鋁合金車身零部件設(shè)計研究*

唐淳，束照坤，闞洪貴

鋁合金車身零部件設(shè)計研究*

唐淳，束照坤，闞洪貴

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章通過對鋁合金發(fā)動機蓋設(shè)計流程的描述，通過對比鋁合金與鋼的不同點，歸納了鋁合金發(fā)蓋設(shè)計所需要關(guān)注的要點，并提供了鋁合金板材選擇的方式。在不同于鋼制發(fā)動機蓋的點上提出了設(shè)計要求，明確了鋁合金發(fā)蓋的設(shè)計方法。

鋁合金發(fā)動機蓋；設(shè)計要求；設(shè)計方法

引言

隨著環(huán)保、經(jīng)濟性的要求逐漸提高，整車輕量化的發(fā)展，鋁合金越來越多地被應(yīng)用于汽車上。鋁合金優(yōu)勢體現(xiàn)在輕量化、安全、耐腐蝕度高，已成為整車降重的重要突破領(lǐng)域。

鋁合金發(fā)蓋作為整車的重要部件之一，目前各主機廠沒有統(tǒng)一的設(shè)計與應(yīng)用要求，缺乏布置方面和設(shè)計方面的參考依據(jù)，需要對鋁合金發(fā)蓋設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)一的一要求，形成有效地設(shè)計規(guī)范和檢查標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)設(shè)計。

1 設(shè)計要求

鋁合金發(fā)動機蓋主要包括其力學(xué)性能、耐腐等性、耐久性能等要求，見表1。鋁合金發(fā)動機蓋需滿足如下性能要求。

2 設(shè)計過程

2.1 造型可行性分析

造型設(shè)計是車輛開發(fā)過程中重要階段之一，為保證造型的美觀，工藝成型可行性，在造型設(shè)計階段需要在人機工程、法規(guī)對其進(jìn)行條件約束、可行性進(jìn)行分析。

在造型可行性分析階段：首先根據(jù)總布置輸入（地面線、前視野線等）分析發(fā)動機蓋造型的人機工程可行性，初步確定鉸鏈軸線的位置及開啟角度；再根據(jù)初定的鉸鏈軸線及角度，對發(fā)動機蓋進(jìn)行過開、過關(guān)運動校核分析，驗證與側(cè)圍等周邊件間隙面差設(shè)定的可行性[1]。

表1 鋁合金發(fā)蓋性能目標(biāo)

2.2 間隙面差的設(shè)定

根據(jù)造型可行性分析及運動校核，設(shè)定間隙面差值。一般建議設(shè)定如下：

表2 間隙面差對比表

2.3 主斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)蓋斷面設(shè)計主要包含7個斷面，下圖對兩個主要斷面位置及示意圖作簡單介紹，具體數(shù)值需滿足設(shè)計需求。

圖1 發(fā)蓋斷面位置示意圖

圖2 斷面①——發(fā)蓋前端中間位置

圖3 斷面②——發(fā)蓋后端中間位置

2.4 材料設(shè)計

常用的汽車車身的鋁合金板主要為AI-Mg（5000系）和A-Mg-Si（6000系）：

5000系鋁合金中的Mg固溶于鋁中，形成固溶強化效應(yīng)使該合金在強度、成型性和抗腐蝕性等方面具有普碳鋼板的優(yōu)點，可用于汽車內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位。

6000系具有強度和塑性的良好組合，綜合性能優(yōu)良。與鋼板相比，6000系-T4板材的屈服強度和抗拉強度相近，n值超過鋼板。是可熱處理強化臺金，在沖壓成型后經(jīng)油漆烘烤，性能可達(dá)到T6態(tài)，強度可進(jìn)一步提高。

證明 顯然,當(dāng)α,β,γ中有兩個相等時，式(2)取等號，原命題成立.下面對α,β,γ互不相等情況，證明原式成立.

5系和6系的鋁合金板的機械性能如下：

表3 鋁合金板機械性能表

選用了T=1.0mm料厚的板材，發(fā)動機蓋內(nèi)板選用5182材料，發(fā)動機蓋外板選用6016材料。

表4 鋁合金板輕量化方案及輕量化率

2.5 CAE分析

由于鋁合金較鋼板抗拉強度差，扭轉(zhuǎn)以及彎曲剛度指標(biāo)會有所降低，在設(shè)計時就需要更大的截面系數(shù)來保證引擎蓋的剛度。而在屈曲抗凹方面，鋁合金面剛度較鋼板來說差，故需要結(jié)合CAE來分析并適當(dāng)增加支撐[2]。

圖4 引擎蓋剛度分析報告圖

圖5 引擎蓋屈曲抗凹分析報告圖

2.6 工藝設(shè)計

2.6.1成型工藝

相對鋼，鋁合金板存在以下成型問題：

（1）鋁合金板材延伸率低，容易產(chǎn)生裂紋。如發(fā)動機罩內(nèi)板因為形狀比較復(fù)雜，為了提高其拉延變形性能采用高性能鋁合金，延伸率已超過20%，但還是比鋼差，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要盡可能地保證形狀不突變，讓材料容易流動以避免拉裂。

（2）塑性應(yīng)變比小，回彈難以控制，在形狀設(shè)計時要盡可能采用回彈少的形狀。

（3）抗凹性差；屈強比大，表面質(zhì)量差，易桔皮、劃傷，模具要求更高[3]。

經(jīng)調(diào)研，鋁合金成型工藝分兩種：

（1）采用與鋼板同樣成型工藝。通用公司在國內(nèi)進(jìn)行某車型地產(chǎn)化的發(fā)蓋內(nèi)外板，采用與鋼板同樣沖壓設(shè)備，模具在原鋼板的模具的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

（2）板材充液成形技術(shù)。是同一種較新的沖壓技術(shù)，前期最主要應(yīng)用在航空航材料的模具應(yīng)用上，但是由于工藝的局限性，在汽車板材應(yīng)用上不是很普及。

而對于汽車覆蓋件來說，經(jīng)過工藝性、生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟性等分析，還是建議采用與鋼板同樣的沖壓成型工藝。

2.6.2連接工藝

鋁合金覆蓋件與骨架的聯(lián)接是通過沖壓鉚釘鉚接完成的，鉚接的強度比點焊高30%，在所有的聯(lián)接中鉚接占68%，其他的聯(lián)接方法有焊接、鉤鉗、結(jié)構(gòu)膠粘接等。

（1）鉚接——自沖鉚接工藝

圖6 鉚接——自沖鉚接工藝

（2）鉚接——半空心自沖鉚接工藝

圖7 鉚接——半空心自沖鉚接工藝

（3）TOX-無鉚釘連接——無附加零件的機械連接

圖8 TOX-無鉚釘連接——無附加零件的機械連接

3 設(shè)計要點

3.1 鋁合金發(fā)蓋內(nèi)板圓角設(shè)計

鋁合金由于延伸率低，設(shè)計圓角時需要比鋼板考慮得更多。在做沖液成型時，廠家給出最小圓角參考值為6T的，即T=1.0mm料厚的板材需要最小圓角為R6mm，在過渡拉深區(qū)域圓角需要R10mm以上，但具體設(shè)計時還需要結(jié)合工藝成形性分析來調(diào)整。若成形模具改為沖壓成型，由于沒有沖液成型方式走料順暢，故圓角還需要要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 鋁合金發(fā)蓋內(nèi)板總成連接點的設(shè)計

本次設(shè)計采用的是半空心自沖鉚接工藝，鉚接點無須開孔，直接進(jìn)行自沖，設(shè)計時需要的鉚接面相對于焊接面因為設(shè)備原因也需要相應(yīng)進(jìn)行改變。

相對于自沖鉚，鉚釘成本在0.8元左右，鋁點焊與TOX的方式較為經(jīng)濟實惠。但是從連接強度來說自沖鉚接接頭靜強度大于電阻點焊與無鉚釘鉚接接頭靜強度。且從市場上來說，就凱迪拉克采用了鋁合金電阻點焊技術(shù)，其余基本采用鉚釘形式。

3.3 防腐設(shè)計

為滿足發(fā)蓋鉸鏈以及鎖體的安裝點強度，我們將鉸鏈以及發(fā)蓋鎖扣加強板還是采用原DC01材料。由于不同金屬連接后，金屬之間直接接觸會有電位存在差異，若暴露在空氣或者水汽中會導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)生，所以在加強板設(shè)計時需要將不同金屬間采用絕緣材料進(jìn)行隔離。

本次設(shè)計采用結(jié)構(gòu)膠方案將加強板以及內(nèi)板進(jìn)行隔離，好處在于結(jié)構(gòu)膠還能進(jìn)行粘接，連接強度較好。

圖9 鎖扣加強板斷面

3.4 其他設(shè)計要點

（1）發(fā)蓋包邊設(shè)計時還是需要考慮外部突出物的法規(guī)分析，以及行人保護的可行性分析。

（2）充液成型對于發(fā)蓋表面品質(zhì)提升很大，不用擔(dān)心滑移線的形成，但是后期如果采用沖壓成型的話還是需要考慮到棱線的高度，會導(dǎo)致滑移線的產(chǎn)生。

4 總結(jié)

通過對鋁合金發(fā)動機蓋設(shè)計流程的描述，并著重對鋁合金材料進(jìn)行分析，通過對比鋁合金與鋼的不同點，歸納了鋁合金發(fā)蓋設(shè)計所需要關(guān)注的要點，并提供了鋁合金板材選擇的方式。在不同于鋼制發(fā)蓋的點上提出了設(shè)計要求，明確了后期鋁合金發(fā)蓋的設(shè)計方法。在細(xì)節(jié)方面，提出了連接與防腐的設(shè)計要求，避免后期出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

[1] 徐丹丹等.鋁合金引擎蓋設(shè)計[C].上海市汽車工程學(xué)會,2010學(xué)術(shù)年會,2010.

[2] 王亞軍等.鋁合金汽車發(fā)動機艙蓋的性能研究[C].Proceedings of the 8(th) International Forum of Automotive Traffic Safety 2010.

[3] 董家玲等.鋁合金發(fā)動機罩外板[J].汽車工藝與材料,2016.

The Research on Design of Aluminum Alloy Body Parts*

Tang Chun, Shu Zhaokun, Kan Honggui

（JAC Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

In this paper, through the description of the design process of aluminum alloy engine cover, by comparing the differences between aluminum alloy and steel, the key points of aluminum alloy hood design are summarized, and the selection method of aluminum alloy plate is provided. Different from the steel engine cover, the design requirements are put forward, and the design method of aluminum alloy hair cover is defined.

Aluminum alloy engine cover; Design requirement; Design method

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.027

U464.149

B

1671-7988(2021)02-84-04

U464.149

B

1671-7988(2021)02-84-04

唐淳（1982-），女，遼寧沈陽人，碩士，安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心車體設(shè)計專家，主要從事車體的設(shè)計和研發(fā)工作。

束照坤（1986-），男，安徽合肥人，安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心項目管理專家，本科，主要從事項目管理工作。

闞洪貴（1983-），男，山東臨沂人，安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心車體設(shè)計專家，本科，主要從事車體的設(shè)計和研發(fā)工作。

復(fù)雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應(yīng)用關(guān)鍵共性技術(shù)（2016YFB0101603）。