乘用車車身大型壓鑄件設(shè)計(jì)與研究*

李仲奎　何小龍　張杏紅　李都　羅杰

【摘要】為實(shí)現(xiàn)乘用車車身大型壓鑄件設(shè)計(jì)，從壓鑄工藝種類和特點(diǎn)出發(fā)，分析了高真空壓鑄在乘用車車身大型壓鑄件中的應(yīng)用，并針對關(guān)鍵接頭、重要梁系、主要加強(qiáng)件、減振器塔座、A柱模塊、后地板總成、前艙總成等常見壓鑄件應(yīng)用部位，從壁厚、加強(qiáng)筋和頂針布局方面分析了壓鑄件的設(shè)計(jì)原則和要求。

關(guān)鍵詞：車身結(jié)構(gòu) 壓鑄件 高真空壓鑄

中圖分類號：U463.82? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230069

Design and Research of Large Pressure-Casting Parts

for Passenger Car Body

Li Zhongkui， He Xiaolong， Zhang Xinghong， Li Du， Luo Jie

（Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058）

【Abstract】In order to realize the design of pressure-casting parts for passenger car body， this paper， starting from the type and characteristics of pressure-casting process， analyzed the application of high pressure vacuum casting in large pressure-casting parts of passenger car body， then it analyzed the design principles and requirements of pressure-casting in terms of wall thickness， stiffener and pin layout for the application location of the common use parts of pressure-casting parts of body， including key joints， important beam systems， main reinforcement parts， shock absorber tower， A-pillar module， rear floor assembly， front cabin assembly， etc..

Key words： Body structure， Pressure-casting parts， High vacuum die casting

【引用格式】李仲奎， 何小龍， 張杏紅， 等. 乘用車車身大型壓鑄件設(shè)計(jì)與研究[J]. 汽車工程師， 2024（6）： 35-41.

LI Z K， HE X L， ZHANG X H， et al. Design and Research of Large Pressure-Casting Parts for Passenger Car Body[J]. Automotive Engineer， 2024（6）： 35-41.

1 前言

汽車輕量化是節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，鋁合金作為重要的輕量化材料，受到整車制造企業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，鋁合金的應(yīng)用已不再局限于擠壓件和沖壓件，壓鑄鋁合金件越來越多地用作車身結(jié)構(gòu)件[1-2]。鋁合金高真空壓鑄車身結(jié)構(gòu)相對于鋼制結(jié)構(gòu)具備輕量化、模塊化、高剛性、高強(qiáng)韌、高精度、結(jié)構(gòu)自由等優(yōu)勢[3-4]，成為當(dāng)前鋁合金在車身上應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

本文基于鋁合金壓鑄件的種類和特點(diǎn)，分析近年來壓鑄鋁合金在車身上的常見應(yīng)用部位、設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)，以提升壓鑄件在車身上應(yīng)用的方便性并達(dá)成更優(yōu)的性能。

2 壓鑄工藝

2.1 壓鑄工藝種類和特點(diǎn)

重力鑄造是最基本的鑄造工藝，是將液態(tài)金屬注入金屬型腔，在重力作用下結(jié)晶凝固獲得鑄件的工藝[5]。不同于普通重力鑄造，壓鑄是在鋁合金液上施加一定壓力，使鋁合金液充滿型腔的工藝。根據(jù)壓力不同，壓鑄分為低壓鑄造和高壓鑄造，近年來，在壓鑄的基礎(chǔ)上誕生了高真空壓鑄[6-7]，其工藝特點(diǎn)如表1所示。

目前，國內(nèi)外汽車行業(yè)鋁合金壓鑄件的應(yīng)用范圍按功能可分為結(jié)構(gòu)件、受力件、安全件和裝飾件，主要涵蓋以下結(jié)構(gòu)：

a. 動(dòng)力系統(tǒng)部件，包括缸體、缸蓋、缸蓋罩、曲軸箱、氣缸蓋罩蓋、油底殼、活塞、泵體、泵蓋、進(jìn)氣管、發(fā)電機(jī)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪室、六座搖臂座、發(fā)動(dòng)機(jī)各類支架等；

b. 傳動(dòng)系統(tǒng)部件，包括變速器殼體、變速器油路板、離合器殼體、換擋拔叉、變速器支架等；

c. 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件，包括鏈條蓋、齒條殼體、渦輪殼體等；

d. 懸架系統(tǒng)部件，包括懸臂梁、副車架等；

e. 車身部件，包括車身骨架、裝飾制品等；

f. 其他部件，包括減振器下端蓋、壓縮機(jī)支架、離合器踏板及制動(dòng)踏板等[8]。

2.2 車身件壓鑄方式選擇

對于關(guān)鍵梁系、減振器塔座、后地板總成等形狀復(fù)雜的車身薄壁件，如果采用重力鑄造或低壓鑄造，由于充型速度有限且零件壁厚較薄，鋁合金液會(huì)在金屬模具中快速冷卻，充型完成前大量凝固，造成澆不足和冷隔等缺陷[9]。

高壓鑄造可以生成薄壁件，但會(huì)產(chǎn)生氣孔及氧化夾雜物等，無法進(jìn)行熱處理且焊接性差。

高真空壓鑄件除保留壓鑄件固有的優(yōu)點(diǎn)外，還可以使用鉚接、焊接等連接方式，因此，高真空壓鑄更適合制造韌性要求較高的車身零部件。

2.3 車身壓鑄件使用的優(yōu)缺點(diǎn)

在車身上采用壓鑄件可將材料由鋼調(diào)整為鋁，質(zhì)量減輕10%～20%，并減少零件數(shù)量和沖壓、焊接工序數(shù)量，提升防腐性能。但壓鑄件與周邊零部件的連接需要新增連接設(shè)備，制造成本高，車身維修難度和成本高，同時(shí)，壓鑄件數(shù)模設(shè)計(jì)難度高，尤其是后地板總成、前艙總成等大型件。

3 車身壓鑄件的使用部位分析

3.1 車身關(guān)鍵接頭結(jié)構(gòu)

乘用車車身關(guān)鍵接頭使用壓鑄件的部位主要分布在車身前縱梁與門檻梁連接處、車身后縱梁與門檻梁連接處、車身后支柱與頂蓋后橫梁連接處。此外，電動(dòng)汽車車身底板下方需布置動(dòng)力電池箱，車身前縱梁后段需向外側(cè)過渡連接到門檻梁，因此，電動(dòng)汽車車身前縱梁與門檻梁連接件多采用壓鑄件，如圖1所示。

早期的鋼制車身后地板邊縱梁與門檻梁連接多采用較長的重疊區(qū)域以提高連接強(qiáng)度。近些年，車身后地板邊縱梁與門檻梁連接件采用壓鑄件的車型越來越多，如圖2所示。

對于SUV車型，D柱上接頭，即側(cè)圍后支柱與頂蓋后橫梁連接處，采用壓鑄件可以避免傳統(tǒng)鋼制件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3所示為某SUV車型D柱上接頭結(jié)構(gòu)。

此外，對于車身A柱上接頭處、前防撞梁安裝處、后防撞梁安裝處等接頭區(qū)域也多出現(xiàn)壓鑄件結(jié)構(gòu)。

3.2 車身重要梁系

在乘用車車身梁系中，考慮輕量化和成本，直梁優(yōu)先選擇擠壓型材件，非直梁結(jié)構(gòu)，如水箱上橫梁、后地板邊縱梁等，可考慮采用壓鑄件結(jié)構(gòu)。圖4所示為某車型散熱器上橫梁的壓鑄件結(jié)構(gòu)形式。

后地板邊縱梁是車身主要梁系的重要組成部分，并提供后懸架的主要安裝點(diǎn)，需要具備較高的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此后地板邊縱梁主體結(jié)構(gòu)多采用壓鑄件，如圖5所示。

此外，部分車身后輪罩內(nèi)板上豎直方向的加強(qiáng)梁、水箱立柱梁、翼子板內(nèi)板梁也采用壓鑄件。

3.3 車身加強(qiáng)件

乘用車車身局部加強(qiáng)件中壓鑄件主要用于車身后隔板側(cè)邊基座板、中通道加強(qiáng)板、前排座椅內(nèi)側(cè)后安裝點(diǎn)支架以及部分重要安裝點(diǎn)加強(qiáng)板等。車身后隔板側(cè)邊基座板主要用于三廂轎車，在后隔板側(cè)邊基座板處布置行李箱鵝頸式鉸鏈的安裝點(diǎn)和后排安全帶卷收器固定點(diǎn)。圖6所示為某三廂轎車后隔板側(cè)邊基座板壓鑄件結(jié)構(gòu)。

車身地板中通道處，因布置有儀表板下固定點(diǎn)和排氣管吊鉤固定點(diǎn)，并且需要連接左、右座椅橫梁，需要提高局部強(qiáng)度，圖7所示為某燃油車地板中通道加強(qiáng)板。

為保證座椅固定點(diǎn)的強(qiáng)度，提高局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，某車型前排座椅內(nèi)側(cè)后安裝點(diǎn)采用壓鑄件支架結(jié)構(gòu)，如圖8所示，支架連接前排座椅后橫梁、中通道側(cè)壁以及座椅前橫梁后邊沿。

為保證車身固定點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度，避免復(fù)雜的鈑金件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可考慮使用壓鑄件。

3.4 減振器塔座及輪罩板

車身減振器塔座為前懸架彈簧和減振器提供上固定點(diǎn)，需要具備較高的強(qiáng)度，且所處位置相對獨(dú)立，是近年較多采用壓鑄件的車身零部件，材質(zhì)多為鋁合金、鎂合金和鎂鋁合金。圖9所示為某車型減振器塔座壓鑄件。

為進(jìn)一步降低車身零部件的數(shù)量，部分減振器塔座與前輪罩板設(shè)計(jì)為一體壓鑄，如圖10所示。但壓鑄件的體積越大，則模具設(shè)備越大，工藝越復(fù)雜。

3.5 車身A柱模塊

A柱是車身的重要零部件，對車身扭轉(zhuǎn)剛度和結(jié)構(gòu)耐撞性有重要影響。為實(shí)現(xiàn)輕量化和提升正面偏置碰撞的結(jié)構(gòu)耐撞性，考慮將鋼制車身的A柱內(nèi)板、A柱中間加強(qiáng)板和翼子板內(nèi)板設(shè)計(jì)為一體壓鑄。圖11所示為某車型壓鑄件A柱模塊。

B柱、C柱、D柱和后支柱上加強(qiáng)板也可以考慮采用壓鑄件。

3.6 車身后地板總成

隨著壓鑄機(jī)組規(guī)格增大，車身壓鑄件尺寸逐漸增大，特斯拉率先將采用一體化壓鑄地板總成的車型投放市場。目前，大量整車制造商在進(jìn)行一體化壓鑄工藝開發(fā)[10]。圖12所示為某車型一體化壓鑄后地板總成。

車身后地板采用一體化壓鑄工藝，能夠集成鋼制車身后地板總成中的70～80個(gè)零件，減少大量的沖壓、焊接工序，質(zhì)量減輕10%～20%，使整車?yán)m(xù)駛里程提高約5%。

3.7 車身前艙總成

車身前艙總成、前地板總成可考慮設(shè)計(jì)成一體化壓鑄件，前艙總成、前地板總成比后地板總成體積更大，對壓鑄機(jī)組的鎖模力要求更高。圖13所示為某車型一體化壓鑄前艙總成結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前，部分整車制造商的車身前艙總成一體化壓鑄件已試模成功，前地板總成一體化壓鑄件的模具還在研制中。

3.8 典型車型車身壓鑄件應(yīng)用示例

車身壓鑄件應(yīng)用的典型車型有寶馬i3、蔚來ES6、特斯拉Model Y等，上述3種車型分別采用碳纖維車身、全鋁車身和鋼鋁混合車身，車身壓鑄件應(yīng)用情況如圖14所示。其中，寶馬i3的壓鑄件主要集中在中地板橫梁上，特斯拉Model Y后地板總成采用一體化壓鑄件。

4 車身壓鑄件的設(shè)計(jì)要求

4.1 功能和性能設(shè)計(jì)

車身壓鑄件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮零件自身的功能設(shè)計(jì)，包括零件上各種固定點(diǎn)、孔類以及搭接邊設(shè)計(jì)，同時(shí)，應(yīng)考慮零件性能達(dá)成設(shè)計(jì)，包括總體框架、斷面設(shè)計(jì)、零件上主要安裝點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)，可借助拓?fù)浼夹g(shù)、CAE性能仿真分析快速達(dá)成性能設(shè)計(jì)要求。

4.2 工藝要求

工藝設(shè)計(jì)是壓鑄件設(shè)計(jì)中較困難的一環(huán)，需要考慮壓鑄工藝中的進(jìn)澆區(qū)域[11-12]、材料充型時(shí)間、凝固時(shí)間以及如何減少或避免氣孔、縮孔、縮松[13]等缺陷。除使用軟件進(jìn)行工藝分析外，還需要掌握基本的壓鑄件設(shè)計(jì)技巧。

4.2.1 壁厚均勻設(shè)計(jì)

車身壓鑄件多為大型薄壁件，為避免氣孔、縮孔、縮松，車身壓鑄件的壁厚一般為2.5～6.0 mm，且厚度變化過渡區(qū)盡量設(shè)計(jì)成平滑過渡，壁厚增加量與過渡區(qū)長度的比值不超過1/4。對于車身壓鑄件上布置重要安裝點(diǎn)的區(qū)域，建議設(shè)置凸臺，并配備加強(qiáng)筋。

壓鑄件加強(qiáng)筋的壁厚為2.0～6.0 mm，即加強(qiáng)筋的根部不高于6 mm，加強(qiáng)筋的頂部不低于2 mm。主要通過斷面結(jié)構(gòu)的變化和加強(qiáng)筋的布置提高大型薄壁件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖15所示為某車型A柱壓鑄件方案，主體壁厚為2.5 mm，加強(qiáng)筋最小壁厚為2.3 mm。

4.2.2 加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

在大型腔體內(nèi)，加強(qiáng)筋的布局應(yīng)盡量呈網(wǎng)格狀，既有利于提高壓鑄件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又有利于壓鑄工藝過程中多余熱量的釋放和聚集氣體的分散，避免氣孔缺陷。在腔體局部呈圓形或弧形時(shí)，加強(qiáng)筋的走勢應(yīng)盡量為弧形，以提高加強(qiáng)效果，并均勻分布，間距相差接近。此外，加強(qiáng)筋應(yīng)盡量呈傾斜狀，形成更多的三角形，加強(qiáng)效果更佳。

為了保證強(qiáng)度和減少材料用量，壓鑄件的加強(qiáng)筋應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成內(nèi)凹弧形，如圖16所示。

加強(qiáng)筋的拔模角度范圍一般為1°～3°，通常為1.2°或1.5°。加強(qiáng)筋根部需要圓角化，避免零件截面急劇變化，同時(shí)輔助金屬流動(dòng)，減少零件應(yīng)力集中，圓角半徑一般以接近相應(yīng)位置壁厚為宜。另外，網(wǎng)格筋有助于將加工表面彌散的細(xì)小氣孔匯集至網(wǎng)格筋內(nèi)，加工時(shí)可直接將缺陷去除，提高鑄件合格率[14]。

4.2.3 頂出面設(shè)計(jì)

為滿足零件出模要求，除設(shè)計(jì)脫模斜度減少推出力外，還需要在零件脫模方向的投影面內(nèi)均勻布置頂針結(jié)構(gòu)[15]。

如圖17所示，為了保證鑄件被頂出時(shí)受力均勻，頂針位置盡量布置在加強(qiáng)筋相交的位置或者與脫模方向一致的立面上，同時(shí)，頂針之間的距離通常為60～100 mm。為了滿足頂出需要，脫模斜度一般為1.5°，頂針的端面通常為直徑10～20 mm的圓面，頂針自身的高度應(yīng)盡量低，以在保證脫模斜度傳遞后盡可能減輕質(zhì)量。

4.3 材料選擇

車身壓鑄件多采用鋁合金材料，壓鑄鋁合金的主要化學(xué)成分為鋁（Al），其余為硅（Si）、銅（Cu）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鈦（Ti）等合金元素，有時(shí)可以根據(jù)需要添加變質(zhì)劑，如鈉（Na）、鍶（Sr）等。按照主要成分劃分，壓鑄鋁合金可分為Al-Si系[16]、Al-Si-Mg系、Al-Si-Cu系[17]、Al-Mg系[18]，其中Al-Si-Cu系合金應(yīng)用最廣泛。普通壓鑄鋁合金延伸率較低，一般不超過3%，試驗(yàn)表明，高真空壓鑄可以提升延伸率，但難以滿足汽車結(jié)構(gòu)件對強(qiáng)韌性的需求。

綜合考慮強(qiáng)韌度、耐腐蝕性和壓鑄能力，車身壓鑄件材料一般選用AlSi10MgMn。

4.4 熱處理方式

鋁合金的熱處理強(qiáng)化效果受合金元素或金屬間化合物在鋁的固溶體中溶解度影響，溶解度變化越大，固溶強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化越顯著。

高真空壓鑄的大型鋁鑄件通過熱處理達(dá)到高強(qiáng)度和高韌度，同時(shí)應(yīng)保證熱處理后鋁鑄件具有較高的強(qiáng)度和良好的延伸率。

5 結(jié)束語

隨著壓鑄工藝的發(fā)展和進(jìn)步，乘用車車身壓鑄件使用越來越多，從關(guān)鍵接頭、重要梁系、重要加強(qiáng)件逐漸延伸到減振器塔座、A柱、后地板、前艙總成等。壓鑄件的選擇應(yīng)考慮設(shè)計(jì)的獨(dú)立性和與周邊件連接的方便性。

在壓鑄件的設(shè)計(jì)上，除考慮功能、性能外，更要關(guān)注其工藝性，以實(shí)現(xiàn)順利脫膜，減少或避免缺陷發(fā)生，同時(shí)選擇合適的材料，做好熱處理，才能真正發(fā)揮壓鑄件的應(yīng)用效果。

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（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2023年3月9日。