成分进行优化以解决传统铝合金硬度较低的问题; 采用微弧氧化方法对内齿轮进行局部强化以进一步提高硬度及耐磨性，最终提高齿轮的坯料寿命。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源( 或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置) ，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。主要包括: 混合动力汽车( HEV) 、纯电动汽车( BEV，包括太阳能汽车) 、燃料电池电动汽车( FCEV) 、氢发动机汽车、其他新能源( 如高效储能器、二甲醚) 汽车等各类别产品。

目前，在能源和环保的双重压力下，新能源汽车无疑将成为整个世界未来汽车的发展方向。对于我国来说，“十二五”期间，我国新能源汽车将正式迈入产业化发展阶段: 2011 －2015 年开始进入产业化阶段，在全社会推广新能源城市客车、混合动力轿车、小型电动车。“十三五”期间即2016 －2020 年，我国将进一步普及新能源汽车、多能源混合动力车，插电式电动轿车、氢燃料电池轿车将逐步进入普通家庭。所以，根据相关规划，新能源汽车必将成为汽车行业发展的主流。

中国新能源汽车产业始于21 世纪初。2001 年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。“十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车” 战略，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化。2008 年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势。2008 年成为我国“新能源汽车元年”。2008 年1 －12 月新能源汽车的销量增长主要是乘用车的增长，1 － 12 月新能源乘用车销售899 台，同比增长117% ，而商用车的新能源车共销售1 536台，1 － 12 月同比下滑 17% 。2009 年，在密集的扶持政策出台背景下，我国新能源汽车驶入快速发展轨道。虽然新能源汽车在中国汽车市场的比重依然微乎其微，但它在中国商用车市场上的增长潜力已开始释放。2009 年1 － 11月，新能源乘用车销量同比下降 61． 96% ，至 310 辆。

2009 年 1--11 月，新能源商用车———主要是液化石油气客车、液化天然气客车、混合动力客车等———销量同比增长 178． 98% ，至 4 034 辆。相比在乘用车市场的冷遇，“新能源汽车”在中国商用车市场已开始迅猛增长。2010 年，我国正加大对新能源汽车的扶持力度，2010 年 6 月 1 日起，国家在上海、长春、深圳、杭州、合肥等5 个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。2010 年7 月，国家将十城千辆节能与新能源汽车示范推广试点城市由20 个增至25 个。新能源汽车正进入全面政策扶持阶段。

1、新能源汽车自动变速器结构形式

变速器是传统汽车和混合动力电动汽车动力传动系统的重要部件。变速器的性能对整车的动力性、经济性和 舒适性等有着重要的影响。由于新能源汽车直接或主要采用电动机驱动，其动力传动系统的关键部件—变速器结构相对于传统的燃油发动机汽车将发生重大的变化。由于电动机的低速扭矩大、工作转速范围宽的特点，原本在普通汽车上需要5 挡、6 挡的变速器，在电动车上只需要2 挡、1 挡，甚至倒车都不需要劳烦变速器帮忙，只需电动机反转即可。功能上的简化常导致结构的复杂。新能源汽车中，用于实现能量分流和综合的动力分配装置是一套行 星齿轮机构，其中行星架与发动机的输出轴相连，齿圈与电动机的转轴相连，同时也与输出齿轮相连，而太阳齿轮轴发出的动力驱动发电机发电，中间与离合器相连，动力切换时会将太阳轮锁死，使行星齿轮机构以一定的传动比工作。新能源汽车的变速器行星齿轮结构如图1 所示。

就发展趋势来看，新能源用汽车变速器呈现整体结构简单，局部结构复杂的特征。整体结构简单是指变速器已经简化为一个传动器或在动力总成中存在齿轮传动部分。局部结构复杂则是离合器壳体中须布置行星结构以实现无级变速。若实现这种局部复杂结构，则带有内齿轮的变速器壳体整体成型问题必须加以解决。就其制造技术而言，目前在三个方面存在问题。

1) 齿轮结构作为汽车动力传动的核心机构，对其精度要求极高，这样才能满足汽车平稳运行及平稳加速。齿轮在运行过程中要承受高强度的循环应力，频率往往高达几千 r / min，当齿轮内部存在气孔、缩孔、微裂纹等常见缺陷时，会造成齿轮因疲劳断裂而失效，使得动力传输不平稳，甚至发生安全事故。但如何提高精度、避免变形以及减少压铸缺陷是一个首要的难题。

2) 齿轮结构在动力传动过程中齿与齿啮合需要承受很大的力、这就要求齿轮的表面要有很好的耐磨性，耐磨性又取决于硬度的高低。材料硬度的高低则主要是由合金成分决定的。但众所周知，常规压铸用的ADC12 及Al-Si9Cu3 远不能满足耐磨性方面的要求。所以必须解决压铸材料的问题。

3) 由于齿轮结构承受高的交变应力，轮齿在啮合时压力极大。单纯通过压铸铝合金的优化，难以 大幅度提高表面硬度。采用何种技术对于内齿轮表面进行局部强化也成为了亟待解决的问题。

2 新能源汽车变速器壳体压铸亟待解决的问题

目前，先进的新能源汽车用变速箱壳体的成型技术在全球市场被国外公司垄断，如德国Bosch 公司、ZF 公司、美国Eaton 公司、日本Fuji 公司、英国Torotrak 公司等。尽管近年来我国已对新能源汽车用变速箱壳体的成型技术的研发愈加重视，但此方面成果仍然落后。其亟待重视和解决的关键要点主要集中在压铸成型关键工艺、压铸用新型铝合金材料的研发以及内齿轮表面局部强化技术等。

2. 1 压铸成型关键工艺

1) 模具结构及工艺优化技术

由于铝合金的压铸具有高温高压的特征，压铸过程中金属液的充填形态与铸件致密度、气孔率、表面粗糙度等品质因素密切相关。且充型过程在封闭型腔中进行，难以实现可视化。对于充型过程能否顺利进行，浇排系统是否合理，压铸过程中是否裹气等过程数据比较难以获得。基于实际的压铸工艺过程，在获得材料热性能参数及物理性能参数，利用有限元方法建立压铸模型进行分析压铸件的流场、温度场以及合金凝固情况，研究其充型规律，优化浇铸系统，根据计算结果要预测压铸件的气孔、冷隔以及缩孔等缺陷。另外，利用有限元方法还可以动态展示模具的充型过程以及模具温度场变化。利用温度场模拟结果，提取出模具型腔表面重要节点的温度场变化曲线，对节点温度进行分析并计算节点热应力，判断模具所受的热冲击，最终判断压铸模具型腔表面的热裂纹情况。所以，必须通过有限元软件对新能源汽车用变速器壳体进行压铸工艺的的模拟优化，确定带有内齿轮结构的变速器壳体压铸模具的最佳开设浇口部位和最后成型部位，并在最后成型处开设大排气快，解决冷隔和气孔问题。另外，对压铸过程进行模流分析，以确定液态金属流动情况、凝固情况以及模具的热应力情况。

2) 温度控制技术

新能源用铝合金变速器壳体压铸过程的温度控制主要是对于浇铸温度和模具温度的控制。铝合金变速器壳体压铸过程中，温度控制对填充过程的热状态及加工效率等方面存在重要影响，是获得优良铸件的重要因素。一般而言，浇铸温度不宜过高，亦不宜过低。浇铸温度若过高，液态合金在高速的作用下，易产生紊流、涡流、包气等现象，从而影响填充质量。但是浇铸温度若过低，也会产生成分不均匀，流动性差，影响填充条件，使铸件产生缺陷。

模具的温度是压铸工艺中又一重要的因素。模温 过高，合金冷却温度降低，细晶层厚减薄，晶粒较粗大，故强度有所下降。另外还易出现收缩凹陷。模温过低时，表层冷凝后又被高速液流破碎，产生表层缺陷，甚至不能成型。模温对模具寿命影响甚大，激烈的温度变化，形成复杂的应力状态，频繁的应力交变导致模具龟裂。模温对铸 件尺寸公差的影响，模温稳定，则铸件尺寸收缩率也相应稳定。一般可通过控制以下因素控制模具温度: 控制合金浇铸温度、浇铸量、热容量和导热性; 控制浇注系统和溢流槽的设计，以调整热平衡状态; 控制压射比压和压射速度; 控制模具材料: 模具材料导热性愈好，温度分布较均匀有利于改善热平衡。

1) 时间控制技术

时间控制主要是指填充时间、增压建压时间，持压时间及留模时间的控制。这些时间的确定主要是压力、速度、温度、熔融金属物理特性、铸件结构、模具结构等多因素的综合作用结果。因此，时间在压铸工艺上是至关重要的。但由于涉及因素较多，其控制难度很大。熔融金属在压力作用下开始进入型腔直到充满的过程所需的时间称为填充时间，是填充过程中各种因素相互协调程度的综合反映。填充时间的确定基于以下因素: 合金浇铸温度高时，填充时间可选长些; 模具温度高时，填充时间可选长些; 铸件厚壁部分离内浇口远时，填充时间可选长些; 熔化潜热和比热高的合金，填充时间可选长些。增压建压时间是指熔融金属在充型过程中的增压阶段，从充满型腔的瞬时开始，直至增压压力达到预定值所需建立起来的时间，亦即压射比压上升到增压比压建立起来所需的时间。熔融金属充满型腔后，使熔融金属在增压比压作用下凝固的这段时间，称为持压时间。持压作用是使压射冲头将压力通过还未凝固的余料、浇口部分的金属传递到型腔，使正在凝固的金属在高压下结晶，从而获得致密的铸件。

2． 2 压铸用新型铝合金的研发

传统压铸铝合金种类较多，就其体系而言，主要包括Al －Si 系、Al －Si －Cu 系、Al －Si －Mg 系、Al －Mg 系。每一种体系的物理性能、力学性能及工艺性能明显不同。Al －Si 系压铸铝合金一般为共晶铝合金，抗热裂性能及流动性能较好，但无法进行热处理强化且抗拉强度较低; Al－ Si －Mg 系压铸铝合金一般为亚共晶铝合金，具有较好的抗腐蚀性能，冲击韧性和屈服强度也较高，但是材料的铸造性能较差。Al －Mg 系与Al －Si －Mg 系类似，耐腐蚀性能与冲击韧性都相对较好，但是铸造性能较差。由于本文关注的新能源汽车用带有内齿轮结构的变速器壳体局部结构复杂，则要求采用的铝合金在压铸过程中流动性应比较好; 齿轮耐磨，则要求铝合金的硬度较高。上述的Al－ Si 系、Al －Si －Mg 系、Al －Mg 系均难以同时满足产品要求。对于Al －Si －Cu 系而言，不论是亚共晶的YL112 还是过共晶的 YL113 和 YL117，其流动性能都非常优异，可以满足成型复杂压铸件的需求，对模具型腔复杂部分可以较好地充填。另外，Al － Si － Cu 系的铝合金气密性、抗热裂性能较好。另外，热膨胀系数较低，压铸件成型后不易变形。Al －Si －Cu 系最突出的优点是耐磨性能较好。

所以，从本文关注的具有局部复杂结构、尺寸精度以及耐磨性要求较高的新能源汽车用变速器壳体，只有采用Al－Si －Cu 系才能同时满足几方面的综合要求。

在硬度方面较为突出的Al －Si －Cu 系典型牌号为YL117( YZAlSi17Cu5Mg) ，其布氏硬度值约为HB100 －110; 对于Al －Zn 系压铸铝合金而言，硬度值相对较大的为 ZL401，其硬度值约为 HB80 － 90。ZL401 铸造性能优良，线收缩率低并具有良好的室温力学性能、切削加工性能和焊接性。其主要缺点是合金的热强性不高，密度大，耐蚀性也较差。所以从耐腐蚀性能以及减重方面的要求，ZL401 是难以满足产品要求的。

但YL117 的硬度还不足以解决内齿轮耐磨性的问题。所以为解决压铸铝合金的耐磨性问题，还需在Al －Si－ Cu 系的基础上对其成分优化设计。首先，基于耐磨性以及提高流动性能的要求，必须提高合金中的硅含量，硅含量超出12% 后，则形成过共晶的Al －Si 二元合金系，其流动性能优异，可以满足复杂压铸件的充型要求; 其次，提高硅含量可以大大提高合金耐磨性。此外，提高硅元素含量还可以减小热裂、缩松倾向，提高压铸件的致密度。单纯从提高耐磨性的角度来看，硅元素的含量甚至可以高达25 －28%。但是，硅元素含量过高，将导致很多的问题。过共晶的高硅Al －Si 合金组织中常出现多边形初晶硅和长条形共晶硅。而共晶硅易呈针片状或长条状，严重削弱合金的机械性能，并且由于局部的共晶硅硬度值过高，对后续的切削性能造成严重的危害。尽管如此，世界范围内发展高硅压铸铝合金的趋势不可逆转。重庆有色金属研究所及北京航空材料研究院都研发了具有高硅含量的新型耐磨铝合金，最高的Si 元素含量为28% ，其耐磨性相对于传统压铸铝合金有了大幅度提升。德国BENZ 公司也研发了高硅压铸铝合金，主要应用于V6 发动机缸套，其耐磨性能与铸铁缸套相当。

在过共晶的高硅铝合金中加入Cu 元素，除了考虑Cu 元素的固溶强化的作用，还考虑到Cu 元素易于其他合金元素容易产生金属间化合物相和共晶组织，作为合金中的强化相和耐磨相，可以有效提高压铸铝合金的硬度和强度。在Mg 元素添加至过共晶的Al －Si 合金中后，除少量与铝形成固溶体，主要与Si 元素可形成Mg2Si 沉淀相，通过弥散强化的作用机制提高压铸铝合金的综合性能。此外，Mg 还可抑制 Fe 相的有害作用。当含 Fe 量增加时，可形成Al －Fe －Si －Mg 化合物，从而减少Fe 的危害。但过量的Cu、Mg 元素加入，易造成成分偏析，使合金性能不均匀。另外过量Cu 元素的加入将严重降低合金的耐腐蚀性。

稀土元素由于拥有独特的性质在金属材料的应用中得以广泛重视。适量的稀土元素的加入可以提高组织稳定性以及提高合金的综合性能。稀土元素在铝合金中的强化作用主要表现在固溶强化、细晶强化以及第二相析出时的弥散强化。有研究表明，适量的Ce 加入，一方面可以细化合金晶粒; 另一方面，可以形成针状析出相，提高合金的耐磨性能。但过量的稀土元素加入后的合金在承受磨损的工况时，表面存在大量剥落坑，与大量析出相存在直接关系。稀土氧化物具有熔点高、比重大的特征。适量的稀土氧化物的加入，可以将铝合金的耐磨性提高20% 以上。

通过在高硅过共晶Al －Si 铝合金体系中添加Cu、Mg 元素、稀土元素及稀土氧化物，可以显著改善压铸铝合金的耐磨性及其综合力学性能，必然成为耐磨压铸件选材或合金设计的必然趋势。

2. 3 内齿轮表面局部强化技术

对新能源汽车用的压铸铝合金变速器壳体的内齿轮进行局部表面强化，目前主要有以下三大类重要方法。

a) 原位氧化方法

原位氧化方法，主要包括化学氧化、阳极氧化、微弧氧化等方法。化学氧化法是在一定温度下，通过化学反应在铝合金表面生成一层薄的氧化膜。这种膜很薄，膜层质软，耐磨性很低，故不能单独使用。常规阳极氧化是以铝合金为阳极，用铅、碳或不锈钢做阴极，在草酸、硫酸、铬酸等电解液中氧化，得到纳米孔排列高度有序的多孔型阳极氧化铝膜。该膜是由致密的阻挡层和柱状结构的多孔层组成的双层结构。微弧氧化又称等离子体氧化，是在阳极氧化基础上，在金属表面原位生长陶瓷层的一种表面处理技术。其原理是在碱性溶液中，在微弧氧化专用电源所提供的外加电场作用下，使阳极工件表面在高于法拉第放电区外的微弧区产生微弧放电，同时产生瞬间高温高压，在电、热、等离子体等因素作用下，反应生成氧化铝陶瓷薄层，厚度可自 1 μm 至 200 μm 甚至更大，具有很高的硬度和耐磨、耐高温性。

b) 表面碾磨( SMAT) 方法

通过在高频、多向的载荷作用，在金属材料表面通过强烈的塑性变形 获得一层无孔隙、无污染且与基体没有结合界面的纳米晶层，即实现材料表面的纳米化。由于表面纳米化，能够通过表面组织的优化明显地提高材料表面和整体的综合性能，并且在工业上易于实现，可望取得实际应用。但由于表面纳米晶化的研究刚刚起步，近年来已有文献初步对不同金属表面采用表面机械研磨技术成功制备出纳米晶结构层，包括铝合金、低碳钢、不锈钢、工业纯钛等立方结构材料。目前，表面碾磨的变形机制尚未完全掌握。另外，对于具有复杂形状的零件的表面碾磨，工艺和技术尚难以真正应用。

c) 外部引入硬质涂层方法

采用物理气相沉积、化学气相沉积、喷涂等技术将硬质或超硬涂层从外部引入到铝合金表面的方法。但现有的方法一般都难以实现在复杂压铸件表面局部进行涂层 制备。

3、结论

1) 采用有限元方法对新能源汽车用变速器壳体的压铸进行仿真计算是必须的，可以对压铸模具的型腔结构、浇排系统、熔体填充、凝固及模具热应力进行优化计算。另外，对压铸时的温度及时间等关键工艺参数必须进行严格控制;

2) 为满足新能源汽车用变速器壳体内齿轮耐磨性的要求，需采用过共晶高硅铝合金，在控制Cu 元素和Mg 元素含量的基础上，应添加稀土元素或稀土氧化物，以改善压铸铝合金的综合性能;

3) 采用微弧氧化技术可以对新能源汽车用铝合金变速器壳体的内齿轮进行局部强化，形成硬质且较厚的氧化铝层，能够满足内齿轮的产品要求且易实现工业化生产。

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