作者：陆大兴 刘 林 姚浩成 宁秀文        作者单位：柳州五菱汽车工业有限公司
【摘 要】目前，国家大力提倡节能、减排，对于汽车制造企业来说最有效的措施之一是整车的轻量化设计。轻量化的关 键方向在于底盘零部件的铝合金化。文章论述了铝合金底盘轻量化应用现状，重点介绍了汽车底盘铝合金产品的轻量化成型工 艺、产品及发展趋势，为汽车底盘铝合金轻量化设计提供参考。
【关键词】底盘轻量化；铝合金；成型工艺 
       汽车的轻量化，是指在保证汽车的强度和安全性能的前 提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力 性，减少燃料消耗，降低排气污染。乘用车的轻量化势在必 行，轻量化的关键方向在于底盘零部件的铝合金化，传统的 燃油车“双积分”已于 2018 年 4 月落地，要求到 2020 年车 企平均油耗降低到 5L/100km。基于当前水平，未来油耗平均 年降幅需要达到 7.1%，然而过去 4 年中油耗的平均年降幅仅 为 3.8%。按当前的进展，即使考虑新能源车占比提升，到 2020 年也只能将平均油耗降低到 6L/100km 左右，距离 5L/100km 的目标，还有非常大的差距。 轻量化势在必行，铝合金材料是所有现用金属材料中密 度较低的轻金属材料，铝合金的密度约为钢铁的 1/3，且来源 广泛，因而成为汽车减轻自重、提高节能性和环保性的首选 材料，以铝代钢是当前汽车轻量化的主要途径。同时，轻量 化是缓解新能源汽车续航里程痛点的重要途径。国家补贴对 续航里程的要求将逐步升高，轻量化将减重并提高续航，帮 助车企获取政府补贴。 铝合金材料性价比高、来源广泛、工艺技术成熟、应用 范围广，是目前平衡轻量化收益与成本的最佳的轻量化替代 材料。
      一、 铝合金底盘轻量化应用现状
      当前铝合金在普通乘用车品牌中的渗透率还在绝对低位，2017 年款普通品牌车型中，铝合金零部件在转向节中的 渗透率为 21%，控制臂为 3%，副车架和制动钳壳体上还没 有应用（如表 1 所示），相关铸铝、锻铝零部件供应商有望充 分获取铝合金增量市场带来的红利。尤其是新能源汽车市场 的快速增长中获取可观的红利。        二、 铝合金底盘轻量化产品
      汽车底盘铝合金轻量化的代表产品有转向节、控制臂、 副车架及制动钳等，属于底盘安全件，产品性能要求高，轻 量化不能以简单的减重多少来衡量，必须要与产品功能相关， 安全法规要求必须用提高汽车主动安全性和被动安全性的眼 光来完善汽车的安全设，由于当前工艺的限制，这在一定程 度上限制了铝合金在底盘上的使用率。
     2.1 铝合金底盘产品成型工艺现状
     对于功能件铝合金，常规的成型工艺有低压铸造、重力 铸造及锻造等，底盘件安全性能要求高，常规的成型工艺在 产品性能或是生产效率上难以满足生产要求，轻量化产品的 性能化工艺设计多数还处于研究阶段。如要批量化、规模化 地“以铝代钢”实现汽车底盘轻量化，需结合铝合金固有的 性能及先进的成型工艺技术才能在性能上和效率上生产出符 合要求的轻量化产品。 挤压铸造产品质量好，其力学性能明显高于普通铸件[1-3]， 接近同种合金的锻件水平（如表 2 所示），效率高、适用范围 广，可作为底盘轻量化产品成型工艺的最佳选择。        2.2 挤压铸造（液态模锻）工艺技术介绍
      挤压铸造是新兴发展的铸造工艺，又称液态模锻。其原 理是对进入型腔内的液态或半固态金属施加较大的机械压力 （约 100MPa～140MPa），使其成型凝固，获得铸件的一种方 法[3]（如图 1 所示）。由于高压凝固及塑性变形同时存在铸件 组织致密，无气孔、疏松等缺陷，相对于其它铝合金铸造方 式，挤压铸造产品的力学性能明显高于普通铸件（如图 2 所 示），接近同种合金的锻件水平。          挤压铸造是一种铸、锻结合的工艺，产品性能好，生产效率高，是转向节、控制臂、副车架及制动钳等底盘关键零 部件轻量化设计的成型工艺发展趋势。
       2.3 挤压铸造轻量化设计示例
       以下为某汽车转向节（如图 3 所示）铸铁改铸铝方案设 计及有限元分析示例。 转向节作为汽车转向系统中的重要零件，工作过程中既 要承载一定的车体重量，又承受转向力矩和刹车时的制动力 矩，工作环境恶劣。因此，必须具有优良的综合性能，以保 证汽车和驾驶安全。传统的汽车转向节主要由球墨铸铁铸造 而成。        由于铝合金材质本身性能的劣势，转向节以铝代钢的改 进仅是替换材料显然是不行的，即便是使用当前最佳的挤压 铸造工艺，也需对产品的机构进行优化设计，并需结合产品的性能、工况等条件进行优化分析。 设计思路：造型设计、强度校核、仿真耐久性分析。 在汽车零部件“以铝代铁”的轻量化过程中，由于铸铁 和铝合金杨氏模量的差异，零件结构必须变动才能满足强度 要求。基于球墨铸铁转向节零件原型，同时考虑了材料强度 要求和转向节零件装配约束关系等多方面因素，利用 UG 软件对其结构进行优化设计，不断地进行了 8 次优化及模拟验 证后，拟采用 P8 版铝合金转向节模型。 铝合金转向节材料选择 A356 铝合金，其相关参数设定如 下：密度为 2.7g/cm3，弹性模量 为 71GPa，泊松比为 0.33， 挤压铸造条件下，屈服强度为 240MPa，抗拉强度为 320MPa， 伸长率为 10%。 应力分析、位移分析条件条件如表 3 所示。        结果表明，在相同载荷施加方式和工况条件下，改进后 P8 转向节模型的最大应力值及最大位移值远低于 P0 模型（如 图 4、图 5，表 4 所示），达到产品强度的要求，其结构优化 效果明显。而且由于铝合金的密度较小，改进后单件转向节 的重量能减轻 48.7%，实现了轻量化的目的。        三、结束语
       为了响应国家节能减排政策，整车尤其是新能源车轻量 化势在必行，轻量化产品的覆盖范围将会逐渐扩大到底盘模 块，当前常用的铝合金成型工艺显然难以从性能上或者生产 效率上满足产品要求，挤压铸造（液态模锻）作为一种新兴、 高品质的成型工艺，将会是底盘轻量化工艺选择的一种趋势。
    【参考文献】
      [1] 李传栻.铸造工程师手册[M].北京:机械工业出版社,2001.
      [2] 林柏年.特种铸造[M].杭州:浙江大学出版社,2004.
      [3] 李宇飞,余振龙,石飞,等.挤压铸造工艺对汽车控制臂铸件 组织及性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2018,38(8): 864-866.