鋁合金壓鑄減震塔的結構設計與性能研究

姜子敬，林少輝，楊文葉，楊磊，李振興，郭秋彥

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

輕量化是汽車節能、安全、環保最有效的途徑，也是在新能源車時代解決續航里程焦慮最直接的手段。研究表明，汽車整備質量每降低100 kg，燃油車可節省燃油0.004 5 L/km，按照車輛生命周期10×105km計算，可節省燃油450 L，核算燃油成本約4 300元，降低CO2排放1.2 t；新能源車每減重100 kg可節省0.004 kWh/km，按照800 km續航的車型百公里電耗為13 kWh，可提升續航25 km，按1 100元/kWh電池成本核算，單車可節省約2 200元。隨著輕量化材料在汽車領域應用的發展，鋁合金、鎂合金、復合材料等逐步在汽車結構件中得到廣泛應用。其中，鋁合金以其力學性能優異、密度低、耐腐蝕、成本等綜合優異性能和卓越的輕量化價值，在汽車底盤、車身件中已經不再局限于擠壓件和沖壓件，壓鑄鋁合金件在車身結構件已經得到強烈的推廣應用，實現了汽車的進一步輕量化[1]。汽車的結構件一般為汽車的力承載件或受力、力傳遞路徑件，減震塔是汽車減震器的安裝點，是車身上重要的承載部件[2]。目前，隨著鋁合金壓鑄技術的進步，大型復雜的薄壁鋁合金壓鑄件性能大幅提升，在車身上應用逐步推廣，鋁合金壓鑄減震塔是各大主機廠突破鑄鋁結構件技術應用的典型代表[3-4]。

本文基于某車型的鋼制減震塔，采用壓鑄鋁方案以減震塔性能需求為約束進行結構設計和工藝成型分析，通過多輪優化設計，獲得了鋁合金減震塔的結構，性能分析和實物驗證，在性能不降低的前提下實現約38%的輕量化收益。

1 減震塔市場車型應用調研

表1為減震塔用材工藝市場調研結果。

表1 減震塔用材工藝市場調研結果

根據表1減震塔市場調研結果可以看出，市場常見車型減震塔還是以鋼制為主；鋁合金減震塔多應用于中高端車型；鋁合金減震塔相對于鋼制件整車減重30%～40%。因此，隨著新能源車的迅猛發展，在成本和輕量化平衡的選擇下，鑄鋁減震塔的應用前景會越來越普遍。

2 鑄鋁減震塔的結構設計和性能驗證

2.1 某鋼制減震塔結構

某車型前鋼制減震塔由8個鋼制沖壓件拼焊而成，整車減震塔質量為6.3 kg。鋼制減震塔拼焊組成件用材和料厚情況如下：

(1)前減震器座本體：SAPH440，料厚 2.5 mm；

(2)前輪罩：B240ZK，料厚1.5 mm；

(3)流水槽前部加強板右后連接板：B240ZK，料厚1.4 mm；

(4)流水槽前部右上加強板：B240ZK，料厚1.2 mm；

(5)流水槽前右側加強板：HC340LA，料厚1.2 mm；

(6)右前輪罩上加強板：B240ZK，料厚1.2 mm；

(7)右前輪罩下加強板：B240ZK，料厚1.2 mm；

(8)流水槽前部加強板右前連接板：B240ZK，料厚 1.2 mm。

鋼制減震塔結構如圖1所示。

圖1 鋼制減震塔結構

2.2 鑄鋁減震塔材料選型

減震塔是車身上的承載件，其核心性能指標為剛度。根據減震塔的受力情況，結合鋼制減震塔的性能，進行材料選型、結構設計和性能驗證。對標鋼制減震塔，設定鑄鋁減震塔材料選型的性能要求為：屈服強度不小于120 MPa，抗拉強度不小于180 MPa，斷裂伸長率不小于12%。表2為減震塔鋁合金材料AlSi10Mg性能。

表2 減震塔鋁合金材料AlSi10Mg性能

由表2可以看到，選擇采用AlSi10Mg T7熱處理工藝的材料最佳。

2.3 鑄鋁減震壁厚和壓鑄工藝特征設計

為了保證與鋼制減震塔有效且合理的減震塔載荷路徑，鑄鋁減震塔的設計空間遵循最大限度地沿用鋼制減震塔邊界。如圖2所示，考慮到減震塔與機艙布置的空間，根據鋁合金材料性能、減震塔安裝硬點、受力載荷及輕量化減重需求，鑄鋁減震塔設計不等壁厚度為3～5 mm。

圖2 鑄鋁減震塔壁厚設計

由于鋁合金減震塔采用高真空壓鑄成型工藝，需要確保鋁合金壓鑄減震塔的結構設計具備良好的壓鑄工藝性。圖3為鑄鋁減震塔拔模角設計，本次鑄鋁減震塔的拔模角設計為1.5°，便于鑄件出模。

結合減震塔結構性能、料厚和壓鑄工藝性，設計的鑄鋁減震塔質量為4.2 kg，相比于鋼制減震塔6.75 kg，整車減重5.1 kg，減重比例為37.8%。

圖3 鑄鋁減震塔拔模角設計

2.4 鑄鋁減震塔成型工藝及模流分析

鑄鋁減震塔采用高真空壓鑄工藝成型，其成型工藝流程如圖4所示。

圖4 鑄鋁減震塔成型工藝流程

鑄鋁減震塔壓鑄環節需要進行模流分析，預測產品結構成型工藝的可行性，避免模具開發完成后進行長周期的調整，從而保證產品成型的質量。由圖5的鑄鋁減震塔填充溫度模擬情況可以看出，填充溫度高于600 ℃時，填充比較順暢，效果較好。由圖6氣體包卷模擬分析可以看出，氣體包卷較少，低于30%。由圖7氣壓模擬分析結果顯示，產品結構成型填充氣壓均在300 MPa以下，總體效果滿足成型工藝要求。由圖8材料流向模擬分析可以看出，鑄鋁減震塔結構材料填充順暢，無明顯紊流，效果較好。由圖9凝固溫度模擬分析顯示，鑄鋁減震塔成型的冷卻時間為14 s，局部區域需要水管重點冷卻。

圖5 填充溫度模擬分析

圖6 填充氣體包卷模擬分析

圖7 填充氣壓模擬分析

圖8 填充材料流向模擬分析

圖9 凝固溫度模擬分析

2.5 鑄鋁減震塔性能分析

圖10和圖11分別為鑄鋁減震塔的關鍵位置及其料片性能測試結果。抗拉強度平均值為215 MPa，滿足抗拉強度不小于180 MPa的要求。屈服強度平均值為150 MPa，滿足屈服強度不小于120 MPa的要求。斷裂伸長率平均值為14.5%，滿足斷裂伸長率不小于12%的要求。如圖12所示，鑄鋁減震塔強度滿足性能要求。

圖10 鑄鋁減震塔的關鍵位置

圖11 鑄鋁減震塔的料片性能測試結果

圖12 鑄鋁減震塔強度分析結果

2.6 鑄鋁減震塔連接與表面處理

減震塔采用鋁合金高真空壓鑄成型，與車身周邊鋼制件的連接采用SPR，具體連接工藝設計如圖13所示。減震器塔部件進行TiZr鈍化處理，鈍化膜重為2～8 mg/m2。

圖13 鑄鋁減震塔連接工藝設計

3 結束語

本文從鑄鋁減震塔的性能分析、材料選型、結構設計、成型工藝和連接工藝設計以及性能分析，設計開發了某車型的鑄鋁減震塔，在滿足產品性能要求的同時實現輕量化減重37.8%。由于成本和技術成熟度的限制，乘用汽車減震塔現階段仍然以鋼制焊接為主。部分主機廠針對鑄鋁結構件的應用技術已逐步突破，其中鑄鋁減震塔的應用已達到成熟量產的水平，未來一體壓鑄后地板、前地板、地板整體等已有主機廠投入研究和開發，鑄鋁結構件的應用具有更廣闊的應用前景。