鋁合金壓鑄減震塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究

姜子敬，林少輝，楊文葉，楊磊，李振興，郭秋彥

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

輕量化是汽車節(jié)能、安全、環(huán)保最有效的途徑，也是在新能源車時代解決續(xù)航里程焦慮最直接的手段。研究表明，汽車整備質(zhì)量每降低100 kg，燃油車可節(jié)省燃油0.004 5 L/km，按照車輛生命周期10×105km計算，可節(jié)省燃油450 L，核算燃油成本約4 300元，降低CO2排放1.2 t；新能源車每減重100 kg可節(jié)省0.004 kWh/km，按照800 km續(xù)航的車型百公里電耗為13 kWh，可提升續(xù)航25 km，按1 100元/kWh電池成本核算，單車可節(jié)省約2 200元。隨著輕量化材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展，鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等逐步在汽車結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。其中，鋁合金以其力學(xué)性能優(yōu)異、密度低、耐腐蝕、成本等綜合優(yōu)異性能和卓越的輕量化價值，在汽車底盤、車身件中已經(jīng)不再局限于擠壓件和沖壓件，壓鑄鋁合金件在車身結(jié)構(gòu)件已經(jīng)得到強(qiáng)烈的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)了汽車的進(jìn)一步輕量化[1]。汽車的結(jié)構(gòu)件一般為汽車的力承載件或受力、力傳遞路徑件，減震塔是汽車減震器的安裝點，是車身上重要的承載部件[2]。目前，隨著鋁合金壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，大型復(fù)雜的薄壁鋁合金壓鑄件性能大幅提升，在車身上應(yīng)用逐步推廣，鋁合金壓鑄減震塔是各大主機(jī)廠突破鑄鋁結(jié)構(gòu)件技術(shù)應(yīng)用的典型代表[3-4]。

本文基于某車型的鋼制減震塔，采用壓鑄鋁方案以減震塔性能需求為約束進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝成型分析，通過多輪優(yōu)化設(shè)計，獲得了鋁合金減震塔的結(jié)構(gòu)，性能分析和實物驗證，在性能不降低的前提下實現(xiàn)約38%的輕量化收益。

1 減震塔市場車型應(yīng)用調(diào)研

表1為減震塔用材工藝市場調(diào)研結(jié)果。

表1 減震塔用材工藝市場調(diào)研結(jié)果

根據(jù)表1減震塔市場調(diào)研結(jié)果可以看出，市場常見車型減震塔還是以鋼制為主；鋁合金減震塔多應(yīng)用于中高端車型；鋁合金減震塔相對于鋼制件整車減重30%～40%。因此，隨著新能源車的迅猛發(fā)展，在成本和輕量化平衡的選擇下，鑄鋁減震塔的應(yīng)用前景會越來越普遍。

2 鑄鋁減震塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能驗證

2.1 某鋼制減震塔結(jié)構(gòu)

某車型前鋼制減震塔由8個鋼制沖壓件拼焊而成，整車減震塔質(zhì)量為6.3 kg。鋼制減震塔拼焊組成件用材和料厚情況如下：

(1)前減震器座本體：SAPH440，料厚 2.5 mm；

(2)前輪罩：B240ZK，料厚1.5 mm；

(3)流水槽前部加強(qiáng)板右后連接板：B240ZK，料厚1.4 mm；

(4)流水槽前部右上加強(qiáng)板：B240ZK，料厚1.2 mm；

(5)流水槽前右側(cè)加強(qiáng)板：HC340LA，料厚1.2 mm；

(6)右前輪罩上加強(qiáng)板：B240ZK，料厚1.2 mm；

(7)右前輪罩下加強(qiáng)板：B240ZK，料厚1.2 mm；

(8)流水槽前部加強(qiáng)板右前連接板：B240ZK，料厚 1.2 mm。

鋼制減震塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼制減震塔結(jié)構(gòu)

2.2 鑄鋁減震塔材料選型

減震塔是車身上的承載件，其核心性能指標(biāo)為剛度。根據(jù)減震塔的受力情況，結(jié)合鋼制減震塔的性能，進(jìn)行材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能驗證。對標(biāo)鋼制減震塔，設(shè)定鑄鋁減震塔材料選型的性能要求為：屈服強(qiáng)度不小于120 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于180 MPa，斷裂伸長率不小于12%。表2為減震塔鋁合金材料AlSi10Mg性能。

表2 減震塔鋁合金材料AlSi10Mg性能

由表2可以看到，選擇采用AlSi10Mg T7熱處理工藝的材料最佳。

2.3 鑄鋁減震壁厚和壓鑄工藝特征設(shè)計

為了保證與鋼制減震塔有效且合理的減震塔載荷路徑，鑄鋁減震塔的設(shè)計空間遵循最大限度地沿用鋼制減震塔邊界。如圖2所示，考慮到減震塔與機(jī)艙布置的空間，根據(jù)鋁合金材料性能、減震塔安裝硬點、受力載荷及輕量化減重需求，鑄鋁減震塔設(shè)計不等壁厚度為3～5 mm。

圖2 鑄鋁減震塔壁厚設(shè)計

由于鋁合金減震塔采用高真空壓鑄成型工藝，需要確保鋁合金壓鑄減震塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計具備良好的壓鑄工藝性。圖3為鑄鋁減震塔拔模角設(shè)計，本次鑄鋁減震塔的拔模角設(shè)計為1.5°，便于鑄件出模。

結(jié)合減震塔結(jié)構(gòu)性能、料厚和壓鑄工藝性，設(shè)計的鑄鋁減震塔質(zhì)量為4.2 kg，相比于鋼制減震塔6.75 kg，整車減重5.1 kg，減重比例為37.8%。

圖3 鑄鋁減震塔拔模角設(shè)計

2.4 鑄鋁減震塔成型工藝及模流分析

鑄鋁減震塔采用高真空壓鑄工藝成型，其成型工藝流程如圖4所示。

圖4 鑄鋁減震塔成型工藝流程

鑄鋁減震塔壓鑄環(huán)節(jié)需要進(jìn)行模流分析，預(yù)測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成型工藝的可行性，避免模具開發(fā)完成后進(jìn)行長周期的調(diào)整，從而保證產(chǎn)品成型的質(zhì)量。由圖5的鑄鋁減震塔填充溫度模擬情況可以看出，填充溫度高于600 ℃時，填充比較順暢，效果較好。由圖6氣體包卷模擬分析可以看出，氣體包卷較少，低于30%。由圖7氣壓模擬分析結(jié)果顯示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成型填充氣壓均在300 MPa以下，總體效果滿足成型工藝要求。由圖8材料流向模擬分析可以看出，鑄鋁減震塔結(jié)構(gòu)材料填充順暢，無明顯紊流，效果較好。由圖9凝固溫度模擬分析顯示，鑄鋁減震塔成型的冷卻時間為14 s，局部區(qū)域需要水管重點冷卻。

圖5 填充溫度模擬分析

圖6 填充氣體包卷模擬分析

圖7 填充氣壓模擬分析

圖8 填充材料流向模擬分析

圖9 凝固溫度模擬分析

2.5 鑄鋁減震塔性能分析

圖10和圖11分別為鑄鋁減震塔的關(guān)鍵位置及其料片性能測試結(jié)果。抗拉強(qiáng)度平均值為215 MPa，滿足抗拉強(qiáng)度不小于180 MPa的要求。屈服強(qiáng)度平均值為150 MPa，滿足屈服強(qiáng)度不小于120 MPa的要求。斷裂伸長率平均值為14.5%，滿足斷裂伸長率不小于12%的要求。如圖12所示，鑄鋁減震塔強(qiáng)度滿足性能要求。

圖10 鑄鋁減震塔的關(guān)鍵位置

圖11 鑄鋁減震塔的料片性能測試結(jié)果

圖12 鑄鋁減震塔強(qiáng)度分析結(jié)果

2.6 鑄鋁減震塔連接與表面處理

減震塔采用鋁合金高真空壓鑄成型，與車身周邊鋼制件的連接采用SPR，具體連接工藝設(shè)計如圖13所示。減震器塔部件進(jìn)行TiZr鈍化處理，鈍化膜重為2～8 mg/m2。

圖13 鑄鋁減震塔連接工藝設(shè)計

3 結(jié)束語

本文從鑄鋁減震塔的性能分析、材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、成型工藝和連接工藝設(shè)計以及性能分析，設(shè)計開發(fā)了某車型的鑄鋁減震塔，在滿足產(chǎn)品性能要求的同時實現(xiàn)輕量化減重37.8%。由于成本和技術(shù)成熟度的限制，乘用汽車減震塔現(xiàn)階段仍然以鋼制焊接為主。部分主機(jī)廠針對鑄鋁結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用技術(shù)已逐步突破，其中鑄鋁減震塔的應(yīng)用已達(dá)到成熟量產(chǎn)的水平，未來一體壓鑄后地板、前地板、地板整體等已有主機(jī)廠投入研究和開發(fā)，鑄鋁結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用具有更廣闊的應(yīng)用前景。