鑄造鋁合金在汽車底盤結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計中的運用

引言

汽車底盤結(jié)構(gòu)多含有行駛系、制動系、傳動系及轉(zhuǎn)向系構(gòu)件，而在構(gòu)件輕量化設(shè)計理念導(dǎo)向下，設(shè)計人員以鑄造鋁合金充當(dāng)構(gòu)件設(shè)計材料，已成為汽車底盤制造項目較為關(guān)鍵的選擇，因其可減少至少 30% 的車輛質(zhì)量，其輕量化效果高于 30% 故此設(shè)計人員有必要加強鑄造鋁合金的有效應(yīng)用，并制定完善的方案，促進汽車底盤結(jié)構(gòu)的順利加工，符合新時代對汽車產(chǎn)品性能與質(zhì)量的最新要求。

一、鑄造鋁合金在汽車底盤結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕量化設(shè)計中的運用價值

鑄造鋁合金在汽車底盤結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中的有效運用，其主要價值體現(xiàn)在以下兩個方面：

第一，力學(xué)性能強，在對汽車底盤結(jié)構(gòu)的副車架及其他部分實施輕量化設(shè)計時，之所以運用鑄造鋁合金，是因為該材料本身具有良好的力學(xué)性能。即低硅鑄造鋁合金在重力鑄造成形作用下，其熱處理狀態(tài)下抗壓強度多在360MPa到370MPa之間，屈服強度為300MPa到310MPa，伸長率為 8% 到 9% 而壓鑄作用下的“Al-10Si-Mn-Mg”鑄造鋁合金，其鑄態(tài)下對應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)分別為200MPa到 290MPa 、120MPa到 150MPa ， 4% 至 9% ，表明該材料盡管不應(yīng)用熱處理工藝，也能保持優(yōu)良的強度表現(xiàn)。因此，將該合金作為底盤結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計材料，具有一定可行性。

第二，車輛質(zhì)量小，除了力學(xué)性能優(yōu)良以外，鑄造鋁合金還能在實際運用后，幫助車輛減小質(zhì)量，其最小減小幅度為30% ，剛好可以滿足輕型汽車產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計要求。而且運用該材料時，還可通過調(diào)整合金材料內(nèi)硅、錳等化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)靈活調(diào)整性能，就此確保汽車底盤結(jié)構(gòu)經(jīng)由該材料的輔助，貼合輕量化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，促使汽車行業(yè)在鑄造鋁合金助力下得以創(chuàng)新改革[1]。

二、鑄造鋁合金在汽車底盤結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕量化設(shè)計中的運用方法

（一）優(yōu)化副車架結(jié)構(gòu)

設(shè)計人員在對汽車底盤結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計時，要想發(fā)揮鑄造鋁合金的實踐價值，具體可結(jié)合不同構(gòu)件對材料性能的需求情況優(yōu)化結(jié)構(gòu)。其中針對關(guān)鍵構(gòu)件副車架，常見的有實心副車架與空心副車架，以不同副車架結(jié)構(gòu)特點選擇適合的鑄造鋁合金，同時還要兼顧車輛載荷驗證所選結(jié)構(gòu)與鑄造鋁合金的適配性。根據(jù)對多種類型鑄造鋁合金力學(xué)性能的綜合分析，能夠發(fā)現(xiàn)低壓鑄造鋁合金適用于空心副車架結(jié)構(gòu)，鋁鋅鑄造合金可用于實心副車架結(jié)構(gòu)。

前者在運用過程中，設(shè)計人員可先行借助3D打印技術(shù)掌握副車架內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，而后結(jié)合低壓鑄造方式促進材料成形。一般在低壓鑄造鋁合金作用下，基本能使汽車底盤副車架結(jié)構(gòu)在熱處理狀態(tài)下，保持最小 280MPa 的抗壓強度和 220MPa 的屈服強度，且伸長率也能達(dá)到 7% 的標(biāo)準(zhǔn)。在低壓鑄造鋁合金應(yīng)用期間，所形成的鑄件壁厚在6mm到 10mm 之間，孔壁厚與體積量分別為 40mm 、 0.0056m³ 。另外，針對空心副車架也可采取擠壓鑄造鋁合金，其中設(shè)計人員宜將鑄造模具的工作溫度及澆注溫度分別控制在 250^°C. ， 700^°C 左右，并且持續(xù)進行20s擠壓操作（ 250MPa， ，確保每分鐘最小產(chǎn)生100mm 的移動區(qū)間。為避免輕量化設(shè)計期間受鑄件厚度影響而減弱輕量化設(shè)計效果，設(shè)計人員也要控制好壓鑄鋁合金中各化學(xué)成分的添加量，尤其是鐵金屬不宜超過 0.15% ；錳金屬盡量保持在 0.5% 到 0.8% 以內(nèi)。而且由于壓鑄鋁合金的抗壓強度在鎂元素含量添加過多 （gt;0.21% ）時，可能會對強度帶來干擾，所以務(wù)必注重化學(xué)成分含量添加標(biāo)準(zhǔn)。后者運用鋁鋅鑄造合金時，因其含有更高鋅元素，所以能適當(dāng)增強副車架的耐腐性及延展性，故可結(jié)合既定質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比結(jié)果，強化此類材料在副車架結(jié)構(gòu)中的力學(xué)性能。即按照6：1.3：0.1：0.10.2：余量（鋅：鎂：鋯：鈦：鋁）標(biāo)準(zhǔn)，改善該鑄造鋁合金在副車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中的應(yīng)用效果。

（二）優(yōu)選前下擺臂工藝

設(shè)計人員對前下擺臂構(gòu)件實施輕量化設(shè)計，則應(yīng)當(dāng)選擇適合的鑄造鋁合金應(yīng)用工藝。以往多以厚度高于 3mm 的鋼材搭配沖壓焊接工藝為主，雖然能夠獲得 300MPa 左右的抗壓強度，但此種方法顯然不易于減小車輛質(zhì)量，脫離輕量化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，故有必要提出以擠壓鑄造、低壓鑄造、重力鑄造等工藝運用鑄造鋁合金材料，進而成功生產(chǎn)輕型汽車產(chǎn)品。

值得一提的是，于鑄造鋁合金運用期間，因其具備低密度、易于成形特點，所以已有多家汽車生產(chǎn)企業(yè)重視鑄造鋁合金的應(yīng)用價值，但其采購成本相比鋼材等價格更高，所以實現(xiàn)底盤結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕量化設(shè)計前，也要考慮經(jīng)濟性因素，盡量選擇6082型鑄造鋁合金或6061型鑄造鋁合金，以此在達(dá)到350MPa 強度標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，也能有效控制設(shè)計成本。此外，實際采用擠壓鑄造工藝，也能使設(shè)計后的構(gòu)件具有 9% 以上的伸長率與226MPa以上的屈服強度。如若未進行擠壓操作，可能會導(dǎo)致前下擺臂軸承孔洞部分出現(xiàn)松動不緊固問題，因此設(shè)計人員在對前下擺臂構(gòu)件進行整體擠壓鑄造時，也可利用擠壓機，對準(zhǔn)薄弱處予以局部擠壓處理，繼而進一步提升構(gòu)件性能。

（三）合理控制鑄造壓力

設(shè)計人員面對不同底盤構(gòu)件，運用鑄造鋁合金之際，設(shè)置的鑄造壓力略有差異，即轉(zhuǎn)向節(jié)構(gòu)件，多設(shè)計低壓鑄造條件；輪罩減震塔構(gòu)件則以真空高壓鑄造條件為主；前底板與后底板，需創(chuàng)設(shè)大力真空鑄造條件，進而通過對鑄造壓力的合理調(diào)整，合乎多構(gòu)件鑄造鋁合金應(yīng)用要求。于低壓鑄造過程中，設(shè)計人員可聯(lián)合球墨鑄鐵件，促進相關(guān)構(gòu)件得以輕量化設(shè)計。真空高壓鑄造可借助壓鑄機（3500T）打造真空高壓鑄造環(huán)境，設(shè)計人員可利用整體澆注設(shè)計搭配兩件布局設(shè)計方式加快鑄造成形速度，并且還要將壓鑄機運行中釋放的真空鑄造溫度控制在700^°C 左右，同時需在鑄造中持續(xù)進行3h保溫處理，使其在高溫環(huán)境里具有更強性能。經(jīng)分析，在該鑄造壓力下設(shè)計而成的輪罩減震塔構(gòu)件，最小有250MPa的屈服強度和300MPa的抗壓強度，伸長率最小 8% ，表明壓力不同，可能會對鑄造鋁合金運用后的輕量化設(shè)計效果產(chǎn)生影響。至于完全為構(gòu)件設(shè)計真空鑄造條件，可借助超大真空壓鑄機！ （gt;7000T） ，促進底板構(gòu)件無需熱處理也能體現(xiàn)輕量化設(shè)計特點。

目前市面上奧迪A8、奔馳S級、阿斯頓·馬丁DB11產(chǎn)品均以鑄造鋁合金底盤減輕車身質(zhì)量，同時經(jīng)由鑄造鋁合金底板構(gòu)件輔助，車輛舒適性與可操控性也得到了有效提升，因此設(shè)計人員理應(yīng)對汽車底盤結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行壓力可變性設(shè)計，以貼合輕量化設(shè)計理念，使底板構(gòu)件鑄造成形后，為汽車產(chǎn)品的整體運行質(zhì)量帶來積極影響。

（四）加強參數(shù)適配設(shè)計

為使鑄造鋁合金在輕量化設(shè)計中發(fā)揮顯著作用，設(shè)計人員設(shè)計汽車底盤結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，應(yīng)當(dāng)利用建模軟件對構(gòu)件參數(shù)進行強化設(shè)計，以此增強底盤設(shè)計參數(shù)與輕量化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的適配性。

具體可選擇UGNX10.0軟件，建模后比較鑄造鋁合金與傳統(tǒng)鋼材料的性能差異，自此輔助設(shè)計人員知曉參數(shù)優(yōu)化設(shè)計要點。以Q345與7075兩種材料為建模對比對象，其密度分別為 7.85g/cm³ ， 2.82g/cm³ ，泊松比為0.3、0.33，屈服強度與抗壓強度為345MPa（480MPa）、600MPa（520MPa）。于軟件界面比較不同材料下底盤體積占比率（ 0% 到 100% ，若根據(jù)下列公式優(yōu)化鑄造鋁合金運用階段形成的底盤參數(shù)以后，顯示與適配設(shè)計前比較力學(xué)性能有上升趨勢，傳統(tǒng)鋼材也呈現(xiàn)增強狀態(tài)，可證明參數(shù)適配設(shè)計結(jié)果具有適用性。

式中y （x） 表示設(shè)計變量和目標(biāo)關(guān)系函數(shù)；n表示基函數(shù)相數(shù)；表示系數(shù)；表示基函數(shù)； X 表示設(shè)計變量；表示誤差。

經(jīng)研究，確定在對底盤結(jié)構(gòu)構(gòu)件運用鑄造鋁合金，要求將底盤應(yīng)力控制在 700MPa 以下，最多保留 90% 的底盤體積比，輕量化設(shè)計底盤環(huán)節(jié)，最多產(chǎn)生 10mm 的變形量。隨著在鑄造鋁合金運用過程優(yōu)化底盤參數(shù)，有益于改善汽車底盤結(jié)構(gòu)綜合性能，也能實現(xiàn)汽車行業(yè)底盤結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。

結(jié)論

綜上所述，鑄造鋁合金運用于汽車底盤結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計階段，主要在于鑄造鋁合金具備力學(xué)性能強、車輛質(zhì)量小等價值。為進一步強化輕量化設(shè)計效果，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)從副車架結(jié)構(gòu)、前下擺臂工藝、鑄造壓力及參數(shù)適配設(shè)計等方面著手，促使在鑄造鋁合金助力下，進一步改善汽車底盤結(jié)構(gòu)使用性能，促進輕型汽車的成功研發(fā)。

參考文獻：

[1]李先洲，柳建國.鑄造鋁合金在汽車底盤結(jié)構(gòu)件輕量化中的應(yīng)用[J].鑄造工程，2024，48（03）：22-26.

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃-桂科AB23026112-面向小型新能源車的輕量化復(fù)合材料汽車零部件低碳制造關(guān)鍵技術(shù)

廣西科技重大專項-桂科AA23062065-新能源汽車多材料混合結(jié)構(gòu)車身零部件高性能設(shè)計制造技術(shù)與應(yīng)用（廣西新能源汽車實驗室專項）

廣西科技重大專項-桂科23062063--輕量化零部件高性能剛鋁塑混合成型與連接設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)研究 （廣西新能源汽車實驗室專項）