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分析

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发表于 2019-12-16 08:59:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘 要: 当前汽车的保有量不断的增加,汽车产业不断的壮大,为了提升竞争力,汽车厂商不断尝试技术的创新。汽车底盘轻量化是当前汽车产业共同关注的话题,通过对底盘的轻量化,能够降低车辆的重量,进而降低油耗,提升车辆的舒适度。而随着新材料和工艺的发展,越来越多的轻量化材料被研发,为实现汽车底盘轻量化奠定基础。本文主要对汽车底盘轻量化材料以及具体的工艺进行分析。
关键词:汽车底盘;轻量化材料;工艺

汽车当前已经成为人们出行中的重要交通工具,为人们的生活和出行带来便利,但是同时也导致能源以及环境危机,随着汽车保有量的增加,对环境和能源的威胁越大,因此当前汽车厂商都在探寻降低汽车尾气排放量的方式。而汽车油耗与汽车重量具有直接的关系,通过大量的调查分析可知,如果汽车重量降低10%,那么消耗的能量将会降低10%到15%。而汽车底盘重量占汽车总重量的30%以上,因此如果对底盘系统进行轻量化对降低汽车油耗具有非常大的作用,此外还能够提升汽车行驶的舒适度。


1 汽车底盘轻量化技术开展的方式

汽车底盘中涉及到的零件大部分都是安保件,所以对各零件的质量要求高。在对汽车底盘进行轻量化的过程中,需要对这些零件的结构、材料以及工艺等进行优化和创新。对于汽车底盘结构上的优化包括零件的尺寸、形状以及空心件等方面的设计实现对底盘轻化的目的。在底盘零件的材料上主要可以采用两种形式,其一为铝合金或者镁合金等材料替代传统的钢质材料,进而实现减重的目的;其二,利用比传统底盘钢板强度更强的钢制材料,提升底盘的功能性,降低钢制结构的使用数量,实现整体的减重效果。在汽车底盘工艺的优化中,尽可能采用热成形、液压成形等方式,减轻底盘零件重量。


2 汽车轻量化与节能减排的关系

汽车行驶过程中,会由于突破空气和运动的阻力消耗大量的功率,包括爬坡功率、轮胎滚动功率、加速阻力以及空气阻力等。而空气阻力主要与车辆迎风部分的面积以及车身的形状具有直接的关系,同时与速度成正比,这部分阻力与车辆重量无关。但是爬坡、滚动等方面的阻力则与车辆的质量成正比例关系。因此降低车辆的重量对降低车辆的阻力,与减少能耗是密切相关的。通过铝业协会的研究指出,如果车辆的重量减少10%,那么油耗就会减少7%左右,汽车油耗降低产生的排污量自然会减少。由此可见,降低汽车的重量是有效节能的重要措施,也是为环保事业做出贡献的举措。所以当前汽车制造厂家都开始在降低车辆重量方面加强研究。底盘作为车辆的重要部分也是降低重量的主要研究位置。


3 汽车底盘零件轻量化的具体措施

汽车底盘占总车身重的30%左右,因此要想降低汽车总重量,实现节能减排的目的,需要从汽车底盘轻量化着手。汽车底盘的构造复杂,零件结构多,需要针对不同的部位采取不同的轻量化方式。通过轻质材料的应用以及工艺的改善等,降低车底盘各零件的重量,包括副车架、前下摆臂、转向节、扭力梁、稳定杆等部位。


3.1 副车架轻量化

汽车底盘副车架是对悬架系统、发动机以及转向系统等进行连接和固定的零件,要求刚度和强度都必须要满足要求。副车架的成形方式,主要为热轧钢板进行冲压焊接。由于底盘承载重量大,需要车架的模态性能高,在钢板的选择上,需要将钢板的厚度控制在2毫米到3毫米。而要想使副车架的重量降低,实现底盘轻量化,当前大部分国家在副车架的生产中会采用液压成形技术以及合金的轻质材料,在不影响车架质量的情况下,降低副车架的整体重量。

利用低碳钢或者高强度的低合金钢进行液压成形,使用的传力介质为液体物质,利用模具进行工件加工。副车架通过液压成形能够大大提升减震效果,最大可以减轻30%左右,不仅有利于轻量化,而且可以有效减少底盘中应用的零件数量。有利于对装配工序以及焊接过程的压缩,生产成本得到有效的控制,当前在国外车辆的生产中已经被广泛的应用。从材料方面来看,采用铝合金材料,其本身具有良好的成形性,同时材料密度小,耐腐性强。铝合金材质的副车架在生产过程中可以采用多种工艺形式,当前奔驰、宝马以及奥迪等中高端汽车都逐渐使用合金材质的副车架,车架轻量化效果能够达到40%左右。


3.2 前下摆臂轻量化

传统汽车底盘的前下摆臂主要采用的工艺方式为冲压焊接,采用的材料主要为FB590\SAPH440等强度较大的钢,这些钢制材料的厚度一般为3毫米以上,屈服强度都需要达到300MPa,对这些钢制材料进行焊接中,主要采用的焊接方式为二氧化碳和氩气保护焊。而为了实现前下摆臂的轻量化,当前已经开始采用单片钢板冲压以及锻造成形工艺形式。同时在材料的选择上,采用比传统钢质强度更高的材料,比如FB780或者CP800等,这种材料的屈服强度能够达到600MPa.此外,还需要对结构零件进行优化,将传统的双片钢板转变为单片冲压成形钢板,材料的厚度可以保持不变或者轻微增加,这种成形方式可以减少生产工序,降低生产成本。当前下摆臂轻量化的车型非常多,包括日系车逍客、轩逸;美系车嘉年华;欧系车帕萨特等。

在材质上采用铝合金材料本身具有成形性强,密度低等优势,只从材料重量来看相对于传统钢制零件和材料会轻30%左右。但是由于铝合金的造价高,因此一般的低端车型为了控制成本不会采用铝合金材料,但是中高档车型大部分都会采用铝合金材质。为了使前下摆臂的强度满足强度要求,会采用锻造铝合金材料,最普遍的为6000系变形铝合金,6061以及6082也是比较常见的型号。这种铝合金材料的抗拉强度在350MPa左右。


3.3 转向节轻量化

汽车底盘转向节主要采用的工艺形式为合金锻造或者球墨铸铁锻造方式。最常用的材料主要包括40Cr.转向节轻量化的主要方式同样是利用铝合金材质替代传统的钢质材料,一般轻量化作用能够达到40%。铝合金转向节的工艺主要包括锻造和铸造两种情况,对于后转向节来说,需要的零件连接更复杂,零件数量多,难以通过锻造工艺完成,所以通常会采用铸造工艺进行。对于前转向节的结构以及零件的生产和成形中,可以根据要求合理的选择铸造或者锻造工艺形式。对于铝合金转向节来说,整体造价不高,因此无论是中高端车还是低端车应用都比较普遍。在铝合金转向节的成形工艺中铸造方式主要有两种,分别为重力铸造和低压铸造,最常用的铸造材料为ALSi7Mg.锻造工艺与铸造工艺选择的铝合金材料不同,主要为6082或者6061材质。


3.4 扭力梁轻量化

一般低端的A级轿车后桥后采用扭力梁,大部分的扭力梁都是钢板冲压成形的,钢板材料的厚度一般为4到7毫米。为了达到车辆的刚度要求,需要在扭力梁的内部加装稳定杆,这种情况下会使扭力梁的重量大幅度增加。为了将扭力梁轻量化,可以采用封闭变截面管状扭力梁。这种扭力梁一般采用热成形、液压成形以及钢管冲压成形的工艺,虽然工艺不同,但是从外形上却无法进行区分,一般钢管的厚度控制在3毫米左右。相对于钢板成形的扭力梁来说,管状扭力梁进行轻化后,在重量上可以降低15%左右,而且采用封闭管状结构还有利于提升梁体的刚度,不需要再加装稳定杆,减少零件,降低成本。钢管冲压以及液压成形中都需要采用强度高的热轧钢质材料,并利用高频电阻焊进行焊接,主要的应用材料包括S460MC、DP600等。为了使零件的强度满足车辆对强度的要求,一些车型会选择强度更大的材质,比如DP800或CP800等。这些材料对焊接质量要求也更高,大部分需要采用激光进行焊接。


3.5 稳定杆轻量化

传统的汽车工艺中横向稳定杆都是实心结构的,在生产工艺中需要将弹簧钢棒进行加热,再进行弯曲成形,主要应用的材料为55CrV或者60Si2Mn钢棒料。稳定杆轻量化主要采用的方式为将传统的实心稳定杆技术转化为空心稳定杆技术,通过这种转变可以达到轻量化的40%,但是采用空心稳定杆必须要加大管的外径,保证管的质量。而这种情况下必然会导致周边零件的空间被挤占,因此在设计的过程中必须要考虑这方面的问题。相对于传统实心稳定杆来说,空心稳定杆生产工艺存在很大的差别,在生产成形中不能采用加热成形技术,而是需要在常温的情况下对管进行折弯成形,这种情况下可能会导致杆内壁强度受到影响,因此需要针对管内壁喷丸。

空心稳定杆工艺中主要的材料可以分为两种,分别为焊接管和无缝钢管,其中焊接管中常用的为22MnB5,34MnB5等;而无缝钢管主要应用的材料为42CrMo等钢质材料。由于空心钢管的强度相对于实心钢管的强度来说要有所减弱,因此对钢管的性能要求更高,大部分空心稳定杆材料都需要进口。


4 结语

随着汽车产业的发展以及竞争压力的增大,汽车企业不断的进行技术创新。在环保理念的要求下,逐渐向节能减排方向发展。而通过大量的研究表明,车辆的自重与耗能间具有正相关关系,因此要想降低汽车的耗能,必须要做好汽车的轻量化工作。汽车底盘在车辆总重中所占的比例非常大,因此加强对汽车底盘的轻量化是当前汽车产业发展的主要方向。但是从我国自主品牌汽车底盘轻量化来看,还处于基础阶段,与发达国家间差距比较大,因此还需要做好结构优化工作,做好轻质材料的使用以及工艺的控制。

参考文献:

[1]汽车底盘轻量化材料和工艺[J].史东杰,王连波,刘对宾,刘翰志.热加工工艺.2016(03).

[2]轻型商用车底盘轻量化的研究与应用[J].李雪冬.汽车实用技术.2013(12).

[3]乘用车底盘轻量化技术发展可行性研究[J].李天勇,武秋丽,张亚萍,王潼,高勇.上海汽车 .2013(02).

[4]高性能球墨铸铁在汽车底盘轻量化中的应用[J].吴华锋,张金根.金属热处理.2012(12).


来源:期刊-《时代汽车》;作者:张斯程; 单位:长春汽车工业高等专科学校 吉林省长春市 130013







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