变速器材料之争

作者:本网编辑 发布时间:2014-04-11
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宝马与采埃孚共同开发的8挡自动变速器利用轻质材料和巧妙的结构以实现轻量化

当今出现了许多替代铝和钢的新型材料,在下一代轻量化变速器中,究竟哪一种会被大规模使用?让我们来深入了解一下行业内专业人士的真知灼见。

直到最近,变速器设计一直遵循着相当保守的路径,传统材料仍然占据主导地位。但随着削减CO2排放量和提高燃油经济性的压力不断增加,传动系统、变速器的轻量化已经成为关键,因此选择最适合的材料对于其他优化措施是一个重要的补充。可选择的材料范围包括镁、碳纤维、陶瓷和工程塑料,但是相比于老派的铝和钢,这些材料确实能够提供更好的成本、重量和性能的折衷么?

里卡多公司跨产品组(车辆混合动力变速器、驱动系统)董事Chris Brockbank说:“从最大和最重的部件——外壳说起,铝仍然是首选材料。然而,在一些应用中使用镁材料,由此产生了可观的轻量化效果,因此我能预见到未来镁材料还会有更多的应用。”


图1 来自福特和格特拉克(Getrag)的全新PowerShift双离合变速器,采用干式离合器和电动执行器以努力实现轻量化。该变速器应用于嘉年华和福克斯车型系列

在汽车应用中,镁和铝镁合金材料有着丰富多彩的历史。自从陶氏化学在20世纪20年代引进镁制赛车发动机活塞后(包括1921年印地500获胜的赛车使用这种活塞),这项技术很快扩展到其他传统部件,包括通用汽车公司1931年款Chevrolair的砂铸曲轴箱,城市公交车的曲轴箱和拖拉机的变速器壳。二战结束后镁材料在汽车上的使用快速增加,在1971年达到了顶峰,每年使用在大众甲壳虫汽车的风冷发动机和变速器铸件上的镁大约42000t,而这两个部件的质量加起来才20kg。水冷系统的引进要求材料具有更好的耐腐蚀性,因此高纯度的合金如AZ91D和AM60B替换了之前的材料,但是高昂的价格令人们在20世纪80年代和90年代初放弃了镁和镁合金材料。

然而,1996年在大众帕萨特的变速器中,镁被再次使用,此后镁的使用一直在稳步增长。“尽管成本略微增加,但是和铝相比,镁能够实现1/3~1/4的轻量化效果。”材料供应商Magnesium Elektron(总部设在英国曼彻斯特)的技术经理Tim Wilks解释到,“耐腐蚀性不再是什么问题了,最大的因素是价格。由于汽车产业对于成本是极度敏感的,所以镁在很大程度上取决于应用场合。”例如,由于自动变速器较高的运行温度需要抗蠕变合金。梅赛德斯-奔驰的7速自动变速器采用AS31合金,它比AZ91有着更好的抗蠕变性,而本田推出ACM522(Mg-5-Al-2Ca-2RE)生产的油底壳应用于Insight混合动力轿车,实现了35%的轻量化。


图2 双离合变速器为轻量化变速器的解决方案提供了开创性的前进方向,图为雷诺6挡双离合变速器

神奇的塑料

工程塑料在传统变速器中的最新应用是DSM的自动变速器中液力变矩器的导轮。“我们相信这个部件可以用高温聚酰胺46(Stanyl)制成以削减成本和重量。”DSM(总部设在荷兰)动力总成全球业务经理Ralph Ramaekers说,“我们已经对这个部件进行过多次CAE分析,结果显示PA46可以承受所需的负载转矩,并且我们正在联系几个机构,准备测试这个部件。”

工程塑料的其他应用实例包括DSM的变速器油冷器和控制模块。“我们瞄准了双离合变速器的换挡拨叉,” Ralph Ramaekers说,“在手动变速器中,有可能因为驾驶员操作失误导致拨叉承受很大的力。但是在完全自动化的变速器中,允许用塑料或者复合材料制作拨叉。我们还刚刚推出了第一个商业化的塑料油底壳,装配在采埃孚的9挡横置变速器上。”


图3 近拍的气门正时系统,聚酰胺46(Stanyl)因为其优异的抗磨损性能在汽车上已经成功应用了近20年

未来将发生剧变

预计在未来10年,镁的使用将会持续增长。在欧洲,大众汽车集团的大众帕萨特、奥迪A4和奥迪A6的变速器使用了大约14kg的镁,而镁也获得了其他世界领先的汽车制造商包括宝马、福特和捷豹的青睐。在北美,镁在汽车中的使用更多,例如通用汽车公司的Savana和Express使用了多达26kg镁。

其他替代材料的应用也呈上升趋势。Chris Brockbank说道:“碳纤维和碳纤维增强材料具有几乎无与伦比的强度——重量比,成本、有限的经验和基础设施的缺乏阻碍了这些材料在变速器中的广泛应用,但他们在赛车和超级跑车领域已经牢牢占据了主导地位。不过,我更希望看到规模经济效应,不仅降低材料的成本,而且降低制造过程的成本,使它们理所当然地变为核心材料,而不是小众材料。”

一些更加超前的解决方案也崭露头角。“散料短切碳纤维毡可能有潜在用途,碳纳米管用作注射成型材料将开辟新的可能性,”Drive System Design常务董事Mark Findlay预测到,“但是,想要取得成功,必须对其可制造性、NVH性能及其属性中任何变化的敏感度进行全面的评估。”

通常情况下,引进了先进的材料,需要进行深入和全面地了解制造约束条件和材料特性的差异。塑料的使用可以从不受力的变速器外壳转移到受力的结构铸件,但是引入了散热的担忧。复合材料制成的轴,如传动轴,的确减轻了重量,但也容易遭受撞击损坏,而且复合材料的固有阻尼低,因此更容易激发扭转振动。


图4 别克君威上装备的Aisin Warner AF40-6(MDK)6挡前轮驱动自动变速器。在美国,通用汽车为其变速器使用了许多镁材料  

Chris Brockbank表示,他赞同其中的一些顾虑:“现在看来,在变速器中,塑料材料并不像我们几年以前认为的那样得到广泛应用。之前预计会得到应用的塑料换挡叉和换挡轨道被成本更低重量更轻的预制件和线切割成型件替代。更激进的是一种被称为‘骨架结构’的技术,外壳由一种轻质材料如塑料或树脂制成以覆盖部件包裹住油,其中在应力点镶嵌钢、铝或钛的金属。我认为这是一个特别有趣的解决方案,显著地减轻了重量。”

“另一个有长期发展价值的是陶瓷。陶瓷轴承的重量大约是钢制轴承重量的一半。陶瓷轴承变形更小更耐用,可在更高的转速下运转,而且润滑要求较低,因此更加有效。在许多方面,人们可能会认为陶瓷轴承是完美的解决方案,然而它们更加昂贵,并且容易受到冲击载荷的损害。鉴于现代变速器需要大量的轴承,陶瓷轴承将会得到大规模应用,而成本问题亟待解决。”Chris Brockbank继续补充说道。

新旧技术融合

这样的进步将会意味着铝和钢的终结么?莲花工程的研发人员仍持怀疑态度。“我认为传统材料仍将占据主导。”首席工程师Phil Barker说,“材料设计、材料属性、制造工艺和后处理工艺将继续发展,其应用将得到优化。专门应用在航空航天工业中的钢材和铝材在将来有可能应用在汽车工业中。”

使用杂质更少,更加纯净的钢能生产强度更高的外壳和更耐用的部件,因此零件的尺寸可以减小,在轻量化和成本上获益。烧结齿轮技术是钢制造工艺发展的一个领域,烧结技术增加了部件的密度和耐用性,在某些特殊应用中达到和传统齿轮相当的性能。Chris Brockbank认为,“随着材料和制造成本的降低,烧结齿轮技术可以大踏步进入汽车行业。但是在最终的大规模应用之前,我们需要对它们的耐用性获得足够的信心。”

可以肯定的是,在未来我们会看到新老技术的融合。“展望2025年,材料将被高度优化,”Phil Barker预测说道,“在新的制造处理技术例如快速原型技术的帮助下,当前不可行或者根本不可能的材料形式将成为可能。材料厚度会降低,中空三维结构将成为可能,并且组分单一但是特性不同的复合材料将得以实现。”

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