基于鋁合金減震器塔的鋼鋁連接設計及驗證

魯后國，趙震，闞洪貴，梁端

基于鋁合金減震器塔的鋼鋁連接設計及驗證

魯后國1，趙震1，闞洪貴1，梁端2

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601；2.安徽巨一自動化裝備有限公司，安徽 合肥 230601）

文章基于某輕量化新能源車型鋁合金減振器塔的應用，通過有限元模型斷面尺寸仿真分析和實驗室斷面金相、拉伸剪切、疲勞等性能檢測輔助，介紹了鋁合金減振器塔與鋼制車身的SPR自沖鉚連接設計、驗證及性能評價。

輕量化；鋁合金；鋼鋁連接；自沖鉚接；設計與驗證

引言

近年來，隨著全球能源危機日趨嚴重，節能、安全、環保越來越受到各國的關注[1]，相繼出臺了《乘用車燃料消耗量限值》、《輕型商用車輛燃料消耗量限值》等國家標準；同時，《中國制造2025》中的“節能及新能源汽車”技術路線圖中輕量化的技術中，特別提到混合材料的連接技術。本文基于某新能源車型，介紹了鋁合金減震器塔與鋼制車身的SPR連接設計、驗證及性能評價。

1 工藝介紹

1.1 自沖鉚接（SPR）

鉚釘在外力作用下，穿透第一層和中間層材料，在凹模空腔形貌的引導下，向外擴展并推動底層材料塑性流動，最終在鉚釘與底層材料之間形成一個相互鑲嵌的塑性互鎖，這一過程稱作自沖鉚接，簡稱SPR。SPR可用于連接各類同種或異種材料，如帶鍍鋅層、有機層或預涂裝的鋼板、鋁鋼混合等材料組合。鉚接質量穩定、鉚接過程清潔無煙霧、消耗能量少、易實現自動化。圖1為SPR工藝過程示意圖。

圖1 SPR工藝過程示意圖

2 設計方案

2.1 SPR連接結構設計

鋁合金減振器塔與鋼制車身前縱梁、前圍、發艙上邊梁搭接，如下圖2所示。

圖2 搭接結構

鋁合金減振器塔與周邊鋼制車身件的搭接狀態、厚度組合、鋼制件材質如下表1。

表1 鋼鋁搭接組合信息

2.2 SPR鉚釘選型設計[2]

常用鉚釘有直徑3.4mm和5.3mm兩種，根據經驗本方案材料總厚度大于2.0 mm，故選用直徑5.3 mm鉚釘，根據經驗公式獲得匹配的鉚釘長度：

L=T+0.617D-0.1246 （1）

（L為鉚釘長度，T為板材總厚度，D為鉚釘腿部直徑，單位mm。）

常用SPR鉚模包括中間帶凸起和平底兩種，中間帶凸起鉚模有利于提高鉚釘與板材之間的底切量，獲得較好的機械自鎖效果，本設計選用中間帶凸起鉚模。模釘體積比R大于1時，接頭底部與凹模間形成空腔，能形成相對松弛的SPR接頭。結合以上因素，完成鉚釘鉚模選型。

表2 鉚釘、鉚模選型

3 SPR模型仿真分析

根據SPR工藝過程中板材、鉚釘、鉚模的真實位置關系和幾何尺寸建立SPR有限元模型，模型由沖頭、鉚釘、模具、壓邊圈和板材構成，板材無間隙疊放。

圖3 有限元分析模型

研究采用幾何形貌對比的方法驗證SPR有限元仿真模型的準確性，選取板材組合為：3.0 mm鋁合金和1.5mm H340LAD，鉚釘和鉚模分別為：HSS5.5x6.5H5和M260238。如圖3所示，幾何形貌對比結果表明，仿真SPR接頭與實驗接頭的宏觀形貌十分吻合，仿真底切量與實驗誤差小于5%。

4 實驗室驗證及性能評價

4.1 斷面金相檢測及評價

首先進行外觀檢查，合格鉚接點需外觀形狀均勻、無裂紋、底部無刺穿，對鉚接點進一步通過切割、磨拋和清洗手段獲得斷面金相試樣，用光學顯微鏡獲得金相照片，分析斷面金相上的關鍵尺寸以及形貌情況[3]，3種選型SPR鉚釘斷面尺寸均滿足要求，檢測及評價內容見下表。

圖4 自沖鉚接接頭幾何評價標準

表3 評價標準

表4 SPR鉚接斷面金相尺寸匯總表

4.2 拉伸剪切性能

拉伸剪切試驗以10m/s的速度施加載荷，直到鉚接結構失效，連接被破壞，載荷趨于零。本階段用4組試片匹配不同結構膠進行試驗橫向對比，驗證鉚釘的連接性能。試驗結果如下圖5、表5所示：

圖5 試片拉伸剪切圖示

表5 試樣拉伸結果匯總表

試驗結果：1、2組試樣最大拉伸力18.6KN和18.5KN，均出現鋁試樣斷裂，分析可能是由于鋁試樣存在鑄造缺陷導致；3、4組試樣最大拉伸力20.1KN和22KN，膠層斷裂，滿足拉伸力≥20KN要求。

4.3 疲勞性能驗證

疲勞試驗采用軸向載荷控制，循環載荷比R=0.1，頻率5～25Hz，加載正弦波，循環直到峰值載荷下降50﹪或試樣斷裂失效。共完成28組試片（H340LAD-1.5與AlSi10MnMg- 3.0）試驗，對數據進行擬合獲得F-N曲線見下圖，相應的F-N關系式lgF=a+b×lgN的相關參數見表6。

表6 F-N曲線（最大力-疲勞壽命曲線）

lgF=a+b×lgN的相關參數

圖6

經過以上實驗室驗證，鋼鋁連接SPR鉚接點斷面金相、拉伸剪切和疲勞性能均滿足設計要求。

5 裝車驗證

本階段按照前期的SPR連接設計方案進行實物裝車驗證，利用專業SPR設備共完成3臺白車身的鉚接驗證，順利驗證SPR連接設計方案的工藝可行性。

圖7 裝車驗證過程圖示

6 結語

本文基于某新能源車型鋁合金減振器塔設計，根據材質料厚與經驗，并通過有限元模型斷面尺寸的仿真分析和實驗室斷面金相、拉伸剪切、疲勞等性能檢測，最終完成鋁合金減振器塔與鋼制車身的SPR連接設計和驗證。SPR隨著新能源汽車行業的發展，技術與成本的不斷優化，SPR在鋼鋁與復合材料混合應用的輕量化車身結構中將有著廣泛地應用前景。

[1] 李舜酩,張凱成,丁瑞,等.鋼鋁結合商用車車架輕量化技術綜述[J].重慶理工大學學報:自然科學,2019(10).

[2] 王建軍,沈波.鋼鋁車身自沖鉚接接頭質量影響因素淺析[J].汽車實用技術,2019.

[3] 趙新華,姬琳輝,孟憲明,等.半空心鉚釘自沖鉚接的研究進展[J]. 新技術新工藝,2019(10).

[4] 王云慶.鎖鉚鉚接汽車輕量化的連接工藝[J].汽車與配件,2012.

Design and verification of steel-aluminum connection based on Aluminum Alloy Shock Absorber Tower

Lu Houguo1, Zhao Zhen1, Kan Honggui1, Liang Duan2

（1.JAC Technical Center, Anhui Hefei 230601; 2.JEE Automation Equipment Co., Ltd. Anhui Hefei 230601 )

In this paper, based on the application of Aluminum Alloy Shock Absorber Tower in a new light energy vehicle, the finite element model is used to simulate the section size of the absorber tower, the design, Verification and performance evaluation of Spr self-piercing riveting connection between aluminum alloy shock absorber tower and steel body are introduced.

Lightweight;Aluminum alloy;Steel-aluminum connection;Self-piercing riveting technology;Design and verification

A

1671-7988(2020)24-168-03

魯后國（1980-），男，安徽合肥人，在職工程碩士，高級工程師，主要研究方向：汽車車身設計。

U466

A

1671-7988(2020)24-168-03

復雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應用關鍵共性技術研究項目（2016YFB 0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.054

CLC NO.: U466