汽車底盤常用金屬材料機(jī)械性能研究

姜海波

摘要：本文主要針對汽車底盤常用金屬材料機(jī)械性能展開研究，先闡述汽車底盤的構(gòu)成和功能、金屬材料結(jié)構(gòu)和基本組織，然后在汽車底盤常用金屬材料機(jī)械性能，重點分析等溫淬火球鐵材料、汽車底盤鋁合金材料內(nèi)容，最后根據(jù)切削性能與熱處理預(yù)熱、斷裂韌性與熱處理溫度等，以此來對汽車底盤制造中金屬材料與熱處理工藝的關(guān)系進(jìn)行闡述，旨在進(jìn)一步完善生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)方案，充分彰顯出汽車底盤的性能優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：汽車底盤;金屬材料;機(jī)械性能

現(xiàn)階段，在汽車制造領(lǐng)域中，金屬材料屬于汽車底盤的材料構(gòu)成，其中，各種性能較高的新型合金材料得到了充分體現(xiàn)。分析汽車的結(jié)構(gòu)，一般來說，傳動部件、轉(zhuǎn)向部件以及行駛部件等，是常規(guī)汽車底盤的重要構(gòu)成內(nèi)容，針對上述部件，所使用的制作材料并不相同，所以其機(jī)械性能的差異性顯著。一般來說，在傳動部件中，離合器片占據(jù)著重要的地位，其構(gòu)成主要包括玻璃纖維和石墨混合金屬粉末。而對于轉(zhuǎn)向部件來說，其構(gòu)成主要包括優(yōu)質(zhì)碳素鋼和鑄鐵制造。在行駛部件中，其碳素鋼為車架的重要構(gòu)成要素。而制動部件中的輪缸進(jìn)行分析，其制成主要得益于鑄鐵，同時鑄鐵也使制動管路得到制造而成。

一、汽車底盤的構(gòu)成和功能分析

一般來說，行駛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等是汽車底盤的重要構(gòu)成內(nèi)容，在行駛系統(tǒng)中，車架和車橋等尤其常見。在汽車接收到啟動指令后，發(fā)動機(jī)傳遞的力，借助傳動裝置，會在輪胎處實現(xiàn)順利傳遞，然后借助車身整體載荷和地面摩擦力，通過共同作用，發(fā)揮出對汽車前進(jìn)的促進(jìn)作用【1】。汽車行駛的路況具有明顯的差異性，所以無法做到量化合理分析，路面狀況，是汽車行駛過程中受到?jīng)_擊力的重要影響因素，所以要采取合理措施，加大平衡處理力度，最大程度地對汽車行駛的穩(wěn)定性加以維護(hù)。現(xiàn)詳細(xì)分析汽車底盤的構(gòu)成和功能：

一般來說，傳動系、行駛系以及轉(zhuǎn)向系等是汽車底盤總體的構(gòu)成內(nèi)容。支撐作用，是汽車底盤的關(guān)鍵功能，汽車整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，主要包括安全汽車發(fā)動機(jī)、其他各個主要部件，并借助發(fā)動機(jī)發(fā)動動力，為汽車輪胎前進(jìn)運動作用的形成創(chuàng)造條件，從而使汽車正常運行得以保證。

首先，傳動系。其構(gòu)成主要體現(xiàn)在變速器、離合器以及差速器等方面。在其功能方面，可以借助傳遞動力的方式，推動汽車車輪驅(qū)動作用的產(chǎn)生。在汽車運行過程中，應(yīng)密切配合發(fā)動機(jī)和傳動系，從而給予汽車正常運行一定的支持。其次，行駛系。其構(gòu)成主要體現(xiàn)在車架、車輪等方面。在汽車啟動后，整個車體會對傳動軸的動力進(jìn)行接收，由于汽車承載力作用顯著，再加上借助車輪產(chǎn)生的牽引力，可以為汽車向前運動提供便捷。同時行駛系，還可以對所受不同地面給車輛帶來的沖擊力予以承載，其穩(wěn)定性優(yōu)勢突出，確保車身處于高度平衡的狀態(tài)，通過密切配合行駛系和轉(zhuǎn)向系，可以不斷提高汽車運行的安全性、穩(wěn)定性【2】，從而滿足順利駛向目的地這一需求。再次，制動系。行車制動系和制動系是汽車制動系統(tǒng)的構(gòu)成要素，作為制動系統(tǒng)，其獨立性顯著。制動器，在行車制動系中扮演著重要角色，而制動傳動系統(tǒng)，在駐車制動系中發(fā)揮著重要作用，對汽車制動系的功能進(jìn)行分析，可以對汽車速度進(jìn)行控制，并將迫使汽車停止運動這一功能發(fā)揮出來。最后，轉(zhuǎn)向系。一般來說，操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，是汽車轉(zhuǎn)向系的重要構(gòu)成內(nèi)容，借助汽車轉(zhuǎn)向系，對于汽車車輪發(fā)生轉(zhuǎn)動具有一定的推動作用，根據(jù)駕駛員的操作方向，實現(xiàn)汽車安全行駛目標(biāo)。

二、金屬材料結(jié)構(gòu)和基本組織

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，鐵、鋁以及銅等金屬具有較高的應(yīng)用價值，其中，合金的應(yīng)用極其常見。在金屬和合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中【3】，主要包括金屬原子之間的結(jié)合方式、原子在空間的排列方式。在空間的排列配置情況中，金屬的性能和原子的關(guān)系是緊密聯(lián)系、密不可分的，原子排列方式如果不相同，也會影響到金屬的性能，從而出現(xiàn)明顯的差距。金屬材料熱處理過程，主要是指將金屬工件通過一定介質(zhì)，從而進(jìn)行加熱，然后持續(xù)一段時間后，憑借不同速度在不同介質(zhì)中實現(xiàn)冷卻，對金屬材料表面進(jìn)行改變，可以使其性能出現(xiàn)適度變化。

因此，針對某些金屬或合金，要想對其原子排列進(jìn)行改變，應(yīng)加強(qiáng)熱處理工藝方式的應(yīng)用，使其組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，不斷提高機(jī)械性能控制效果，從而與工程技術(shù)需求相符【4】。眾所周知，不同熱處理條件，所產(chǎn)生的材料性能改變效果也是不相同的。所以應(yīng)通過金屬的材料的某些性能，以此來對其與熱處理工藝的關(guān)系進(jìn)行分析，從而確保材料機(jī)械性能的充分發(fā)揮。

三、汽車底盤常用金屬材料機(jī)械性能分析

（一）等溫淬火球鐵材料

在西方發(fā)達(dá)國家中，等溫淬火球鐵材料得到了廣泛應(yīng)用，而且該材料的應(yīng)用，對傳動齒輪和汽車底盤零部件生產(chǎn)、制造過程也產(chǎn)生了很大的影響。等溫淬火球墨鑄鐵，通過對合金元素的添加，為鐵素體和珠光體向相應(yīng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了有力條件【5】，從而確保整體性能的穩(wěn)步提升。在這種轉(zhuǎn)化的影響下，該材料在力學(xué)性能上具有明顯的優(yōu)勢，其韌性較高，可以有效控制能耗程度和噪音情況，而且也可以將普通鑄鐵的力學(xué)特性充分發(fā)揮出來。表1為等溫淬火球墨鑄鐵在歐洲市場中的具體應(yīng)用情況：

在金屬材料斷裂過程中，基于斷口的形貌，韌性斷裂和脆性斷裂為具體的分類，針對于汽車底盤零部件，韌性斷裂，必須為該類型金屬材料的斷裂方式，所以韌性斷裂，在等溫淬火球墨鑄鐵斷裂方式中得到了充分體現(xiàn)，不僅可以將其強(qiáng)度提升上來，而且還可以使塑韌性得到發(fā)揮。針對汽車底盤材料，對強(qiáng)度、塑性以及韌性的要求均比較高。汽車底盤常用金屬材料性能如表2所示：

（二）汽車底盤鋁合金材料

目前，在汽車底盤制造領(lǐng)域中，鑄造鋁合金的應(yīng)用價值也比較顯著，而另一種熱處理強(qiáng)化變形鋁合金，鑄造鋁合金材料在冶煉工藝方面，具有高度的便利性，而且具有明顯的鑄造工藝性能，所以得到了社會大眾的高度重視。再加上其鍛造余量較小這一優(yōu)勢，所以對于制作的鋁合金構(gòu)件進(jìn)行分析，其耐腐蝕性顯著，6000系列的合金，在汽車搖臂等核心零件制造中具有明顯的應(yīng)用價值【6】。6000系列的鋁合金，具有著明顯的鍛造性能，在熱力鍛造方面，鋁合金型材表面尚未出現(xiàn)氧化皮，鍛造余量并不多，進(jìn)一步凸顯出鋁合金的耐腐蝕性能，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象尚未出現(xiàn)。在制造汽車底盤材料的鋁合金中，6061鋁合金牌號具有高度的典型化特點。某一科研小組積極研究該類材料的性能，在該合金中，如果將相關(guān)晶粒細(xì)化的元素添加進(jìn)去，在固溶時效后，其力學(xué)性能詳見表3：

以福特汽車公司為例，積極研究SG112-T4AL合金，投入了較多的時間和精力，該對類型的合金進(jìn)行分析，主要是指在鋁中將1%Si、5%Mg元素添加進(jìn)去，以此來完成制造。其中，在冷卻加工之前，其強(qiáng)度明顯低于生活中的鋁合金強(qiáng)度，其強(qiáng)度為110MPa，而一般鋁合金比其強(qiáng)度還要高30Mpa，但是通過1個小時的噴漆處理，其強(qiáng)度明顯提升，具體為210MPa，強(qiáng)度上升迅猛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出鐵的強(qiáng)度。該合金的烤漆溫度為180℃，而鋼板溫度同樣為180℃，明顯低于傳統(tǒng)鋁合金烤漆溫度（200℃）【7】?；诔杀疽暯?，6000系列的鋁合金價格明顯高于鋼材，但是通過對該類型材料的使用，每輛車的外殼降重可高達(dá)50%，而且強(qiáng)度尚未出現(xiàn)變化，所以在相關(guān)技術(shù)不斷完善過程中，其應(yīng)用范圍會進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，對于汽車制造企業(yè)來講，積極優(yōu)化和改造6000系列合金，在未來，所研制出的底盤會更具性能優(yōu)勢。目前，汽車制造企業(yè)對超塑性鋁合金的關(guān)注度較高，通過對熱處理工藝的改變，可以將其使用性能提升上來。對于歐美發(fā)達(dá)國家而言，材料工作人員積極投入其研究，所以階段性進(jìn)展取得了突出成果，增加AI-Mg-Si合金中的Cu含量，對于合金的抗腐蝕性能產(chǎn)生的影響程度較深，同時合金的峰值硬度和抗拉強(qiáng)度的升高幅度并不一致。德國汽車制造商出于對鋼板的抗腐蝕性能的控制視角，要求Cu元素的含量應(yīng)在0.1%以下【8】，但是北美汽車制造商出于將鋁合金板材強(qiáng)度提升視角，添加的銅元素的含量高達(dá)0.7%，實現(xiàn)了AA6111合金的順利研制。各國汽車制造商基于不同需求視角進(jìn)行研究，相信在未來，汽車底盤制造工藝的多樣性趨勢會更加顯著。

四、汽車底盤制造中金屬材料與熱處理工藝的關(guān)系

（一）切削性能與熱處理預(yù)熱

在汽車底盤金屬材料加工方面，集中整合切削工藝和熱處理工藝，對于產(chǎn)品質(zhì)量的提升具有很大的幫助。在金屬切削方面，被加工材料和切削刀具之間的差異性顯著，從而對金屬的實際變形程度造成影響【9】，從而使產(chǎn)生的光澤出現(xiàn)差異。在預(yù)先熱處理的帶動下，可以對各類鑄鍛在冶金環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行應(yīng)用，借助預(yù)先熱處理，可以有效治理和應(yīng)對熱加工過程中產(chǎn)生的缺陷，從而給予切削加工和設(shè)備熱處理一定的保障。

（二）斷裂韌性與熱處理溫度

眾所周知，任何材料所含有的數(shù)量、尺寸的裂紋都是不相同的，這是“斷裂力學(xué)”研究的重要基礎(chǔ)和前提。因此，對金屬材料的斷裂韌性進(jìn)行分析，屬于材料在外力作用下抵抗裂紋擴(kuò)展的性能，如果斷裂韌性較高，代表金屬材料具有更高的穩(wěn)定性。在改善其斷裂韌性方面，可以加強(qiáng)金屬材料中位錯密度下降方法的應(yīng)用。

（三）切邊模量和熱處理溫度

切變模量，屬于切應(yīng)力和切應(yīng)變之比，在材料的力學(xué)性能指標(biāo)中占據(jù)著重要的地位。其是材料抵抗切應(yīng)變能力的重要象征，在模量較大的情況下，代表材料具有較強(qiáng)的剛性。在熱處理的帶動下【10】，可以使材料的性能和自身物理性質(zhì)出現(xiàn)翻天覆地的變化，進(jìn)而也會影響到切邊模量，從而彈簧的實際伸長量與設(shè)計計算的伸長量并不一致，誤差現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。在傳統(tǒng)設(shè)計資料中，如果根據(jù)切邊模量進(jìn)行取值，通常來說，計算的彈簧變形量并不符合實際測出的彈簧變形量，其誤差問題突出。

五、鋁合金底盤輕量化產(chǎn)品

汽車底盤鋁合金輕量化產(chǎn)品中，轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂等具有較強(qiáng)的代表性，作為底盤安全件，明確提出對產(chǎn)品性能的要求，輕量化的衡量，無法借助簡單的減重多少來進(jìn)行，必須要與產(chǎn)品功能形成密切的聯(lián)系，樹立高度的汽車主動安全性理念，以此來將汽車安全設(shè)予以完善化。但是由于當(dāng)前工藝的限制性明顯，所以對于鋁合金在底盤上的使用造成了一些影響。

（一）鋁合金底盤產(chǎn)品成型工藝現(xiàn)狀

低壓鑄造、重力鑄造等是常規(guī)成型工藝的重要構(gòu)成內(nèi)容，底盤件安全性能要求極其顯著，在產(chǎn)品性能方面，常規(guī)的成型工藝很難與其生產(chǎn)要求相符，輕量化產(chǎn)品的性能化工藝設(shè)計水平有待提升。如果想要拉近與“以鋁代鋼”實現(xiàn)汽車底盤輕量化之間的距離，并踐行批量化和規(guī)?；瓌t，應(yīng)與鋁合金固有的性能結(jié)合在一起，從而確保輕量化產(chǎn)品的生產(chǎn)具有優(yōu)越的性能優(yōu)勢、效率優(yōu)勢。

（二）擠壓鑄造工藝技術(shù)

在新型的鑄造工藝中，擠壓鑄造發(fā)揮著重要的作用，對其原理進(jìn)行分析，主要是對進(jìn)入型腔內(nèi)的液態(tài)金屬施加較大的機(jī)械壓力，其機(jī)械壓力最高為140Mpa【11】，在成型凝固后實現(xiàn)鑄件。具體如圖4所示。由于高壓凝固存在一些缺陷，如無氣孔等，所以與其他鋁合金鑄造方式進(jìn)行對比，擠壓鑄造產(chǎn)品的力學(xué)性能明顯要比普通鑄件要高，與同種合金的鍛件水平相當(dāng)。

擠壓鑄造工藝，實現(xiàn)了鑄、造的整合，具有良好的產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率，可以與底盤關(guān)鍵零部件輕量化設(shè)計要求相一致，從而與成型工藝發(fā)展趨勢相互順應(yīng)。

六、結(jié)束語

綜上所述，在相關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展過程中，有助于不斷優(yōu)化汽車底盤的制造工藝，而加強(qiáng)對相關(guān)金屬材料的機(jī)械性能的研究與分析，可以為完善相關(guān)生產(chǎn)方案和生產(chǎn)工藝提供一定的依據(jù)。這作為重要的工作，具有任重而道遠(yuǎn)的性質(zhì)，其系統(tǒng)性和復(fù)雜性特點顯著。其中，必須要對底盤性能和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行明確化，同時也要對諸多問題的存在予以高度重視，做到及時解決和應(yīng)對。

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