Solução de análise e otimização de tecnologia de fundição sob pressão de carcaças de transmissão automática para veículos de novas energias

Os veículos de nova energia referem-se à utilização de combustíveis não convencionais como fonte de energia (ou à utilização de combustíveis convencionais, à utilização de novas unidades de potência dos veículos) e à integração de tecnologias avançadas no controlo e condução da potência dos veículos. Nova tecnologia, nova estrutura do carro. Incluem principalmente: veículos elétricos híbridos (HEV), veículos elétricos puros (BEV, incluindo veículos solares), veículos elétricos de célula de combustível (FCEV), veículos com motor a hidrogênio, outras novas energias (como armazenamento de energia de alta eficiência, éter dimetílico) veículos, etc.

Actualmente, sob a dupla pressão da energia e da protecção ambiental, os novos veículos energéticos tornar-se-ão, sem dúvida, a direcção de desenvolvimento dos veículos do futuro em todo o mundo. Para o meu país, durante o período do "Décimo Segundo Plano Quinquenal", os novos veículos energéticos do meu país entrarão oficialmente na fase de industrialização: de 2011 a 2015, entrarão na fase de industrialização e promoverão novos autocarros urbanos energéticos, carros híbridos e pequenos veículos eléctricos em toda a sociedade. veículo. Durante o período do "13º Plano Quinquenal" de 2016 a 2020, meu país popularizará ainda mais os novos veículos energéticos e os veículos híbridos multienergéticos, e os carros elétricos plug-in e os carros com células de combustível de hidrogênio entrarão gradualmente nas famílias comuns. Portanto, de acordo com os planos relevantes, os novos veículos energéticos certamente se tornarão a corrente principal do desenvolvimento da indústria automobilística.

1. Forma estrutural de transmissão automática para veículos de novas energias


A transmissão é uma parte importante do trem de força dos veículos elétricos convencionais e híbridos. O desempenho da transmissão tem uma influência importante na potência, economia e conforto do veículo. Uma vez que os novos veículos energéticos são directa ou principalmente movidos por motores eléctricos, a estrutura de transmissão, um componente chave do seu sistema de transmissão de energia, sofrerá alterações significativas em comparação com os veículos tradicionais com motor a combustível. Devido ao grande torque de baixa velocidade e à ampla faixa de velocidade operacional do motor elétrico, as transmissões de 5 e 6 velocidades eram originalmente necessárias em carros comuns, mas apenas de 2 e 1 velocidade em veículos elétricos. O motor precisa ser revertido. A simplificação funcional muitas vezes leva à complexidade estrutural. Nos novos veículos de energia, o dispositivo de distribuição de energia usado para realizar a distribuição e integração de energia é um conjunto de mecanismos de engrenagem planetária, nos quais o transportador planetário é conectado ao eixo de saída do motor, a coroa é conectada ao eixo do motor, e também está conectado à engrenagem de saída. A energia do eixo da engrenagem aciona o gerador para gerar eletricidade, e o meio é conectado à embreagem. Quando a energia é ligada, a engrenagem solar é travada, de modo que o mecanismo da engrenagem planetária funciona com uma determinada relação de transmissão. A estrutura da engrenagem planetária de transmissão do novo veículo energético é mostrada na Figura 1.

No que diz respeito à tendência de desenvolvimento, a transmissão de veículos de novas energias tem as características de uma estrutura geral simples e de uma estrutura parcial complexa. A estrutura geral é simples, significa que a transmissão foi simplificada como uma transmissão ou que há uma peça de transmissão no trem de força. A estrutura parcial é complicada e a estrutura planetária deve ser disposta na carcaça da embreagem para realizar a mudança contínua de velocidade. Se uma tal estrutura parcialmente complexa for realizada, o problema da moldagem integral da carcaça da transmissão com a engrenagem interna deverá ser resolvido. No que diz respeito à sua tecnologia de fabricação, existem atualmente três problemas.

1) Como mecanismo central da transmissão de energia automotiva, a estrutura da engrenagem requer precisão extremamente alta, de modo a satisfazer a operação suave e a aceleração suave do automóvel. As engrenagens estão sujeitas a tensões cíclicas de alta intensidade durante a operação, e a frequência costuma chegar a vários milhares de rpm. Quando há defeitos comuns como poros, furos de contração e microfissuras dentro da engrenagem, a engrenagem irá falhar devido à fratura por fadiga, dificultando a transmissão de potência. Instável e até mesmo um acidente de segurança. Mas como melhorar a precisão, evitar deformações e reduzir defeitos de fundição sob pressão é um problema primário.

2) No processo de transmissão de potência, a estrutura da engrenagem precisa suportar muita força para o engrenamento dos dentes e dos dentes, o que exige que a superfície da engrenagem tenha boa resistência ao desgaste, e a resistência ao desgaste depende da dureza. A dureza do material é determinada principalmente pela composição da liga. Mas, como todos sabemos, o ADC12 e o Al-Si9Cu3 usados ​​na fundição convencional estão longe de atender aos requisitos de resistência ao desgaste. Portanto, o problema dos materiais de fundição sob pressão deve ser resolvido.

3) Como a estrutura da engrenagem está sujeita a altas tensões alternadas, os dentes da engrenagem ficam sob grande pressão durante o engrenamento. É difícil melhorar muito a dureza da superfície simplesmente otimizando a liga de alumínio fundida. Qual tecnologia usar para fortalecer localmente a superfície da engrenagem interna também se tornou um problema urgente a ser resolvido.

2 Problemas urgentes a serem resolvidos na fundição sob pressão de novas carcaças de transmissão de veículos de energia

Atualmente, a tecnologia de moldagem de carcaças de caixas de câmbio avançadas para veículos de novas energias é monopolizada por empresas estrangeiras no mercado global, como a alemã Bosch, ZF, a norte-americana Eaton, a japonesa Fuji e a britânica Torotrak. Embora o meu país tenha prestado cada vez mais atenção à investigação e desenvolvimento da tecnologia de moldagem da caixa da caixa de velocidades para novos veículos energéticos nos últimos anos, as conquistas a este respeito ainda estão atrasadas. Os pontos-chave que precisam ser prestados atenção e resolvidos concentram-se principalmente no processo principal de fundição sob pressão, na pesquisa e desenvolvimento de novos materiais de liga de alumínio para fundição sob pressão e na tecnologia de reforço local da superfície interna da engrenagem.

2.1 O principal processo de fundição sob pressão


1) Estrutura do molde e tecnologia de otimização de processos


Devido às características de alta temperatura e alta pressão na fundição sob pressão de ligas de alumínio, a forma de enchimento do metal fundido durante a fundição sob pressão está intimamente relacionada a fatores de qualidade, como densidade de fundição, porosidade e rugosidade superficial. E o processo de preenchimento é feito em cavidade fechada e de difícil visualização. É difícil obter dados do processo, como se o processo de enchimento pode ser realizado sem problemas, se o sistema de vazamento e descarga é razoável e se o processo de fundição sob pressão está coberto de ar. Com base no processo de fundição real, após obter as propriedades térmicas e físicas do material, um modelo de fundição é estabelecido pelo método dos elementos finitos para analisar o campo de fluxo, campo de temperatura e solidificação da liga da peça fundida, estudar sua lei de enchimento e otimizar o sistema de fundição. De acordo com os resultados do cálculo, defeitos como poros, isolamento frio e furos de contração de peças fundidas devem ser previstos. Além disso, o método dos elementos finitos também pode exibir dinamicamente o processo de enchimento do molde e a mudança no campo de temperatura do molde. Usando os resultados da simulação do campo de temperatura, a curva de mudança do campo de temperatura dos nós importantes na superfície da cavidade do molde é extraída, a temperatura do nó é analisada, a tensão térmica do nó é calculada, o choque térmico do molde é avaliado e a trinca térmica na superfície da cavidade do molde de fundição é finalmente avaliada. . Portanto, é necessário simular e otimizar o processo de fundição da carcaça de transmissão para veículos de novas energias por meio de software de elementos finitos, e determinar a abertura ideal da comporta e a formação final da parte do molde de fundição sob pressão da carcaça de transmissão com a estrutura interna da engrenagem. Uma grande exaustão é instalada no local de moldagem para resolver o problema de isolamento frio e orifícios de ar. Além disso, a análise do fluxo do molde é realizada no processo de fundição sob pressão para determinar o fluxo do metal líquido, a solidificação e a tensão térmica no molde.

2) Tecnologia de controle de temperatura


O controle de temperatura do processo de fundição da caixa de transmissão de liga de alumínio para nova energia é principalmente o controle da temperatura de fundição e da temperatura do molde. Durante o processo de fundição da carcaça de transmissão em liga de alumínio, o controle da temperatura tem uma influência importante no estado térmico e na eficiência de processamento do processo de enchimento, e é um fator importante para a obtenção de peças fundidas de alta qualidade. De modo geral, a temperatura de fundição não deve ser muito alta ou muito baixa. Se a temperatura de fundição for muito alta, a liga líquida estará sujeita a fluxo turbulento, correntes parasitas, vadose e outros fenômenos sob a ação de alta velocidade, afetando assim a qualidade do enchimento. Porém, se a temperatura de fundição for muito baixa, a composição será irregular e a fluidez será fraca, o que afetará as condições de enchimento e causará defeitos na fundição.

A temperatura do molde é outro fator importante no processo de fundição sob pressão. Se a temperatura do molde for muito alta, a temperatura de resfriamento da liga diminui, a espessura da camada de granulação fina é reduzida e os grãos ficam mais grossos, diminuindo a resistência. Além disso, é provável que ocorram depressões de contração. Quando a temperatura do molde é muito baixa, a camada superficial é condensada e então quebrada pelo fluxo de líquido em alta velocidade, resultando em defeitos na camada superficial e até mesmo falha na formação. A temperatura do molde tem grande influência na vida útil do molde. A severa mudança de temperatura forma um estado de tensão complexo, e a frequente alternância de tensões faz com que o molde quebre. A influência da temperatura do molde na tolerância dimensional das peças fundidas, se a temperatura do molde for estável, a taxa de encolhimento dimensional das peças fundidas também será estável. Geralmente, a temperatura do molde pode ser controlada controlando os seguintes fatores: controle da temperatura de fundição da liga, volume de fundição, capacidade térmica e condutividade térmica; controlar o projeto do sistema de comporta e do tanque de transbordamento para ajustar o estado de equilíbrio térmico; controlar a pressão e a velocidade de injeção; controlar o material do molde: Quanto melhor for a condutividade térmica do material do molde, mais uniforme será a distribuição da temperatura para melhorar o equilíbrio térmico.

1) Tecnologia de controle de tempo


O controle de tempo refere-se principalmente ao controle do tempo de enchimento, tempo de aumento de pressão, tempo de retenção de pressão e tempo de retenção do molde. A determinação destes tempos é principalmente o resultado de uma combinação de fatores como pressão, velocidade, temperatura, propriedades físicas do metal fundido, estrutura da peça fundida e estrutura do molde. Portanto, o tempo é essencial no processo de fundição sob pressão. Porém, devido aos diversos fatores envolvidos, seu controle é muito difícil. O tempo necessário para o metal fundido entrar na cavidade sob pressão até ser preenchido é chamado de tempo de enchimento, que é um reflexo abrangente do grau de coordenação de vários fatores no processo de enchimento. O tempo de enchimento é determinado com base nos seguintes fatores: quando a temperatura de fundição da liga é alta, o tempo de enchimento pode ser maior; quando a temperatura do molde é alta, o tempo de enchimento pode ser maior; quando a parte de parede espessa da peça fundida está longe da comporta interna, o tempo de enchimento pode ser maior; Para ligas com alto calor latente e calor específico de fusão, o tempo de enchimento pode ser maior. O tempo de aumento da pressão de reforço refere-se à etapa de reforço do metal fundido durante o processo de enchimento, a partir do momento em que a cavidade é preenchida, até que a pressão de reforço atinja um valor pré-determinado, ou seja, a pressão específica de injeção aumenta para aumentar. O tempo que leva para a pressão aumentar. Depois que o metal fundido preenche a cavidade, o período de tempo durante o qual o metal fundido solidifica sob a ação da pressão específica de reforço é chamado de tempo de retenção. A função de retenção da pressão é fazer com que o punção de injeção transfira a pressão para a cavidade através do material não solidificado e do metal na parte da comporta, de modo que o metal solidificado seja cristalizado sob alta pressão, de modo a obter uma fundição densa.

2.2 Pesquisa e desenvolvimento de novas ligas de alumínio para fundição sob pressão


Existem muitos tipos de ligas de alumínio tradicionais para fundição sob pressão. Em termos de seus sistemas, eles incluem principalmente as séries Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg e Al-Mg. As propriedades físicas, propriedades mecânicas e propriedades de processo de cada sistema são significativamente diferentes. As ligas de alumínio fundidas da série Al-Si são geralmente ligas de alumínio eutéticas, que apresentam boa resistência à trinca térmica e propriedades de fluxo, mas não podem ser reforçadas por tratamento térmico e possuem baixa resistência à tração; As ligas de alumínio fundidas da série Al-Si-Mg são geralmente hipoeutéticas. A liga de alumínio tem boa resistência à corrosão, alta resistência ao impacto e resistência ao escoamento, mas o desempenho de fundição do material é ruim. O sistema Al-Mg é semelhante ao sistema Al-Si-Mg, e a resistência à corrosão e a resistência ao impacto são relativamente boas, mas a moldabilidade é fraca. Devido à complexa estrutura local da carcaça da transmissão com estrutura de engrenagem interna para veículos de novas energias em questão neste artigo, a liga de alumínio utilizada deve ter boa fluidez no processo de fundição sob pressão; para que as engrenagens sejam resistentes ao desgaste, a dureza da liga de alumínio deve ser alta. Todos os sistemas baseados em Al-Si, Al-Si-Mg e Al-Mg mencionados acima são difíceis de satisfazer os requisitos do produto ao mesmo tempo. Para o sistema Al-Si-Cu, seja o hipoeutético YL112 ou o hipereutético YL113 e YL117, as propriedades de fluxo são muito boas, o que pode atender às necessidades de formação de peças fundidas complexas e pode ser comparada às partes complexas da cavidade do molde. Bem preenchido. Além disso, as ligas de alumínio à base de Al-Si-Cu apresentam melhor estanqueidade ao ar e resistência a trincas a quente. Além disso, o coeficiente de expansão térmica é baixo e a fundição sob pressão não é facilmente deformada após a moldagem. A vantagem mais importante do sistema Al-Si-Cu é a melhor resistência ao desgaste.

Portanto, a partir do caso de transmissão para veículos de novas energias, que se preocupa com estrutura local complexa, precisão dimensional e alta resistência ao desgaste, apenas o sistema Al-Si-Cu pode atender aos requisitos abrangentes de vários aspectos ao mesmo tempo.

O grau típico da série Al-Si-Cu que é mais proeminente em dureza é YL117 (YZAlSi17Cu5Mg), e seu valor de dureza Brinell é cerca de HB100-110; para liga de alumínio fundido da série Al-Zn, o valor de dureza é relativamente grande. ZL401, seu valor de dureza é de cerca de HB80 - 90. ZL401 possui excelentes propriedades de fundição, baixo encolhimento linear e boas propriedades mecânicas à temperatura ambiente, usinabilidade e soldabilidade. A principal desvantagem é que a resistência térmica da liga não é alta, a densidade é alta e a resistência à corrosão também é baixa. Portanto, pelos requisitos de resistência à corrosão e redução de peso, o ZL401 é difícil de atender aos requisitos do produto.

Mas a dureza do YL117 não é suficiente para resolver o problema de resistência ao desgaste das engrenagens internas. Portanto, para resolver o problema de resistência ao desgaste da liga de alumínio fundida, é necessário otimizar o projeto de sua composição com base no sistema Al-Si-Cu. Em primeiro lugar, com base nos requisitos de resistência ao desgaste e na melhoria das propriedades de fluxo, o teor de silício na liga deve ser aumentado. Quando o teor de silício excede 12%, forma-se um sistema de liga binária hipereutética Al-Si, que possui excelentes propriedades de fluxo e pode atender a requisitos complexos. Requisitos de preenchimento de peças fundidas sob pressão; em segundo lugar, aumentar o teor de silício pode melhorar muito a resistência ao desgaste da liga. Além disso, aumentar o teor de silício também pode reduzir a tendência de rachaduras térmicas e encolhimento e melhorar a densidade das peças fundidas. Puramente do ponto de vista de melhorar a resistência ao desgaste, o teor de silício pode chegar a 25-28%. No entanto, o teor excessivo de silício causará muitos problemas. O silício primário poligonal e o silício eutético alongado freqüentemente aparecem em ligas hipereutéticas de Al-Si com alto teor de silício. No entanto, o silício eutético é fácil de ser em forma de agulha ou alongado, o que enfraquece seriamente as propriedades mecânicas da liga e, como o valor local da dureza do silício eutético é muito alto, causará sérios danos ao desempenho de corte subsequente. No entanto, a tendência mundial de desenvolvimento de ligas de alumínio fundidas com alto teor de silício é irreversível. Tanto o Instituto de Pesquisa de Metais Não Ferrosos de Chongqing quanto o Instituto de Pesquisa de Materiais Aeronáuticos de Pequim desenvolveram novas ligas de alumínio resistentes ao desgaste com alto teor de silício. O maior teor de elemento Si é de 28% e sua resistência ao desgaste foi bastante melhorada em comparação com as tradicionais ligas de alumínio fundidas sob pressão. A empresa alemã BENZ também desenvolveu liga de alumínio fundido com alto teor de silício, que é usada principalmente na camisa do cilindro do motor V6, e sua resistência ao desgaste é equivalente à da camisa do cilindro em ferro fundido.

Adicionando o elemento Cu à liga hipereutética de alumínio com alto teor de silício, além de considerar o efeito do fortalecimento da solução sólida do elemento Cu, também se considera que o elemento Cu é fácil de produzir fase composta intermetálica e estrutura eutética de outros elementos de liga, que é usado como efeito de fortalecimento na liga. A fase e a fase resistente ao desgaste podem efetivamente melhorar a dureza e a resistência da liga de alumínio fundida. Depois que o Mg é adicionado à liga hipereutética de Al-Si, exceto por uma pequena quantidade para formar uma solução sólida com alumínio, ele forma principalmente uma fase de precipitação de Mg2Si com Si, o que melhora as propriedades abrangentes das ligas de alumínio fundidas através do mecanismo de fortalecimento da dispersão. Além disso, o Mg também inibe os efeitos prejudiciais da fase Fe. Quando o teor de Fe aumenta, compostos Al-Fe-Si-Mg podem ser formados, reduzindo assim os danos do Fe. No entanto, a adição excessiva de elementos de Cu e Mg pode facilmente causar a segregação dos componentes e tornar as propriedades da liga irregulares. Além disso, a adição de excesso de elemento Cu reduzirá seriamente a resistência à corrosão da liga.

Os elementos de terras raras são amplamente valorizados na aplicação de materiais metálicos devido às suas propriedades únicas. A adição de uma quantidade adequada de elementos de terras raras pode melhorar a estabilidade da estrutura e melhorar as propriedades abrangentes da liga. O efeito de fortalecimento dos elementos de terras raras nas ligas de alumínio se manifesta principalmente no fortalecimento da solução sólida, no fortalecimento do refinamento de grãos e no fortalecimento da dispersão durante a precipitação da segunda fase. Estudos demonstraram que a adição de uma quantidade adequada de Ce pode refinar os grãos da liga, por um lado; por outro lado, pode formar precipitados aciculares e melhorar a resistência ao desgaste da liga. Porém, quando a liga com excesso de elementos de terras raras é submetida a condições de desgaste, há um grande número de poços de lascamento na superfície, o que está diretamente relacionado a um grande número de precipitados. Os óxidos de terras raras têm características de alto ponto de fusão e grande gravidade específica. A adição de uma quantidade adequada de óxidos de terras raras pode melhorar a resistência ao desgaste das ligas de alumínio em mais de 20%.

Ao adicionar elementos de Cu, Mg, elementos de terras raras e óxidos de terras raras ao sistema hipereutético de liga de alumínio Al-Si com alto teor de silício, a resistência ao desgaste e as propriedades mecânicas abrangentes das ligas de alumínio fundidas podem ser significativamente melhoradas, e inevitavelmente se tornará a escolha de peças de fundição sob pressão resistentes ao desgaste. Ou a tendência inevitável do design de ligas.

2.3 Tecnologia de reforço local da superfície interna da engrenagem


Existem três métodos importantes para o reforço superficial local da engrenagem interna da carcaça de transmissão em liga de alumínio fundido para veículos de novas energias.

a) Método de oxidação in situ


Os métodos de oxidação in-situ incluem principalmente oxidação química, oxidação anódica, oxidação por microarco e outros métodos. O método de oxidação química consiste em formar uma fina película de óxido na superfície da liga de alumínio por meio de reação química a uma determinada temperatura. Esse tipo de filme é muito fino, a camada do filme é macia e a resistência ao desgaste é muito baixa, por isso não pode ser usado sozinho. A anodização convencional usa liga de alumínio como ânodo e chumbo, aço carbono ou aço inoxidável como cátodo, e a oxida em um eletrólito como ácido oxálico, ácido sulfúrico e ácido crômico para obter um filme poroso de óxido de alumínio anódico com nanoporos altamente ordenados. A membrana é uma estrutura de camada dupla composta por uma camada de barreira densa e uma camada porosa com estrutura colunar. A oxidação por microarco, também conhecida como oxidação por plasma, é uma tecnologia de tratamento de superfície para crescimento in situ de camadas cerâmicas em superfícies metálicas com base na oxidação anódica. O princípio é que na solução alcalina, sob a ação do campo elétrico externo fornecido pela fonte de alimentação especial para oxidação do microarco, a superfície da peça anódica gerará descarga de microarco na área de microarco superior à área de descarga de Faraday e, ao mesmo tempo, alta temperatura e alta pressão instantâneas serão geradas. Sob a ação da eletricidade, calor, plasma e outros fatores, uma fina camada de cerâmica de alumina é formada pela reação, a espessura pode ser de 1 μm a 200 μm ou até maior, e possui alta dureza, resistência ao desgaste e resistência a altas temperaturas.

b) Método de Fresamento de Superfície (SMAT)


Através da ação de alta frequência e carga multidirecional, uma camada nanocristalina sem poros, sem poluição e sem interface de ligação com a matriz é obtida na superfície do material metálico por meio de forte deformação plástica, ou seja, a camada nanocristalina da superfície do material é realizada. Devido à nanometrização da superfície, a superfície e as propriedades abrangentes gerais do material podem ser significativamente melhoradas através da otimização da organização da superfície, e é fácil de realizar na indústria e espera-se que alcance aplicação prática. No entanto, como a pesquisa sobre nanocristalização de superfície apenas começou, nos últimos anos, tem havido literaturas que prepararam com sucesso camadas de estrutura nanocristalina em diferentes superfícies metálicas por tecnologia de retificação mecânica de superfície, incluindo ligas de alumínio, aços de baixo carbono, aços inoxidáveis, titânio puro industrial e outras estruturas cúbicas. Material. Atualmente, o mecanismo de deformação do fresamento superficial não foi totalmente compreendido. Além disso, para formas complexas, a retificação superficial de peças, tecnologia e tecnologia ainda são difíceis de aplicar.

c) Introdução externa do método de revestimento duro


Um método de introdução de um revestimento duro ou superduro na superfície de uma liga de alumínio a partir do exterior, usando técnicas como deposição física de vapor, deposição química de vapor e pulverização. No entanto, os métodos existentes são geralmente difíceis de conseguir a preparação local do revestimento na superfície de peças fundidas complexas.

3. Conclusão


1) É necessário utilizar o método dos elementos finitos para simular e calcular a fundição sob pressão da carcaça da transmissão para veículos de novas energias. A estrutura da cavidade, sistema de canal e drenagem, enchimento de fusão, solidificação e tensão térmica do molde de fundição sob pressão podem ser otimizados e calculados. Além disso, os principais parâmetros do processo, como temperatura e tempo durante a fundição sob pressão, devem ser rigorosamente controlados;

2) Para atender aos requisitos de resistência ao desgaste da engrenagem interna da caixa de transmissão para veículos de novas energias, uma liga hipereutética de alumínio com alto teor de silício deve ser usada. Com base no controle do conteúdo de elementos de Cu e Mg, elementos de terras raras ou óxidos de terras raras devem ser adicionados para reduzir a resistência ao desgaste. Melhorar as propriedades abrangentes das ligas de alumínio fundidas;

3) O uso da tecnologia de oxidação de microarco pode fortalecer localmente a engrenagem interna da caixa de transmissão de liga de alumínio para novos veículos de energia para formar uma camada de alumina dura e espessa, que pode atender aos requisitos do produto da engrenagem interna e é fácil de alcançar a produção industrial.