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汽车底盘铝合金化轻量化的成型工艺及趋势
发布日期:2022-05-10  来源:大众科技  作者:陆大兴 刘 林 姚浩成 宁秀文  浏览次数:1504
核心提示: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
   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。
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       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。
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       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。 
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        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。
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       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。
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       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。
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       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. 
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