基于尺寸精度的鋁合金減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

闞洪貴，趙 震，魯后國(guó)

基于尺寸精度的鋁合金減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

闞洪貴，趙 震，魯后國(guó)

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

鋁合金作為一種優(yōu)質(zhì)輕量化材料在輕量化車(chē)身上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為了確保鋁合金零部件的使用功能和性能，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前期就需要對(duì)零部件的精度進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化。文章基于一種壓鑄鋁合金減震器塔的零部件，首先對(duì)該鋁合金零部件精度進(jìn)行分析摸底并識(shí)別出影響該鋁合金零部件精度的兩個(gè)關(guān)鍵要素，再分別針對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵要素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)一是優(yōu)化加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，以增加減震器塔本體的剛度和抗變形能力，另外是增加熱處理工藝中夾具支撐塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)外力支撐來(lái)增加抗變形能力。結(jié)果表明：合理的加強(qiáng)筋布置能有效提升減震器塔本體的剛度、強(qiáng)度和尺寸精度；熱處理時(shí)需設(shè)計(jì)專(zhuān)用支撐夾具，且支撐夾具要保證所有重要安裝面的支撐，避免鋁合金減震器塔局部出現(xiàn)懸臂，通過(guò)外力支撐來(lái)防止變形。

輕量化車(chē)身；壓鑄鋁合金減震器塔；尺寸精度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；熱處理工藝

引言

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的日益嚴(yán)格，車(chē)身輕量化已成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)。鋁合金密度為鋼的1/3，鋁合金替換鋼，按等剛度/強(qiáng)度計(jì)算，理論上可實(shí)現(xiàn)45%以上的減重（相對(duì)普板），鋁合金作為一種優(yōu)質(zhì)輕量化材料在車(chē)身上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文基于尺寸精度論述了一種新型壓鑄鋁合金減震器塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程。

1 尺寸精度要求

本文所述的減震器塔采用SF-6鋁合金材質(zhì)（AlSi10Mn-Mg），周邊件為高強(qiáng)度鋼，搭接沿用原鋼制結(jié)構(gòu)邊界，鋁合金減震器塔與周邊鋼制件采用SPR、FDS等鉚接方式連接[1]?；诠δ?、性能和工藝性等要求，鋁合金減震器塔主要與控制臂和減震器的安裝、與周邊件的鉚接配合、熱處理工藝夾具的匹配等幾方面強(qiáng)相關(guān)，涉及的尺寸精度主要是定位孔、重要安裝孔的尺寸和位置度、重要安裝面、鉚接面的輪廓度，具體的尺寸精度要求見(jiàn)表1。

圖1 鋁合金減震器塔圖示

表1 鋁合金減震器塔尺寸精度要求匯總

序號(hào)位置精度要求 1主、副定位孔尺寸精度0～+0.1，位置度0 2控制臂安裝孔尺寸精度0～+0.2，位置度±0.5 3減震器安裝孔尺寸精度0～+0.2，位置度±0.5 4線束支架安裝孔尺寸精度0～+0.2，位置度±0.5 5控制臂安裝面輪廓度1.0 6減震器安裝面輪廓度1.0 7鉚接貼合面輪廓度1.0 8熱處理夾具支撐面輪廓度1.0 9其余面輪廓度2.0

影響鋁合金減震器塔尺寸精度的主要有兩方面，一是減震器塔本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理的搭接過(guò)渡面、加強(qiáng)筋布置、拔模角度等設(shè)計(jì)能保證減震器塔本體的剛度、強(qiáng)度和尺寸精度。二是工藝設(shè)計(jì)，本文所述的鋁合金減震器塔采用高真空壓鑄，熱處理采用T6工藝，合理的工藝參數(shù)和工裝設(shè)計(jì)對(duì)鋁合金減震器塔的性能和尺寸精度影響顯著。

2 鋁合金減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金減震器塔搭接沿用原鋼制結(jié)構(gòu)邊界，減震器塔外側(cè)與前邊梁搭接，內(nèi)側(cè)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙前邊梁搭接，前側(cè)與輪罩前板搭接，后側(cè)與前圍總成搭接。如下圖2所示。根據(jù)調(diào)研，鋁合金減震器塔包與周邊鋼質(zhì)鈑金件通過(guò)SPR+結(jié)構(gòu)膠、FDS+結(jié)構(gòu)膠、高強(qiáng)度抽芯鉚釘+結(jié)構(gòu)膠三種連接方式。

圖2 鋁合金減震器塔與周邊件連接圖示

表2 鋁合金減震器塔熱處理工藝參數(shù)表

序號(hào)名稱規(guī)格 1固溶溫度/℃535±5 2固溶加熱時(shí)間/min≤90 3保溫時(shí)間/min120 4淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間/s≤14 5淬火空氣溫度常溫 6時(shí)效溫度/℃200±5 7時(shí)效加熱時(shí)間/min90 8時(shí)效保溫時(shí)間/min120

熱處理夾具設(shè)計(jì)（基于工藝）：本方案壓鑄鋁合金減震器塔熱處理采用T6工藝，即固溶熱處理+人工時(shí)效，具體熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表2，考慮到壓鑄鋁合金減震器塔在進(jìn)行熱處理時(shí)易發(fā)生變形，為保證壓鑄鋁合金減震器塔的尺寸精度，設(shè)計(jì)了熱處理專(zhuān)用支撐夾具，專(zhuān)用夾具對(duì)關(guān)鍵的支撐面和安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效支撐[2]，如圖3所示。

圖3 熱處理專(zhuān)用夾具圖

3 精度檢測(cè)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 精度檢測(cè)

利用掃描儀對(duì)熱處理后的鋁合金減震器塔實(shí)物進(jìn)行型面掃描，掃描的點(diǎn)云與設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，從而計(jì)算出實(shí)物與設(shè)計(jì)狀態(tài)的偏差。

圖4 掃描結(jié)果圖

掃描結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，鋁合金減震器塔向前后兩端的搭接面尺寸超差較大，即熱處理變形較嚴(yán)重。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于掃描結(jié)果可以看出熱處理后的鋁合金減震器塔向前后兩端搭接面、向與上邊梁的搭接面變形較嚴(yán)重，直接影響與周邊件的匹配搭接；通過(guò)分析，向前后兩端、向的搭接面和立面變形較嚴(yán)重的主要原因是變形區(qū)域剛度較弱，缺少加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)，等效懸臂較長(zhǎng)，熱處理過(guò)程受重力影響較大，從而產(chǎn)生變形。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從兩方面著手：一是優(yōu)化鋁合金減震器塔本體結(jié)構(gòu)，在變形嚴(yán)重的向前后兩端搭接面、向與上邊梁搭接面與立面的過(guò)渡區(qū)適當(dāng)增加和優(yōu)化加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，以增加減震器塔本體的剛度和抗變形能力，如圖5所示。

圖5 減震器塔本體優(yōu)化圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化另一方面是優(yōu)化熱處理專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)：原始的熱處理專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，僅有1個(gè)主支撐和1個(gè)輔支撐，造成減震器塔本體較多重要搭接面、連接面懸空無(wú)支撐，變形是因?yàn)槿鄙偌訌?qiáng)支撐結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)較多且較長(zhǎng)。因此在變形嚴(yán)重的向前后兩端搭接面、向與上邊梁搭接面、立面和過(guò)渡區(qū)等位置增加支撐塊結(jié)構(gòu)（新增11處輔支撐），通過(guò)外力支撐來(lái)增加抗變形能力，如圖6所示。

圖6 熱處理專(zhuān)用夾具優(yōu)化前后對(duì)比圖示

3.3 優(yōu)化方案精度檢測(cè)

利用掃描儀對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金減震器塔實(shí)物進(jìn)行型面掃描，掃描的點(diǎn)云與設(shè)計(jì)數(shù)模及優(yōu)化前實(shí)物進(jìn)行比對(duì)，從而計(jì)算出實(shí)物與設(shè)計(jì)狀態(tài)的偏差。

圖7 優(yōu)化前后鋁合金減震器塔掃描結(jié)果對(duì)比圖

圖8 優(yōu)化前后的對(duì)比曲線

掃描結(jié)果如圖7所示，選取47個(gè)典型檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從圖表中可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鋁合金減震器塔尺寸精度提升效果顯著，且均已達(dá)標(biāo)。

表3 優(yōu)化前后鋁合金減震器塔掃描結(jié)果匯總表

序號(hào)優(yōu)化前優(yōu)化后序號(hào)優(yōu)化前優(yōu)化后 點(diǎn)1?0.753?0.209點(diǎn)25?0.7210.152 點(diǎn)2?1.153?0.19點(diǎn)26?0.5050.199 點(diǎn)3?1.054?0.112點(diǎn)27?0.3370.215 點(diǎn)4?1.568?0.127點(diǎn)28?0.383?0.024 點(diǎn)5?1.6940.014點(diǎn)290.3730.392 點(diǎn)6?1.6590.074點(diǎn)30?0.6090.263 點(diǎn)7?1.1380.05點(diǎn)31?0.2950.382 點(diǎn)8?1.5990.182點(diǎn)32?0.599?0.061 點(diǎn)9?1.0340.363點(diǎn)330.425?0.203 點(diǎn)10?0.350.268點(diǎn)341.01?0.24 點(diǎn)110.2360.052點(diǎn)350.6780.101 點(diǎn)120.064?0.159點(diǎn)360.1430.057 點(diǎn)130.036?0.346點(diǎn)370.1910 點(diǎn)14?0.255?0.402點(diǎn)380.1660.218 點(diǎn)15?0.03?0.312點(diǎn)390.260.264 點(diǎn)16?0.344?0.275點(diǎn)400.2230.226 點(diǎn)17?0.224?0.273點(diǎn)410.7910.336 點(diǎn)18?0.916?0.169點(diǎn)420.6950.286 點(diǎn)19?1.336?0.001點(diǎn)430.7240.298 點(diǎn)20?1.3910.103點(diǎn)44?1.264?0.155 點(diǎn)210.9390.681點(diǎn)45?1.6550.015 點(diǎn)220.4160.39點(diǎn)46?1.4840.139 點(diǎn)23?0.3410.152點(diǎn)47?1.4090.296 點(diǎn)24?0.7890.129

4 結(jié)論

本文基于鋁合金減震器塔的尺寸精度目標(biāo)要求，重點(diǎn)論述了從鋁合金減震器塔本體結(jié)構(gòu)和熱處理工藝夾具兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)、檢測(cè)驗(yàn)證和優(yōu)化的過(guò)程，最終完成目標(biāo)達(dá)成。

過(guò)程中總結(jié)了以下兩點(diǎn)結(jié)論可供參考：（1）合理的加強(qiáng)筋布置能有效提升減震器塔本體的剛度、強(qiáng)度和尺寸精度；（2）熱處理時(shí)需設(shè)計(jì)專(zhuān)用支撐夾具，且支撐夾具要保證所有重要安裝面的支撐，避免鋁合金減震器塔局部出現(xiàn)懸臂，通過(guò)外力支撐來(lái)防止變形。

[1] 魯后國(guó),張炳力.鋁合金壓鑄減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2019 (05):135-137.

[2] 唐程光,唐淳.鋁合金高真空壓鑄減震器塔成型工藝方案設(shè)計(jì)研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020(24):164-165.

Structural Design and Optimization of Aluminum Alloy Shock Absorber Tower Based on Dimensional Accuracy

KAN Honggui, ZHAO Zhen, LU Houguo

( JAC Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

As a kind of high quality lightweight material, aluminum alloy is used more and more widely in lightweight car body. In order to ensure the function and performance of aluminum alloy parts, in the early stage of design, designers need to analyze and optimize the precision of the components. In this paper, based on a die-casting aluminum alloy shock absorber tower components, firstly, the precision of the aluminum alloy parts is analyzed and the two key factors that affect the precision of the aluminum alloy parts are identified, and then the two key factors are optimized respectively, in order to increase the stiffness and anti-deformation capacity of the shock absorber tower, one is to increase the supporting block structure of the Heat treatment fixture, and to increase the anti-deformation capacity through the external force support. The results show that the stiffness, strength and dimensional accuracy of the shock absorber tower can be effectively improved by proper arrangement of stiffeners, and the special support fixture should be designed to ensure the support of all important mounting surfaces, avoid aluminum shock absorber tower part of the cantilever, through external support to prevent deformation.

Lightweight vehicle; Die-cast aluminum alloy shock absorber tower; Dimensional accuracy; Structural optimization; Heat treatment process

U466

B

1671-7988(2022)02-45-04

U466

B

1671-7988(2022)02-45-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.011

闞洪貴（1983—），男，本科，車(chē)體設(shè)計(jì)專(zhuān)家，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要從事車(chē)體設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

復(fù)雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應(yīng)用關(guān)鍵共性技術(shù)研究項(xiàng)目（2016YFB0101603）。