汽車底盤鋁合金化輕量化的成型工藝研究

張廣和　胡全達(dá)　江海斌

摘 要：如今，各國(guó)及地區(qū)紛紛提出節(jié)能減排，而汽車行業(yè)響應(yīng)依托應(yīng)當(dāng)是輕量化加工。本文簡(jiǎn)要概述汽車輕量化，并分析有關(guān)車輛底盤方面的運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)狀，進(jìn)一步討論構(gòu)件成型工藝的運(yùn)用，先針對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝加以對(duì)比分析，闡述擠壓鍛造工藝，探討生產(chǎn)實(shí)例，以驗(yàn)證此項(xiàng)成型工藝的可行性。以供汽車領(lǐng)域有關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：汽車底盤 鋁合金 輕量化

1 引言

汽車是現(xiàn)代人們出行的重要工具，但打造便利出行條件的同時(shí)，造成能源緊張與污染問題，并且在保有量不斷提高中，使得環(huán)境及能源壓力加大，因?yàn)?，各相關(guān)生產(chǎn)方均在研發(fā)控制車輛排氣量的路徑。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，若車輛自重下調(diào)，則其能耗可下調(diào)。并且底盤自重達(dá)到整車的，所以假設(shè)實(shí)現(xiàn)底盤系統(tǒng)的輕量化，會(huì)對(duì)控制油耗有顯著幫助，而且可以優(yōu)化車輛使用的舒適度。目前，鋁合金的性價(jià)比較為理想，且有豐富的采集來源，使用范疇。

2 汽車輕量化

汽車輕量化表示確保汽車本身強(qiáng)度以及安全的基礎(chǔ)上，最大限度地壓縮組裝整車的質(zhì)量，以增強(qiáng)其的動(dòng)力性能，控制燃料的使用量，繼而減少實(shí)際的排氣量，消除部分大氣污染源?，F(xiàn)如今，輕量化的趨勢(shì)已然是必要的，其總體的調(diào)整方向是底盤零部件，以往的“雙積分”模式早在2018年便已經(jīng)出現(xiàn)落成，在2020年汽車均耗油量降至的程度，且總體降幅至少應(yīng)滿足左右，但事實(shí)上，在提倡控制油耗的過程中，實(shí)際降幅不足。基于目前的調(diào)整進(jìn)展，即便新能源汽車有所發(fā)展，也難以獲取到最理想的調(diào)整成績(jī)，甚至還會(huì)有較大的差異。汽車輕量化是必然趨勢(shì)，并且根據(jù)人類現(xiàn)有可用的材料來看，鋁合金是相對(duì)較理想的一種，和鋼鐵相較，其密度大約是后者的，同時(shí)材料采集的難度不大。所以，鋁合金是當(dāng)前汽車空間控制自身重量且趨向節(jié)能環(huán)保的首選，使用鋁代替鋼是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要路徑。此外，輕量化能從側(cè)面彌補(bǔ)新能源汽車在行使歷程上的局限性。并且金近些年，財(cái)政補(bǔ)貼方面，在汽車歷程上的標(biāo)準(zhǔn)有所提高，因而控制汽車重量，延長(zhǎng)續(xù)航，才是目前相關(guān)企業(yè)獲得財(cái)政補(bǔ)貼的有效方式。

3 汽車底盤的輕量化現(xiàn)狀分析

3.1 市場(chǎng)分布情況

輕量化的汽車底盤市場(chǎng)分布狀況，和相關(guān)技術(shù)專利的布局有關(guān)，會(huì)受到市場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及國(guó)家政策等諸多方面的影響。從技術(shù)專利的角度來看，基于申請(qǐng)總量變化，早在上世紀(jì)的七十年代初便已開始，但彼時(shí)的成績(jī)較差。在1993年到2008年，在底盤輕量化上有明顯的發(fā)展，隨后便來到快速增長(zhǎng)階段，而推動(dòng)該種趨勢(shì)呈現(xiàn)的重要在于，其一，新能源的發(fā)展，并成為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的有利點(diǎn);其二，在新材料開發(fā)應(yīng)用上有一定成績(jī)，鋁合金和各種復(fù)合材料出現(xiàn)，推動(dòng)汽車朝著通用性、高性能以及小成本的方向推進(jìn)，汽車生產(chǎn)制造的技術(shù)在輕量化程度持續(xù)深化的過程中，也得到發(fā)展。輕量化技術(shù)的專利在區(qū)域分布情況，我國(guó)在技術(shù)市場(chǎng)和技術(shù)所屬均展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，由此反映出國(guó)內(nèi)底盤輕量化的市場(chǎng)初見規(guī)模，并具備研發(fā)底蘊(yùn)，甚至吸收他國(guó)的人才來我國(guó)市場(chǎng)布局。從新能源汽車的角度而言，其關(guān)鍵在于電池系統(tǒng)，而此方面能否獲得突破性進(jìn)展，需依托構(gòu)成電池零件的材料，因而底盤輕量化工藝成長(zhǎng)，對(duì)新能源發(fā)展極為重要，并且對(duì)輕量化的程度有更高標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)輕量化類的加工技術(shù)、零件結(jié)構(gòu)、材料等的優(yōu)化。美國(guó)在此方面的藍(lán)圖計(jì)劃在2022年，插電結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車，其整體質(zhì)量下調(diào)三成左右，并且底盤部分下降左右，德國(guó)把輕量化問題納入產(chǎn)業(yè)發(fā)展主流方向行列中。國(guó)內(nèi)在底盤輕量化上的研究起點(diǎn)較晚，甚至到本世紀(jì)初，僅有不足十件的相關(guān)專利。但從年起，國(guó)內(nèi)的底盤輕量化實(shí)現(xiàn)發(fā)展，趕超各國(guó)，達(dá)到數(shù)千件。以全局的角度而言，底盤輕量化是在生態(tài)環(huán)境及能源段趨勢(shì)的趨勢(shì)下逐漸鍵入人們眼簾。輕量化的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，能給新能源汽車的續(xù)航水平提供幫助，促使新能源車輛在技術(shù)和市場(chǎng)擴(kuò)充上均呈現(xiàn)出較理想的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并是輕量化工藝成熟的接班動(dòng)力和輕量化材料得以有效運(yùn)用的主要方向。以研發(fā)角度而言，有關(guān)底盤輕量化工藝的熱點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即底盤結(jié)構(gòu)，如車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，具體包括縱梁以及轉(zhuǎn)向桿、穩(wěn)定桿等;底盤材料，包括鋁合金以及碳纖維等[1]。

3.2 鋁合金輕量化

現(xiàn)如今，普通汽車中對(duì)于鋁合金應(yīng)用滲透效果不高，普通品牌車輛中，鋁合金材料制成的各部件，轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)用率達(dá)到左右，控制臂部分僅有。而副車架以及制動(dòng)鉗殼體還未運(yùn)用?，F(xiàn)有生產(chǎn)鋁的廠家，極易獲得相關(guān)市場(chǎng)增量的紅利，特別是新能源汽車。

4 汽車鋁合金底盤輕量化的成型工藝探討

現(xiàn)階段，汽車產(chǎn)業(yè)在底盤輕量化上的發(fā)展，鋁合金化已然是主要趨向，具體產(chǎn)品包括控制臂、制動(dòng)鉗以及轉(zhuǎn)向節(jié)等，均為底盤結(jié)構(gòu)的安全件，對(duì)于成品部件的性能標(biāo)準(zhǔn)偏高。并且在實(shí)現(xiàn)輕量化中，不可把汽車自重下調(diào)率定為唯一判斷指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)考慮部件的功能性，保障車輛主動(dòng)與被動(dòng)的安全性。但因?yàn)橹圃旃に嚨闹萍s，使得鋁合金實(shí)際應(yīng)用受限。

4.1 成型工藝對(duì)比

在鋁合金部件成型制作中，一般成型工藝包括低壓鑄造、鍛造等。但由于車輛對(duì)底盤的安全性標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏高，所以普通制作工藝對(duì)于成品形成或者加工效率，都無法完全適應(yīng)理想生產(chǎn)效果，目前大部分工藝設(shè)計(jì)依舊在研究期。若想實(shí)現(xiàn)鋁合金化的輕量構(gòu)件，應(yīng)結(jié)合材料本身的性能與成型技術(shù)，確定平衡點(diǎn)制造出滿足應(yīng)用需要的輕量化產(chǎn)品。現(xiàn)有鋁合金的成型技術(shù)對(duì)比如下所示：

在構(gòu)件表面的加工上，擠壓鑄造以及鍛造、高壓鑄造均有較好的表現(xiàn)，重力鑄造較差。構(gòu)件內(nèi)部的質(zhì)量上，擠壓鑄造工藝中，加工壓力在時(shí)，構(gòu)件晶粒較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極密。鍛造工藝也能表現(xiàn)出與之同樣的效果，并無壓力參數(shù)的約束。高壓鍛造需要進(jìn)行高速噴水，且無補(bǔ)縮，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)有一定的氣孔，組織結(jié)構(gòu)密度低。差壓鑄造成型工藝，壓力條件是，成品晶粒偏大，內(nèi)部較為松散。低壓鑄造的壓力參數(shù)范圍是，同樣是晶粒偏大，內(nèi)部松散。而重力鑄造需借助材料自重加工，成品晶粒極大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散。生產(chǎn)效率方面，僅有擠壓鑄造以及高壓鑄造相對(duì)理想，鍛造與重力鍛造的生產(chǎn)效果過低。生產(chǎn)裝置的成本上，擠壓鍛造是相對(duì)偏高的，重力鑄造以及低壓鑄造在此項(xiàng)成本上的表現(xiàn)較好。產(chǎn)品成型的精度上，差壓鑄造與低壓鑄造、重力鑄造，三者均會(huì)有較多的制造余量。擠壓鍛造的一次成型效果好，能制作余量偏小。鍛造的一次成型效果相對(duì)不好，且加工處理程序較多，整個(gè)操作步驟復(fù)雜。而高壓鑄造一次成型效果較好，且僅會(huì)產(chǎn)生極少的制造余量。現(xiàn)有成型工藝的機(jī)械性能表現(xiàn)上，鍛造最佳，擠壓鑄造趨近于鍛造水平，其余工藝機(jī)械性能偏低的高壓鑄造外，其余均處于中等。綜合來看，擠壓鑄造的加工處理品質(zhì)相對(duì)偏優(yōu)，且以力學(xué)性能角度來看，其優(yōu)于一般鑄件，同時(shí)該成型工藝下與同類合金鍛件的質(zhì)量比較接近，生產(chǎn)效率較好，能應(yīng)用在諸多生產(chǎn)任務(wù)中，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)底盤輕量化的首選。

4.2 擠壓鑄造技術(shù)概述

擠壓鍛造為一種新型的鍛造技術(shù)，也可以稱之為液態(tài)模鍛。工藝生產(chǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理為對(duì)呈液體及半固態(tài)的金屬材料施加一定機(jī)械壓力，通常在左右，讓金屬材料逐漸成型。因?yàn)楦邏耗毯退苄宰冃蔚葐栴}，使得成品內(nèi)組織密度大，沒有氣孔且疏松等不足，相較于其他成型工藝，擠壓鑄造成品的質(zhì)量更符合當(dāng)代汽車生產(chǎn)需要，并接近鍛造的效果。擠壓湖造融合鑄與鍛，金屬成品性能較佳，并且生產(chǎn)加工效率偏高。目前，在轉(zhuǎn)向節(jié)、制動(dòng)鉗與控制臂等構(gòu)件上的輕量化規(guī)劃上，成型技術(shù)有較好的成長(zhǎng)趨勢(shì)。

4.3 實(shí)例輕量化的設(shè)計(jì)

本文以某車輛轉(zhuǎn)向節(jié)鐵質(zhì)材料改成鋁的任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。轉(zhuǎn)向節(jié)是車輛專項(xiàng)操作系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵零件。實(shí)際工作運(yùn)轉(zhuǎn)中，不僅會(huì)負(fù)擔(dān)整車的部分重量，還需承擔(dān)轉(zhuǎn)向力矩以及制動(dòng)力矩，現(xiàn)實(shí)工作條件較差。所以，要求其具備高水平的綜合性能，確保車輛使用安全。汽車原本的轉(zhuǎn)向節(jié)是使用球墨鑄鐵生產(chǎn)得來。因?yàn)殇X合金材料自身性能的缺陷，在加工轉(zhuǎn)向節(jié)中，若只進(jìn)行材料更換是無法肩負(fù)起該構(gòu)件功能需要的。即使選用擠壓鑄造，也應(yīng)適當(dāng)調(diào)整構(gòu)建設(shè)計(jì)，同時(shí)基于成品構(gòu)件性能以及工況等客觀要求加以分析?？傮w設(shè)計(jì)思路是產(chǎn)品外觀輪廓設(shè)計(jì)，強(qiáng)度復(fù)核以及耐久性。使用鋁代替鐵的處理中，兩類材料有較大區(qū)別，所以需要調(diào)整部件結(jié)構(gòu)。此外，鑒于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)、裝配要求等，應(yīng)用專業(yè)軟件實(shí)施模擬調(diào)整。使用鋁合金，其泊松比是。擠壓鑄造處理中，屈服強(qiáng)度是，抗拉強(qiáng)度是，可伸長(zhǎng)率是[2]。

5 結(jié)語

綜合設(shè)計(jì)案例分析，在載荷施加手段以及工況條件一致的情況下，擠壓鑄造產(chǎn)品能滿足預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，并在合理調(diào)整后，有更為顯著的成型效果。此外，因?yàn)殇X合金密度不高，在進(jìn)過改良后，轉(zhuǎn)向節(jié)自重可下降，達(dá)到輕量化的生產(chǎn)需要。擠壓鑄造屬于新的成型技術(shù)，通過其優(yōu)秀表現(xiàn)，會(huì)成為車輛底盤輕量化的主要選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]茍妍，贠強(qiáng)，陳亮，等.基于專利計(jì)量的汽車底盤輕量化發(fā)展態(tài)勢(shì)研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2020，（05）：12-19.

[2]孫永飛，羅文靜，陳賀峰，等.探討汽車底盤懸架關(guān)鍵部件輕量化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020，（04）：20-21.