新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 汽车底盘轻量化材料和工艺

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发表于 2019-9-26 14:47:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】摘要:最近几年,随着汽车生产技术的不断发展,汽车底盘轻量化材料和工艺受到人们的高度重视。汽车底盘的轻量化能够有效地降低汽车的能源消耗,提升能源的利用效率,并且能够降低汽车的生产制造成本。本文主要围绕汽车底盘轻量化的技术途径、底盘零件轻量化进行分析,为相关技术人员提供一定的理论参考。
关键词:汽车;底盘;轻量化;材料
一、底盘轻量化的技术途径

随着社会的不断发展,我国的汽车越来越多。汽车在给我们的生活带来便利的同时,也使得能源变得日益紧张。因此,在当前的时代背景下,如何进行汽车的节能设计,已经成为了一个非常重要的研究课题。在进行汽车底盘的设计过程中,不仅需要考虑汽车底盘的稳定程度,同时也需要对底盘的质量进行有效的控制,从而保证汽车能够节省能源的消耗。根据世界铝业协会报告最新统计相关数据显示,目前,世界上的所有的汽车所产生60%的能源消耗来自汽车自重。由于汽车底盘的重量占比达到30%,因此,通过对汽车底盘进行轻量化设计,能够有效地降低汽车整体的重量,从而减少对能源的消耗。

通常情况下,汽车的底盘都是安保件,因此有着很高的质量要求。在对汽车底盘进行优化设计的时候,需要围绕结构、材料、工艺等几个方面进行考虑。要保证底盘结构的稳定性,能够满足汽车的负载需要求,同时要尽可能选择质地较轻的材料,从而降低汽车底盘的质量、并且,技术人员要合理设计汽车底盘的形状,通常会采取空心的汽车底盘设计。在材料方面,可以使用铝合金镁合金等轻质材料,也可以使用强度较高的钢板。在对汽车底盘进行工业加工的时候,往往会采取液压成型或热成型技术,从而保证汽车底盘的生产质量。


二、底盘零件轻量化

由于汽车的底盘主要是由副车架、转向节、稳定杆、前下摆臂等几部分组成。因此,需要重点围绕这些零件进行轻量化设计,保证整体的质量控制。


(一)副车架

在汽车的底盘结构中,副车架通常是用来连接和固定悬架系统的装置,有着很高的负载要求。在对副车架进行设计和生产的时候,技术人员需要采取热轧钢成型方式,从而满足零部件的强度要求。通常需要将副车架的厚度控制在2~3mm。为了能够减轻整体的重量,汽车生产厂家需要利用液压成型技术来对副车架进行制造。液压成形使用的是低碳钢或低合金高强度的钢材料,需要利用液体作为介质,通过模具进行压制成形。液压成型的副车架能够有效提升零部件的减震效果,不仅节省了生产成本,同时提高了产品的性能,最近几年,在汽车生产领域应用越来越广泛。

由于铝合金材料的密度较小,因此在压制成型的过程中,更容易操作,利用铝合金材料制造出来的副车架有着良好的抗腐蚀性。目前,国内外越来越多的汽车生产常见利用铝合金材料进行副车架的生产,汽车的底盘质量能够得到有效地控制,轻量化效果最高能够达到40%。


(二)前下摆臂

在进行汽车底盘的前下摆臂生产过程中,通常需要使用到钢板冲压焊接工艺,常用的材料有SAPH4440、FB590 等。这些材料的厚度基本都在3.00mm 以上,有着较高的强度,需要使用氩气和二氧化碳进行焊接。目前,比较常用的前下摆臂轻量化方式是单片钢板冲压成型,或者利用铝合金材料进行零件的锻造。

在以往的制造过程中,往往会选择FB780 或者是CP800 等新型材料进行制造,技术人员需要将两片钢板冲焊成形变成一片,并且需要保证材料的厚度不变。技术人员应当尽可能地减少不必要的生产工序,从而节省零件的生产成本。

由于铝合金材料质地较轻,有着良好的成型效果,因此,利用铝合金材料进行前下摆臂的制造跟使用传统材料相比有着更好的轻量化效果,最高能够实现前下摆臂轻量化的30%。但是由于铝合金材料成本较高,因此,仅仅在中高端汽车上利用这种方式来实现底盘的轻量化。


(三)转向节

转向节是利用球墨铸铁所铸造成型的连接部件,常用的材料为40CR 或者是QT450-10。目前,国际上普遍材料铝合金进行转向节的生产,能够实现轻量化40%的效果。通常情况下,铝合金转向节材料分为锻造和成形两种,由于转向节的结构比较复杂,因此大多需要使用多个控制器进行连接。铝合金转向节大多应用在中高端车型上,在部分低端车型中也有少量的应用。在进行铝合金转向节生产的过程中,通常需要使用低压铸造或者是重力铸造技术,利用ALSi7Mg材料,保证转向节的铸造强度。


(四)扭力架

扭力梁常用于价格较低的 A 级车后桥,传统扭力梁结构为钢板冲压成形,钢板厚度一般为 4~7mm。为了提高车型刚度要求,一般需要在扭力梁内部增加一根稳定杆,导致扭力梁总成较高的重量。当前实现扭力梁重量降低的方法主要是使用封闭变截面管状扭力梁。变截面管状扭力梁有液压成形、钢管冲压成形和热成形扭力梁三种成形工艺,但从外观上无法区分出成形工艺,钢管厚度一般在 3mm左右。与钢板成形扭力梁相比,管状扭力梁轻量化效果在 15%左右,封闭的管状结构对零件强度和刚度有了很大的提高,同时省去安装稳定杆,减少零件数量,降低零件综合生产成本。钢管冲压成形和液压成形使用热轧高强钢材料高频电阻焊接而成,常用材料为 DP600、FB590、S460MC 等。为提高零件强度,部分车型使用了更高强度的 CP800、DP800 等先进高强钢材料,但为保证焊缝质量,焊管工艺需使用激光焊接工艺。


(五)稳定杆

从汽车底盘的整体结构来看,稳定杆通常是通过将弹簧钢棒料加热的方式进行铸造,呈现出弯曲的形状。常用的稳定杆材料有55Cr3、55CrV 等结构钢棒料。为了降低零件重量,国内外很多车型采用空心稳定杆技术,轻量化效果可达到 40%左右,但空心稳定杆需通过增加管外径来满足零件性能要求,可能会占用周边其他零件活动空间,设计时需要进行优化分析。与传统实心横向稳定杆生产工艺不同,空心稳定杆不采用加热成形工艺,而是在常温下弯曲成形,为保证横向稳定杆内壁强度和性能,需对管内壁进行喷丸处理。空心稳定杆使用材料有无缝钢管和焊管两种,无缝钢管常用材料有 35CrMo、42CrMo 等结构钢材料,焊管常用材料有 34MnB5、20MnB5、22MnB5、26Mn5 等材料。因对原材料的性能要求和质量稳定性要求较高,稳定杆材料主要依赖进口。


三、结语

从目前国内外汽车底盘的轻量化设计现状来看,汽车底盘的质量能够得到有效的控制。但是很多轻量化设计生产工艺比较依赖铝合金材料,这就导致了很多中低端车型无法有效地控制其底盘质量。并且,尽管我国的汽车生产工艺在最近几年取得了一定的突破,但是跟国外发达国家相比还存在着一定的差距。在汽车底盘结构设计、材料控制等方面还有一定的不足,影响着底盘的制造效果。这就需要国内汽车设计人员不断探索和尝试更加先进的生产材料和工艺,优化汽车底盘的设计,满足轻量化的设计目标,从而保证汽车的节能环保设计需求。

来源:《工业工程设计》作者:

黄荣坚
(广州华德汽车弹簧有限公司)



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