汽車底盤輕量化材料和工藝

張國馳 張小兵

【摘 要】我國的汽車工業(yè)在近些年得到了快速的發(fā)展，汽車底盤對(duì)于汽車組成具有重要的作用，其重量的大小很大程度上決定了汽車的油耗。因此，汽車底盤的輕量化是汽車工業(yè)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文主要從輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝兩個(gè)方面對(duì)汽車底盤主要零件輕量化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要述敘。

【關(guān)鍵詞】汽車底盤；輕量化；工藝

引言

目前，我國汽車的制造主要是以節(jié)能、環(huán)保等為主要的發(fā)展方向，汽車的結(jié)構(gòu)為車身以及底盤為主，并且其重量占據(jù)了汽車整體部分的30-50%。科學(xué)合理的設(shè)計(jì)、汽車結(jié)構(gòu)輕量化可以減輕汽車的重量，并且改善汽車的性能。

1、底盤輕量化的意義

汽車在給人們的生活帶來便捷和舒適的同時(shí)，其尾氣也給人類帶來了環(huán)境危機(jī)，越來越多的科研機(jī)構(gòu)以及汽車公司開始就如何降低汽車尾氣的排放等進(jìn)行不斷地研發(fā)，這也是全球汽車行業(yè)所面臨的技術(shù)難題。眾所周知，降低汽車重量可以有效降低油耗，底盤又占據(jù)著汽車整車1/3的重量，因此汽車底盤輕量化是減少汽車尾氣的一個(gè)重要途徑。隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，近年來我國汽車產(chǎn)銷量不斷攀升，如圖1所示，從2005年至2016年的汽車產(chǎn)銷量由500萬輛增加至2500萬輛以上，短短12年增加了5倍的產(chǎn)銷量，既大大提高了我國制造業(yè)的發(fā)展水平及人們生活的便利程度，但也給保護(hù)環(huán)境帶來了挑戰(zhàn)。

2、底盤零件輕量化

2.1、前下擺臂

前下擺臂傳統(tǒng)成形工藝為鋼板沖壓焊接成形，常用材料SAPH440、QSTE420、FB590等高強(qiáng)鋼，厚度一般在3.0mm以上，材料屈服強(qiáng)度在300MPa以上，使用氬氣+二氧化碳保護(hù)氣體焊接。輕量化前下擺臂如圖2所示。目前成熟的輕量化方法是單片鋼板沖壓成形和鋁合金鍛造成形。在傳統(tǒng)使用的高強(qiáng)鋼基礎(chǔ)上選用更高強(qiáng)度的FB780、CP800等先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料，材料屈服強(qiáng)度提高到600MPa以上。對(duì)零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將雙片鋼板沖焊成形變?yōu)閱纹瑳_壓成形，材料厚度不變或稍微微增加以滿足零件性能要求，減少零件生產(chǎn)工序的同時(shí)降低零件成本。日系軒逸、逍客、奇駿，韓系朗動(dòng)，美系愛唯歐、嘉年華，歐系的速騰、帕薩特等車型都已應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前下擺臂輕量化。鋁合金材料密度低，成形性好，與傳統(tǒng)鋼質(zhì)零件相比，輕量化效果能達(dá)到30%以上，但鋁合金材料成本較高，不適合在低端車型上應(yīng)用，在國內(nèi)外中高端車型中應(yīng)用較為普遍。鋁合金前下擺臂為滿足零件強(qiáng)度要求主要選用鍛造鋁合金材料，以6000系變形鋁合金為主，常用牌號(hào)為6061、6082等，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到350MPa以上，伸長(zhǎng)率大于10%。

2.2、轉(zhuǎn)向節(jié)

轉(zhuǎn)向節(jié)常用成形工藝為球墨鑄鐵鑄造成形和合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造成形，常用材料分別為QT450-10和40Cr。轉(zhuǎn)向節(jié)成熟應(yīng)用的輕量化方式是用鋁合金材料代替鋼質(zhì)材料，輕量化效果可達(dá)到40%左右。鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)有鑄造成形和鍛造成形兩種，后轉(zhuǎn)向節(jié)一般需要與多個(gè)控制臂等零件連接，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，鍛造工藝不易于實(shí)現(xiàn)，通常采用鑄造成形工藝；前轉(zhuǎn)向節(jié)根據(jù)零件性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可選擇鑄造或鍛造成形工藝。鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)不僅在國內(nèi)外中高端車型上得到了大量的應(yīng)用，在部分中低端車型上也有應(yīng)用。鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄造成型工藝一般采用低壓鑄造或重力鑄造，常用材料為AlSi7Mg。鍛造成形鋁合金常用材料為6061或6082。

2.3、扭力梁

扭力梁常用于價(jià)格較低的A級(jí)車后橋，傳統(tǒng)扭力梁結(jié)構(gòu)為鋼板沖壓成形，鋼板厚度一般為4～7mm。為了提高車型剛度要求，一般需要在扭力梁內(nèi)部增加一根穩(wěn)定桿，導(dǎo)致扭力梁總成較高的重量。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)扭力梁重量降低的方法主要是使用封閉變截面管狀扭力梁。變截面管狀扭力梁有液壓成形、鋼管沖壓成形和熱成形三種成形工藝，但從外觀上無法區(qū)分出成形工藝，鋼管厚度一般在3mm左右。與鋼板成形扭力梁相比，管狀扭力梁輕量化效果在15%左右，封閉的管狀結(jié)構(gòu)對(duì)零件強(qiáng)度和剛度有了很大的提高，同時(shí)省去安裝穩(wěn)定桿，減少零件數(shù)量，降低零件綜合生產(chǎn)成本。鋼管沖壓成形和液壓成形使用熱軋高強(qiáng)鋼材料高頻電阻焊接而成，常用材料為DP600、FB590、S460MC等。為提高零件強(qiáng)度，部分車型使用了更高強(qiáng)度的CP800、DP800等先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料，但為保證焊縫質(zhì)量，焊管工藝需使用激光焊接工藝。

3、汽車底盤輕量化技術(shù)優(yōu)化分析

一輛標(biāo)準(zhǔn)的汽車由動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等多種設(shè)備體系構(gòu)成，汽車底盤的重量大約可以占到汽車重量的30%，通過對(duì)汽車底盤輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于汽車節(jié)油具有十分重要的意義。汽車底盤因?yàn)楸仨毦哂泻軓?qiáng)的支撐能力，所以用于裝配汽車底盤的配件需要具備較高的要求。對(duì)于汽車底盤輕量化的優(yōu)化途徑首先選擇的是材料的輕量化設(shè)計(jì)，如使用輕質(zhì)的鎂鋁合金材料代替鋼材料。從汽車底盤加工的成型技術(shù)入手進(jìn)行改革，采用高強(qiáng)沖壓，將配件放入熱加工爐中加熱4分鐘。使配件均勻奧氏體化，用機(jī)械手臂將其取出，然后迅速轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具上快速?zèng)_壓成形，汽車底盤配件的強(qiáng)度可以達(dá)到1200兆帕。在汽車底盤的構(gòu)造中，主要有U形、W形和V形三種形式的沖壓梁。三種形式的汽車底盤沖壓梁在汽車構(gòu)造中起到了不同的作用，U形梁是最常見的一種汽車底盤縱梁的結(jié)構(gòu)形式，V形梁是汽車底盤防撞結(jié)構(gòu)的主要形式，V形梁對(duì)于提高汽車整體性具有十分重要的作用，其作為中間結(jié)構(gòu)對(duì)于汽車的剛度和強(qiáng)度的提升都有十分積極的作用。V形梁在提升汽車整體強(qiáng)度的前提下，其材料的重量也具有很大的優(yōu)勢(shì)，是汽車底盤進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的選擇。W梁是為了減少橫截面跨度大、應(yīng)力集中的問題產(chǎn)生的，這樣不僅使得結(jié)構(gòu)的剛度有了很大的提升，在安全性方面也超過了V形梁的作用，因此W形梁的結(jié)構(gòu)越來越多的用于汽車底盤的設(shè)計(jì)與制造當(dāng)中。

結(jié)束語

輕量化材料的應(yīng)用會(huì)帶來制造成形工藝的調(diào)整和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題；先進(jìn)成形工藝需要對(duì)零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和考慮材料成形性。汽車輕量化是汽車技術(shù)發(fā)展的方向，今后必然有更多的輕量化技術(shù)應(yīng)用在汽車底盤系統(tǒng)上。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬建新，林小鳳.新能源汽車底盤設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)探討[J].汽車與駕駛維修（維修版），2017（09）：89-90.

[2] 王鑭.YC1040載重汽車底盤有限元分析及優(yōu)化研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2017.

[3] 李豐濱.輕型載貨汽車底盤車架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].金屬世界，2017（02）：16-19+80.

[4] 晏臨風(fēng).新能源汽車底盤的三維設(shè)計(jì)研究[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2016，29（24）：122-123.

（作者單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司）