新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 新铝合金汽车转向节试制

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发表于 2019-9-16 10:01:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要:在汽车行驶状态转向节承受频繁变化的冲击载荷,直接关系到汽车的安全性能。试制了一种新铝合金转向节,测试了其组织、力学性能,并对制备的样件进行了台架试验和整车道路搭载试验,测试其各种使用性能。将其与现有铝合金转向节、铸铁转向节的性能进行了对比,表明新铝合金转向节的各项性能优于现有铝合金和铸铁转向节的性能,而且质量更轻。
关键词:新铝合金;转向节;力学性能;使用性能

转向节是汽车转向系统的重要部件,汽车行驶状态下,转向节承受频繁变化的冲击载荷,是汽车底盘中应力最集中、最复杂的部件之一,直接关系到汽车的安全性能,因此对强度要求较高。为实现车辆轻量化,目前转向节多采用镁合金钛合金、铝合金、高强度钢塑料复合材料等制造。其中铝合金具有密度小、强度高、物理性能良好、价格低、来源广泛等优点。郑喜军[1]等对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行了综述,认为通过添加增强体对铝合金基体进行强化,从而使材料获得高比强度和高比刚度、良好的高温性能、良好的耐磨性和低膨胀系数等性能。张国政[2]等对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的应用进行了研究,并对颗粒增强铝基复合材料的性能进行了测试与分析。王向荣[3-4]等对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法进行了综述,将制备方法分为搅拌制备法、挤压铸造法、压力铸造法和离心铸造法等;阐述了颗粒增强体均为通过机械破碎方法获得,增强体和基体之间属于“物理加入”,因此存在着颗粒分布不均匀、与基体相容性不佳等缺点。

当今汽车行业正朝着新能源汽车方向发展,纯电动汽车整车轻量化不仅能够有效降低能源消耗和环境污染,还能够显著提高车辆的续驶里程[5-7]。本试验采用一种新的铝合金替代现有的铝合金转向节及铸铁转向节,分析了该转向节制动疲劳耐久性能等,验证了该新铝合金材料在纯电动汽车整车轻量化方面应用的可行性。

1 新铝合金转向节的试制1.1 新铝合金转向节的开发

为进一步研究新铝合金在整车轻量化方面的应用,验证其可行性,设计了完整工装样件开发流程(如图1所示),研制了纯电动汽车转向节,并在某纯电动车型上进行了搭载试验。

项目共分为3个阶段:工程设计、模具开发和设计验证。工程设计阶段按照“基础设计→首轮仿真分析→设计优化→第二轮仿真分析→性能设计定案→第三轮仿真分析→首轮工艺仿真分析→工艺设计优化→第二轮工艺仿真分析→工艺设计定案”流程开发。工程设计阶段主要对新铝合金转向节方案进行强度分析,研究转向节在11个工况下的应力分布,如图2所示。仿真时,分别在前转向节与减振器套筒、下控制臂球头铰及横拉杆球头铰连接点上施加载荷。图2为新铝合金转向节仿真优化应力云图。

图1 新铝合金转向节开发流程
Fig.1 Development process of new aluminum alloy steering knuckle

图2 新铝合金转向节仿真优化应力云图
Fig.2 Simulation and optimization stress nephogram of new aluminum alloy steering knuckle

由图2可知,试验转向节在各强度工况下的最大应力均未超出材料的屈服强度(300 N/mm2),满足要求。最大应力位于减震器套筒安装孔和驱动轴安装孔周围。

1.2 新铝合金转向节的制备

试验转向节用专为汽车行业开发的新铝合金制造,以替代现有的A356.2铝合金转向节及QT450铸铁转向节。使用直读光谱仪对新铝合金材料中金属元素含量进行测试,炉前检测结果如表1所示。试验铝合金材料采用电阻炉熔炼,熔炼温度760℃,到温后进行精炼处理。在230 kg熔炼铝合金中加入复合熔盐精炼剂0.9 kg。熔体精炼之前将精炼剂放置在熔炼炉附近烘烤干燥,随后将精炼剂放在钟罩内压入合金熔体中进行搅动,直至无气体产生后停止搅动,静置10 min,然后进行扒渣处理。熔体温度740℃时进行轻微搅动,然后在75 MPa~80 MPa压力范围内进行挤压铸造[8]。试制的转向节铸件热处理工艺包括固溶和时效两部分。固溶温度540℃±3℃,保温8 h,出炉水冷淬火,为防止转向节变形将水温设置在65℃;随后进行时效处理,采用双级时效制度,第一级时效温度120℃保温1 h,再将温度升至170℃保温8 h(第二级时效),出炉后空气冷却,完成了转向节的制备。

表1 试验所用的新铝合金材料中的金属元素含量(质量分数/%)
Table 1 Direct reading spectroscopic analysis of nano-ceramic aluminum alloy (wt/%)

1.3 对试制的转向节进行试验

1)转向节显微组织检测

对热处理前后的转向节铸件取样后利用金相显微镜观察其显微组织。图3和图4分别为新铝合金转向节热处理前后的显微组织照片。

图3 转向节固溶、时效处理前的显微组织
Fig.3 Microstructure of nano-ceramic aluminum alloy steering knuckle before solution and aging

由图3、图4对比可知,固溶时效后共晶硅颗粒明显细化,其尺寸小于10 μm,同时与基体相容性较好,界面结合良好。

2)转向节的力学性能测试

对热处理前后的转向节切取力学性能试样,取样部位如图5所示。加工成φ8 mm标准拉伸试样,测试力学性能结果如表2所示。由表2数据可知,采用挤压铸造生产、经固溶时效处理后的新铝合金转向节的屈服强度大于290 N/mm2,抗拉强度370 N/mm2,伸长率大于9%。其力学性能符合汽车转向节在各种工况情况下的使用要求。

图4 转向节固溶、时效处理后的显微组织
Fig.4 Microstructure of nano-ceramic aluminum alloy steering knuckle after solution and aging
表2 转向节力学性能测试结果
Table 2 Test results of mechanical properties of steering knuckle


3)不同材料制造的转向节性能对比试验

为测试不同材料制造的转向节的各项性能数据,通过对比研究新铝合金转向节在整车轻量化应用方面的可行性和优势,分别对转向节样件进行了台架和整车道路搭载试验。各试验项目及目标要求值如表3所示。其中,通过三轮台架试验(如图6)测试不同材料制造的转向节的力学性能、转向拉臂冲击性能、疲劳寿命、极限制动和疲劳耐久性等;通过两轮整车道路搭载试验(如图7),完成强化道路5 000 km、山路10 000 km、高速环路18 000 km测试转向节的综合耐久性。

图5 转向节力学性能试样取样位置
Fig.5 Sampling location of steering knuckle for mechanical property test

图6 转向节台架试验
Fig.6 Bench test of steering knuckle

表3 转向节试验项目及目标
Table 3 Test items and objectives of steering knuckles

2 试验结果分析

三轮台架试验和两轮整车道路搭载试验结果如表4所示。其中,A356.2铝合金转向节分别选用挤压铸造和差压铸造两种工艺制造;试验还选择了现在军工常用的TiB2/A356轻质高强材料转向节作为对比。由表4中数据可知,新铝合金转向节的抗拉强度为400 N/mm2、屈服强度为290 N/mm2,优于A356.2铝合金和TiB2/A356轻质高强材料的;新铝合金转向节与QT450-10铸铁的抗拉强度相差50 N/mm2,屈服强度仅差20 N/mm2,差别不大;新铝合金转向节的疲劳强度为200 N/mm2,与QT450-10铸铁的疲劳强度相同,明显优于A356.2铝合金和TiB2/A356轻质高强材料的(均为50 N/mm2);新铝合金转向节的弹性模量为67 GPa~75GPa,与A356.2铝合金和TiB2/A356轻质高强材料的基本相同(均为68 GPa~72GPa),小于QT450-10铸铁的弹性模量(151 GPa~160GPa);断后伸长率与现有常用的A356.2和QT450-10的断后伸长率(均为10%)相同,大于TiB2/A356轻质高强材料的断后伸长率(2%~3%),说明新铝合金转向节的柔韧性良好;新铝合金的密度为2.77 g/cm3,与TiB2/A356轻质高强材料的密度相同,略大于A356.2铝合金的密度(2.7 g/cm3),远小于QT450-10铸铁的密度(7.3 g/cm3)。在工程设计验证阶段,转向节样件(如图8所示)质量最终达到了设计标质量1.85 kg。表5为不同材料制作的转向节的质量与价格。由表5可知,采用新铝合金设计制作的转向节的质量比用QT450-10铸铁制作的转向节的质量减轻60%,比用A356.2铝合金制作的转向节质量减轻8%。此外各项关键性指标不变,整件成本无增加。因此,采用新铝合金制造转向节可以大幅减轻汽车零部件的质量。

图7 转向节整车搭载试验
Fig.7 Full load test of steering knuckle

表4 不同材料制造的转向节性能对比
Table 4 Performance comparison of steering knuckles made of different materials

图8 新铝合金转向节样件
Fig.8 A sample of new aluminum alloy steering knuckle
表5 不同材料制作的转向节的质量与价格
Table 5 Quality and price of steering knuckles made of different materials


综上分析可知,新铝合金转向节的综合性能接近QT450-10铸铁的,强于A356.2铝合金的,完全达到设计目标,大大优于国内外现有铝合金转向节的,而成本基本持平。因此使用新铝合金材料替代现有材料制造汽车零部件,实现车辆轻量化是完全可行的。

此外,项目后期还采用新铝合金制作了该型纯电动汽车底盘其他部件,与采用传统材料制作的部件相比,其轻量化效果如表6所示。

表6 新铝合金制作底盘零部件轻量化效果
Table 6 Lightweight effect of new aluminum alloy in making chassis parts

3 结束语

1)新铝合金转向节的拉伸模量高达75 GPa,屈服强度大于290 N/mm2,抗拉强度400 N/mm2,断后伸长率最高可达15%,密度仅为2.77 g/cm3。与QT450-10铸铁转向节相比,新铝合金转向节减重可达60%,同时价格与现用铝合金转向节的相同,因此适于整车轻量化应用。

2)采用轻量化材料制作的纯电动车底盘零部件与传统材料制作的零部件相比,质量平均减轻45%,轻量化效果明显。因此可先从纯电动汽车底盘轻量化入手,后续向动力总成系统推广,采用新铝合金材料,最终实现整车轻量化,为纯电动汽车推广和发展做出贡献。

参考文献:

[1] 郑喜军,米国发.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势[J].材料热处理技术,2011(6):92.

[2] 张国政,吕栋腾,吴治明,等.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备及应用的研究[J].新技术新工艺,2010(11):60.

[3] 王向荣,田彦文,李建伟,等.颗粒增强铝基复合材料制备方法及其表面处理技术[J].轻合金加工技术,2006,34(2):27-28.

[4] 付永红,何 源,张冉阳,等.颗粒增强铝基复合材料制备及成形技术研究现状[J].材料热处理技术,2010(7):75-76.

[5] 董全省.纯电动汽车车身轻量化的设计与研究[D].武汉:武汉理工大学,2015.

[6] 张志阳、邵科源、张振宇,等.碳纤维复合材料在纯电动汽车车身中的应用分析[J].上海汽车,2013(10):61-62.

[7] 李海斌,王仁广.等温锻造对镁合金汽车悬架控制臂性能的影响研究[J].热加工工艺,2017,46(23):151-158.

[8] 涂卫军,王刚.铝合金汽车转向节挤压铸造工艺研究[J].铸造,2015(8):74-77.

来源:期刊-《 轻合金加工技术》;作者:李晶华1,王仁广2(1.天津职业大学 汽车工程学院,天津 300410; 2.中国汽车技术研究中心,天津 300300)



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