汽車底盤輕量化材料和工藝分析

張斯程

摘 要：當前汽車的保有量不斷的增加，汽車產(chǎn)業(yè)不斷的壯大，為了提升競爭力，汽車廠商不斷嘗試技術(shù)的創(chuàng)新。汽車底盤輕量化是當前汽車產(chǎn)業(yè)共同關(guān)注的話題，通過對底盤的輕量化，能夠降低車輛的重量，進而降低油耗，提升車輛的舒適度。而隨著新材料和工藝的發(fā)展，越來越多的輕量化材料被研發(fā)，為實現(xiàn)汽車底盤輕量化奠定基礎。本文主要對汽車底盤輕量化材料以及具體的工藝進行分析。

關(guān)鍵詞：汽車底盤;輕量化材料;工藝

汽車當前已經(jīng)成為人們出行中的重要交通工具，為人們的生活和出行帶來便利，但是同時也導致能源以及環(huán)境危機，隨著汽車保有量的增加，對環(huán)境和能源的威脅越大，因此當前汽車廠商都在探尋降低汽車尾氣排放量的方式。而汽車油耗與汽車重量具有直接的關(guān)系，通過大量的調(diào)查分析可知，如果汽車重量降低10%，那么消耗的能量將會降低10%到15%。而汽車底盤重量占汽車總重量的30%以上，因此如果對底盤系統(tǒng)進行輕量化對降低汽車油耗具有非常大的作用，此外還能夠提升汽車行駛的舒適度。

1 汽車底盤輕量化技術(shù)開展的方式

汽車底盤中涉及到的零件大部分都是安保件，所以對各零件的質(zhì)量要求高。在對汽車底盤進行輕量化的過程中，需要對這些零件的結(jié)構(gòu)、材料以及工藝等進行優(yōu)化和創(chuàng)新。對于汽車底盤結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化包括零件的尺寸、形狀以及空心件等方面的設計實現(xiàn)對底盤輕化的目的。在底盤零件的材料上主要可以采用兩種形式，其一為鋁合金或者鎂合金等材料替代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料，進而實現(xiàn)減重的目的;其二，利用比傳統(tǒng)底盤鋼板強度更強的鋼制材料，提升底盤的功能性，降低鋼制結(jié)構(gòu)的使用數(shù)量，實現(xiàn)整體的減重效果。在汽車底盤工藝的優(yōu)化中，盡可能采用熱成形、液壓成形等方式，減輕底盤零件重量。

2 汽車輕量化與節(jié)能減排的關(guān)系

汽車行駛過程中，會由于突破空氣和運動的阻力消耗大量的功率，包括爬坡功率、輪胎滾動功率、加速阻力以及空氣阻力等。而空氣阻力主要與車輛迎風部分的面積以及車身的形狀具有直接的關(guān)系，同時與速度成正比，這部分阻力與車輛重量無關(guān)。但是爬坡、滾動等方面的阻力則與車輛的質(zhì)量成正比例關(guān)系。因此降低車輛的重量對降低車輛的阻力，與減少能耗是密切相關(guān)的。通過鋁業(yè)協(xié)會的研究指出，如果車輛的重量減少10%，那么油耗就會減少7%左右，汽車油耗降低產(chǎn)生的排污量自然會減少。由此可見，降低汽車的重量是有效節(jié)能的重要措施，也是為環(huán)保事業(yè)做出貢獻的舉措。所以當前汽車制造廠家都開始在降低車輛重量方面加強研究。底盤作為車輛的重要部分也是降低重量的主要研究位置。

3 汽車底盤零件輕量化的具體措施

汽車底盤占總車身重的30%左右，因此要想降低汽車總重量，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，需要從汽車底盤輕量化著手。汽車底盤的構(gòu)造復雜，零件結(jié)構(gòu)多，需要針對不同的部位采取不同的輕量化方式。通過輕質(zhì)材料的應用以及工藝的改善等，降低車底盤各零件的重量，包括副車架、前下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、扭力梁、穩(wěn)定桿等部位。

3.1 副車架輕量化

汽車底盤副車架是對懸架系統(tǒng)、發(fā)動機以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等進行連接和固定的零件，要求剛度和強度都必須要滿足要求。副車架的成形方式，主要為熱軋鋼板進行沖壓焊接。由于底盤承載重量大，需要車架的模態(tài)性能高，在鋼板的選擇上，需要將鋼板的厚度控制在2毫米到3毫米。而要想使副車架的重量降低，實現(xiàn)底盤輕量化，當前大部分國家在副車架的生產(chǎn)中會采用液壓成形技術(shù)以及合金的輕質(zhì)材料，在不影響車架質(zhì)量的情況下，降低副車架的整體重量。

利用低碳鋼或者高強度的低合金鋼進行液壓成形，使用的傳力介質(zhì)為液體物質(zhì)，利用模具進行工件加工。副車架通過液壓成形能夠大大提升減震效果，最大可以減輕30%左右，不僅有利于輕量化，而且可以有效減少底盤中應用的零件數(shù)量。有利于對裝配工序以及焊接過程的壓縮，生產(chǎn)成本得到有效的控制，當前在國外車輛的生產(chǎn)中已經(jīng)被廣泛的應用。從材料方面來看，采用鋁合金材料，其本身具有良好的成形性，同時材料密度小，耐腐性強。鋁合金材質(zhì)的副車架在生產(chǎn)過程中可以采用多種工藝形式，當前奔馳、寶馬以及奧迪等中高端汽車都逐漸使用合金材質(zhì)的副車架，車架輕量化效果能夠達到40%左右。

3.2 前下擺臂輕量化

傳統(tǒng)汽車底盤的前下擺臂主要采用的工藝方式為沖壓焊接，采用的材料主要為FB590＼SAPH440等強度較大的鋼，這些鋼制材料的厚度一般為3毫米以上，屈服強度都需要達到300MPa，對這些鋼制材料進行焊接中，主要采用的焊接方式為二氧化碳和氬氣保護焊。而為了實現(xiàn)前下擺臂的輕量化，當前已經(jīng)開始采用單片鋼板沖壓以及鍛造成形工藝形式。同時在材料的選擇上，采用比傳統(tǒng)鋼質(zhì)強度更高的材料，比如FB780或者CP800等，這種材料的屈服強度能夠達到600MPa.此外，還需要對結(jié)構(gòu)零件進行優(yōu)化，將傳統(tǒng)的雙片鋼板轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑳_壓成形鋼板，材料的厚度可以保持不變或者輕微增加，這種成形方式可以減少生產(chǎn)工序，降低生產(chǎn)成本。當前下擺臂輕量化的車型非常多，包括日系車逍客、軒逸;美系車嘉年華;歐系車帕薩特等。

在材質(zhì)上采用鋁合金材料本身具有成形性強，密度低等優(yōu)勢，只從材料重量來看相對于傳統(tǒng)鋼制零件和材料會輕30%左右。但是由于鋁合金的造價高，因此一般的低端車型為了控制成本不會采用鋁合金材料，但是中高檔車型大部分都會采用鋁合金材質(zhì)。為了使前下擺臂的強度滿足強度要求，會采用鍛造鋁合金材料，最普遍的為6000系變形鋁合金，6061以及6082也是比較常見的型號。這種鋁合金材料的抗拉強度在350MPa左右。

3.3 轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化

汽車底盤轉(zhuǎn)向節(jié)主要采用的工藝形式為合金鍛造或者球墨鑄鐵鍛造方式。最常用的材料主要包括40Cr.轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化的主要方式同樣是利用鋁合金材質(zhì)替代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料，一般輕量化作用能夠達到40%。鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝主要包括鍛造和鑄造兩種情況，對于后轉(zhuǎn)向節(jié)來說，需要的零件連接更復雜，零件數(shù)量多，難以通過鍛造工藝完成，所以通常會采用鑄造工藝進行。對于前轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)以及零件的生產(chǎn)和成形中，可以根據(jù)要求合理的選擇鑄造或者鍛造工藝形式。對于鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)來說，整體造價不高，因此無論是中高端車還是低端車應用都比較普遍。在鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的成形工藝中鑄造方式主要有兩種，分別為重力鑄造和低壓鑄造，最常用的鑄造材料為ALSi7Mg.鍛造工藝與鑄造工藝選擇的鋁合金材料不同，主要為6082或者6061材質(zhì)。

3.4 扭力梁輕量化

一般低端的A級轎車后橋后采用扭力梁，大部分的扭力梁都是鋼板沖壓成形的，鋼板材料的厚度一般為4到7毫米。為了達到車輛的剛度要求，需要在扭力梁的內(nèi)部加裝穩(wěn)定桿，這種情況下會使扭力梁的重量大幅度增加。為了將扭力梁輕量化，可以采用封閉變截面管狀扭力梁。這種扭力梁一般采用熱成形、液壓成形以及鋼管沖壓成形的工藝，雖然工藝不同，但是從外形上卻無法進行區(qū)分，一般鋼管的厚度控制在3毫米左右。相對于鋼板成形的扭力梁來說，管狀扭力梁進行輕化后，在重量上可以降低15%左右，而且采用封閉管狀結(jié)構(gòu)還有利于提升梁體的剛度，不需要再加裝穩(wěn)定桿，減少零件，降低成本。鋼管沖壓以及液壓成形中都需要采用強度高的熱軋鋼質(zhì)材料，并利用高頻電阻焊進行焊接，主要的應用材料包括S460MC、DP600等。為了使零件的強度滿足車輛對強度的要求，一些車型會選擇強度更大的材質(zhì)，比如DP800或CP800等。這些材料對焊接質(zhì)量要求也更高，大部分需要采用激光進行焊接。

3.5 穩(wěn)定桿輕量化

傳統(tǒng)的汽車工藝中橫向穩(wěn)定桿都是實心結(jié)構(gòu)的，在生產(chǎn)工藝中需要將彈簧鋼棒進行加熱，再進行彎曲成形，主要應用的材料為55CrV或者60Si2Mn鋼棒料。穩(wěn)定桿輕量化主要采用的方式為將傳統(tǒng)的實心穩(wěn)定桿技術(shù)轉(zhuǎn)化為空心穩(wěn)定桿技術(shù)，通過這種轉(zhuǎn)變可以達到輕量化的40%，但是采用空心穩(wěn)定桿必須要加大管的外徑，保證管的質(zhì)量。而這種情況下必然會導致周邊零件的空間被擠占，因此在設計的過程中必須要考慮這方面的問題。相對于傳統(tǒng)實心穩(wěn)定桿來說，空心穩(wěn)定桿生產(chǎn)工藝存在很大的差別，在生產(chǎn)成形中不能采用加熱成形技術(shù)，而是需要在常溫的情況下對管進行折彎成形，這種情況下可能會導致桿內(nèi)壁強度受到影響，因此需要針對管內(nèi)壁噴丸。

空心穩(wěn)定桿工藝中主要的材料可以分為兩種，分別為焊接管和無縫鋼管，其中焊接管中常用的為22MnB5，34MnB5等;而無縫鋼管主要應用的材料為42CrMo等鋼質(zhì)材料。由于空心鋼管的強度相對于實心鋼管的強度來說要有所減弱，因此對鋼管的性能要求更高，大部分空心穩(wěn)定桿材料都需要進口。

4 結(jié)語

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及競爭壓力的增大，汽車企業(yè)不斷的進行技術(shù)創(chuàng)新。在環(huán)保理念的要求下，逐漸向節(jié)能減排方向發(fā)展。而通過大量的研究表明，車輛的自重與耗能間具有正相關(guān)關(guān)系，因此要想降低汽車的耗能，必須要做好汽車的輕量化工作。汽車底盤在車輛總重中所占的比例非常大，因此加強對汽車底盤的輕量化是當前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。但是從我國自主品牌汽車底盤輕量化來看，還處于基礎階段，與發(fā)達國家間差距比較大，因此還需要做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，做好輕質(zhì)材料的使用以及工藝的控制。

參考文獻：

[1]汽車底盤輕量化材料和工藝[J].史東杰，王連波，劉對賓，劉翰志.熱加工工藝.2016（03）.

[2]輕型商用車底盤輕量化的研究與應用[J]. 李雪冬.汽車實用技術(shù).2013（12）.

[3]乘用車底盤輕量化技術(shù)發(fā)展可行性研究[J]. 李天勇，武秋麗，張亞萍，王潼，高勇.上海汽車.2013（02）.

[4]高性能球墨鑄鐵在汽車底盤輕量化中的應用[J].吳華鋒，張金根.金屬熱處理.2012（12）.