技術(shù)干貨|鋁合金副車(chē)架在汽車(chē)輕量化中應(yīng)用解析
近年來(lái)，能源和環(huán)境問(wèn)題已成為人類(lèi)發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)，通過(guò)降低汽車(chē)重量來(lái)達(dá)到節(jié)能減排成為汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的重要工作。應(yīng)用鋁合金零件已成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑，副車(chē)架做為支承前后車(chē)橋、懸掛的支架，國(guó)外主機(jī)廠(chǎng)在中高端車(chē)型上使用鋁合金副車(chē)架，輕量化效果顯著。本文介紹了兩種鋁合金副車(chē)架成型方式:一種是壓力鑄造、鋁管液壓成型或鋁板沖壓焊接等單一的工藝直接成型;另一種是由鑄造成型、擠壓成型、鋁管液壓成型、鋁板沖壓等兩種或兩種以上工藝組合。
汽車(chē)保有量的快速增長(zhǎng)帶來(lái)了能源和環(huán)境的雙重危機(jī)，汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。鋁合金材料具有密度小、成形性好、耐腐蝕性能優(yōu)良的特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑，鑄造鋁合金和變形鋁合金在汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)和動(dòng)力總成上得到大量應(yīng)用。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告表明:汽車(chē)所有能耗的60%來(lái)自汽車(chē)自重，整車(chē)每減重10%，可降低油耗10%～15%。鋁合金的特性使它非常適合用于生產(chǎn)汽車(chē)零件。副車(chē)架做為汽車(chē)底盤(pán)重要零部件，歐系、美系和日系等高端車(chē)型上已成熟的使用鋁合金代替鋼鐵副車(chē)架。下面就汽車(chē)鋁合金副車(chē)架的應(yīng)用現(xiàn)狀和成型工藝作簡(jiǎn)要介紹。
1、副車(chē)架輕量化途徑
圖1所示為汽車(chē)副車(chē)架輕量化技術(shù)途徑。副車(chē)架傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是先將鋼板沖壓變形，通過(guò)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接后成形，由于工藝簡(jiǎn)單實(shí)用，至今仍然被用于中低端車(chē)型上。隨著對(duì)汽車(chē)品質(zhì)要求的提高，國(guó)外主機(jī)廠(chǎng)將生產(chǎn)航空航天零件的液壓成型工藝用來(lái)生產(chǎn)汽車(chē)全框式副車(chē)架，采用鋼管液壓成型不僅可以減少生產(chǎn)工序，降低零件成本，而且液壓成形的零件精度、材料利用率和零件強(qiáng)度更高，因此現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外中高端車(chē)型上常被應(yīng)用。鋁合金材料憑借良好的成形性能和輕量化效果，現(xiàn)在在奧迪、寶馬、奔馳、英菲尼迪、謳歌等國(guó)外中高端主機(jī)廠(chǎng)車(chē)型副車(chē)架上得到使用，成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的有效途徑。
圖1 副車(chē)架輕量化技術(shù)途徑
2、鋁合金副車(chē)架成形
汽車(chē)底盤(pán)副車(chē)架屬于重要的結(jié)構(gòu)安全件，它連接和固定著懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等總成零件，對(duì)其強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、操穩(wěn)等性能要求較高。為了降低副車(chē)架重量實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，國(guó)內(nèi)外各主機(jī)廠(chǎng)一直研究并且有的廠(chǎng)家已成熟地應(yīng)用了多種不同成形工藝的鋁合金副車(chē)架。當(dāng)前用于生產(chǎn)汽車(chē)鋁合金零部件的成形工藝有壓鑄成形、擠壓成形、鍛造成形、鋁管液壓成形和鋁板沖壓成形等，下面針對(duì)鋁合金副車(chē)架已成熟應(yīng)用的各種成形工藝進(jìn)行介紹。
2.1壓鑄成形
壓鑄成形是在一定壓力作用下使鋁合金熔體填充型腔，壓鑄成形零件具有組織致密、力學(xué)性能高、尺寸精密、加工余量小等特點(diǎn)，是汽車(chē)上應(yīng)用最多的鋁合金零件成形工藝。鋁合金壓鑄成形根據(jù)副車(chē)架不同部位對(duì)強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、安裝等要求，可生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，滿(mǎn)足副車(chē)架各個(gè)部位不同性能的要求。相比傳統(tǒng)鋼板沖焊成形副車(chē)架，在降低重量的同時(shí)，減少了零件數(shù)量、焊接和組裝工序，提高了零件生產(chǎn)效率。但是鑄造鋁合金材料強(qiáng)度較鋼板的低很多，需通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和工藝的控制來(lái)滿(mǎn)足副車(chē)架總成性能要求。壓鑄鋁合金副車(chē)架常用材料為Al-Si系合金(例如Al-Si11、Al-Si7-Mg0．3、Al-Si7-Mg、Al-Si9-Mg-Mn等)，最終零件的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到270N/mm2以上。
圖2列舉了一部分車(chē)型應(yīng)用的壓鑄成形鋁合金副車(chē)架?，F(xiàn)在采用鋁合金壓鑄成形副車(chē)架的車(chē)型有歐系的大眾途觀(guān)、老款邁騰、大眾CC、奧迪Q3、奔馳C級(jí)、路虎攬勝，日系的英菲尼迪Q50以及美系的克萊斯勒200C等等車(chē)型。國(guó)內(nèi)自主品牌廣汽也已通過(guò)高抽真空鑄造工藝研發(fā)出鋁合金副車(chē)架，并在傳祺系列車(chē)型的后副車(chē)架上成功應(yīng)用。
圖2 一部分車(chē)型的壓鑄成形鋁合金副車(chē)架
2.2液壓成形
液壓成形工藝是利用液體作為傳力介質(zhì)，通過(guò)模具使工件成形的一種塑性加工技術(shù)。液壓成形工藝可以減少零件數(shù)量、零件生產(chǎn)工序和模具數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提高零件剛度與強(qiáng)度。鋁合金材料伸長(zhǎng)率較低，在向鋁管內(nèi)充液快速加壓過(guò)程中易造成鋁管補(bǔ)料不足而起皺或開(kāi)裂，鋁管液壓成形難度大。
如圖3所示，大眾汽車(chē)在其豪華車(chē)型輝騰上應(yīng)用了鋁管液壓成形前副車(chē)架，重量?jī)H為10．5kg，輕量化效果顯著，選用的鋁管材料牌號(hào)為Al-Mg3-Mn，材料抗拉強(qiáng)度可達(dá)到200N/mm2以上。
圖3 輝騰車(chē)型的鋁管液壓成形副車(chē)架
2.3多種工藝組合應(yīng)用
2.3.1鑄造成形+擠壓成形
擠壓成形可生產(chǎn)截面復(fù)雜、壁薄等特點(diǎn)的零件，使零件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、強(qiáng)度較高。將鑄造和擠壓成形結(jié)合起來(lái)用于生產(chǎn)汽車(chē)副車(chē)架，不但可以滿(mǎn)足對(duì)副車(chē)架個(gè)別復(fù)雜部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)可滿(mǎn)足副車(chē)架對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求。汽車(chē)底盤(pán)常用擠壓鋁合金有5754(Al-Mg3-Mn)、6060(Al-MgSi0．5)、6005A、6063等。
鑄造+擠壓成形副車(chē)架通常使用擠壓成形工藝生產(chǎn)橫梁或縱梁;在副車(chē)架需要與車(chē)身或底盤(pán)其他部位連接的部位，結(jié)構(gòu)變化較為復(fù)雜，采用鑄造成形工藝較為合適。通過(guò)MIG焊接將兩種鋁合金零件組裝在一起。如圖4所示，在雪鐵龍C5、凱迪拉克CTS和克萊斯勒Concorde等車(chē)型上，已應(yīng)用這種組合工藝生產(chǎn)副車(chē)架。
圖4 幾種車(chē)型上采用鑄造+擠壓成形工藝生產(chǎn)的鋁合金副車(chē)架
2.3.2鑄造成形+擠壓成形+液壓成形
圖5中所示的奧迪A6及其同平臺(tái)下的A4和Q5等車(chē)型使用的鋁合金前副車(chē)架，其前橫梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但強(qiáng)度要求較高，使用擠壓鋁合金型材滿(mǎn)足了強(qiáng)度和成形要求;左/右縱梁為鋁合金管液壓成形，保證了零件強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求;與車(chē)身、底盤(pán)和發(fā)動(dòng)機(jī)等零件連接的部位需要相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使用壓鑄鋁合金零件能夠滿(mǎn)足要求。三種工藝成形的零件通過(guò)MIG焊接組合在一起。
圖5中所示的寶馬5系和7系的后副車(chē)架，其后橫梁使用擠壓鋁合金型材;前橫梁則使用的是液壓成形鋁合金管;縱梁兩端需與車(chē)身連接，同時(shí)要為懸架系統(tǒng)控制臂提供安裝支座，鑄造工藝可同時(shí)鑄造完成，無(wú)需再焊接連接接頭和襯套等零件。
圖5 幾種車(chē)型上的鑄造+擠壓+液壓成形的副車(chē)架
2.3.3鋁板+其他組合工藝成形
與鋼板相比，鋁合金板雖然伸長(zhǎng)率低、硬度小、沖壓成形性低，但各主機(jī)廠(chǎng)比較看重鋁合金板的輕量化的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)克服設(shè)計(jì)和工藝上的難點(diǎn)，現(xiàn)已在汽車(chē)車(chē)身覆蓋件上大量應(yīng)用鋁合金。國(guó)外主機(jī)廠(chǎng)也一直研究在副車(chē)架上使用鋁合金板代替鋼板生產(chǎn)零件。用鋁合金板代替鋼板，通過(guò)增加板料厚度和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)彌補(bǔ)鋁合金板在強(qiáng)度上的不足。如圖6所示，將鋁合金板與擠壓成形、鑄造成形和液壓成形工藝結(jié)合起來(lái)生產(chǎn)副車(chē)架也已得到實(shí)際應(yīng)用。生產(chǎn)副車(chē)架常用的材料有6061、5754(Al-Mg3-Mn)等鋁合金厚度2．5mm～5mm板材。
圖6 幾種車(chē)型上采用鋁板+其他成形工藝生產(chǎn)的副車(chē)架
3、結(jié)束語(yǔ)
國(guó)外汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)越來(lái)越多的通過(guò)應(yīng)用鋁合金來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)減重。而國(guó)內(nèi)鋁合金副車(chē)架受制于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力和鋁合金生產(chǎn)工藝水平的限制，同時(shí)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的品牌車(chē)型主要是面向中低端市場(chǎng)，無(wú)法承擔(dān)較高的零件生產(chǎn)成本，故在國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的品牌車(chē)型中應(yīng)用鋁合金副車(chē)架的較少。國(guó)內(nèi)自主品牌汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)應(yīng)逐步掌握鋁合金副車(chē)架的設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)和積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，逐步推廣鋁合金副車(chē)架的應(yīng)用。
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