鋁合金副車架的輕量化結構設計與試驗驗證

孫志遠，劉蘊博,，籍龍慧，王浩琳

1.合肥工業大學汽車工程技術研究院，安徽合肥 230009；2.合肥工業大學汽車工程技術研究院有限公司，安徽合肥 230009

0 引言

汽車副車架是底盤的重要部件之一，支撐前后車橋和懸掛，使用副車架能夠提高汽車的舒適性和安全性。現在汽車廠商廣泛使用鋁合金材料替代鋼材料來達到輕量化的目的，通過三維軟件建模以及有限元軟件進行分析校核可以高效完成副車架的設計工作。然而，鋁合金副車架的結構特點決定了其鑄造和機加工的難度大幅增加，不合理的加工方法可能會導致氣孔、縮松、夾渣以及變形等質量問題。本文首先對原有結構進行了優化設計，并通過有限元分析對其強度、剛度以及模態性能進行了驗證。然后根據副車架的鑄造和機加工難點，分別設計了鑄造工藝和機加工方案，加工完成的副車架沒有出現加工問題。最后通過臺架疲勞耐久試驗和耐腐蝕性試驗對副車架進行了驗證。

1 副車架結構優化設計

將鋁合金材料直接替換鑄鐵的副車架無法保證其性能要求，所以需要進行優化設計。其優化過程主要經過多輪拓撲優化、CAD設計以及CAE分析等，副車架優化后的結構如圖1所示。

圖1 副車架優化后的結構

針對副車架結構主要有以下幾個改動：①副車架底部增加蓋板，形成封閉腔結構，增加了剛度與模態性能；②對肋板進行了改進設計，使其滿足性能要求。新設計的副車架質量為11.76 kg，相比原來的17 kg，減重比例達到30.8%。

2 副車架有限元仿真分析

副車架材料采用鋁合金ZL114A-T6，其材料參數見表1。將副車架三維模型導入Nastran有限元分析軟件中，網格劃分的單元類型為CTETRA(二階四面體)。

表1 副車架材料參數

2.1 副車架強度分析

選擇1垂直加載、35垂直加載、左前輪3垂直加載、右后輪3垂直加載、左轉、右轉、剎車、剎車左轉以及剎車右轉等9種汽車運行工況對副車架進行強度分析，根據工況分別對副車架各硬點位置施加不同的載荷。

通過靜強度分析，發現在剎車工況下，其強度分析數值相較于其他工況最高，分析結果見表2，分析云圖如圖2所示。

表2 剎車工況強度分析結果

圖2 剎車工況強度分析云圖

由圖2和表2分析結果可知，該副車架滿足強度設計要求。

2.2 副車架剛度分析

對副車架有限元模型設定邊界條件,其剛度約束如圖3所示，通過對其關鍵部位的硬點剛度進行分析以評價硬點剛度的性能。

圖3 副車架剛度約束

由圖3的有限元分析結果發現，副車架各個安裝點的剛度均達到目標要求，其中最大變形發生在下控制臂右后安裝點。下控制臂右后安裝點剛度分析結果見表3，其向、向、向位移云圖如圖4至圖6所示。

圖4 下控制臂右后安裝點X向位移云圖

表3 下控制臂右后安裝點剛度分析結果

圖5 下控制臂右后安裝點Y向位移云圖

圖6 下控制臂右后安裝點Z向位移云圖

2.3 副車架模態分析

本文主要考慮了低階固有頻率對副車架的影響，其自由模態和約束模態一階彎曲振型云圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 副車架自由模態一階彎曲振型云圖

圖8 副車架約束模態一階彎曲振型云圖

由以上振型云圖可知，自由模態一階彎曲頻率為281.9 Hz，約束模態一階彎曲頻率為372.7 Hz，都大于250 Hz，滿足設計要求。

3 副車架加工工藝設計

3.1 副車架鑄造工藝設計

針對副車架鋁合金鑄造工藝，目前國內外流行的主要有高圧鑄造、擠壓鑄造和重力鑄造等。高壓鑄造工藝是通過高壓下高速沖型，使得液態鋁合金凝固結晶，得到的毛坯表面光潔度好，強度和硬度都比較高，有較好的力學性能，但是延伸率較低，而且無法對其進行熱處理;擠壓鑄造是通過將液態金屬倒入敞口模具中，使其形成初步形狀再施加高壓完成毛坯制作，其力學性能好、尺寸精度高，后期可以進行熱處理;重力鑄造是在重力的作用下注入鑄型，晶體組織不夠致密，但可以通過后期熱處理來增強力學性能。出于制造成本和數量的綜合考慮，本文選擇工藝成熟、成本較低的重力鑄造方式。

砂型重力鑄造的砂型模具目前有傳統方法和3D打印兩種方式完成。傳統的砂型制造流程一般為：CAD設計→工藝仿真→模件制作→工裝夾具制作→砂型模具制造→鑄造。3D打印的砂型鑄造流程為：CAD設計→工藝仿真→砂型模具3D打印→鑄造。通過3D打印砂型模具有效簡化了傳統砂型制造的流程，大大提高了生產效率，因此本文選擇3D打印砂型工藝。

由于在鑄件的凸臺以及厚大部位均有容易產生疏松、縮孔等缺陷的風險存在，而且鑄件壁厚較薄，為異型結構，在成型收縮過程及后續熱處理時，易發生扭曲，導致大平面變形。本文考慮在前后端面以及厚大位置設置冒口，冒口加快鑄件厚大區域的凝固速度，避免產生內部疏松缺陷，并且采用前后多點進膠流道設計，減少進膠時間，減小壁厚較薄處的凝固速度。所設計的鑄造模具結構如圖9所示，排氣口、冒口和澆注流道示意如圖10所示。

圖9 鑄造模具結構

圖10 排氣口、冒口和澆注流道示意

鑄造完成的副車架如圖11所示。由圖可以看出，該副車架沒有出現氣孔、縮松、夾渣以及變形等鑄造問題。

圖11 鑄造完成的副車架

3.2 副車架機加工設計

需要對上述鑄造完成的副車架進行機加工處理，考慮到副車架的結構特點，機加工主要有以下幾個難點：①零件為薄壁筋板類零件，采用砂鑄，毛坯不易找正；②零件筋板多、結構復雜、壁薄，為對稱結構，壁厚只有5 mm，加工易變形；③零件上下左右前后均有孔系，為對稱孔系，且工件尺寸較大、加工要求較高。針對以上難點，設計的整體加工方案分為粗加工留余量后精加工，在加工過程中采用專用工裝，配輔助支撐加以裝夾。粗加工過程是先以筋板面螺釘搭子、孔搭子作為粗定位基準，對頂面進行粗加工，如圖12所示。之后以粗加工頂面定位，對筋板上螺釘搭子、孔搭子及周邊加工部位進行粗加工，如圖13所示。精加工過程重復上述順序。經過機加工的副車架尺寸精準，沒有出現變形現象。

圖12 副車架頂面粗加工

圖13 副車架筋板面粗加工

4 試驗驗證

4.1 副車架耐久性試驗

加工完成的副車架應符合奇瑞Q/SQR S5-49規定的要求，為了驗證其耐久性，對其進行橫向力加載和縱向力加載疲勞壽命試驗。

試驗設備采用MTS汽車零件試驗系統專用試驗工裝，副車架橫向力加載和縱向力加載試驗分別如圖14和圖15所示。副車架安裝同實車狀態，四點固定，等效安裝控制臂，加載點為左右控制臂球頭處，左右兩邊同時加載，左右載荷同步、同頻、同值。

圖14 副車架橫向力加載試驗

圖15 副車架縱向力加載試驗

副車架耐久性試驗條件見表4。

表4 副車架耐久性試驗條件

經過200 000次的橫向力和縱向力加載之后，副車架沒有出現裂紋，這說明該副車架耐久性好，滿足Q/SQR S5-49 中規定的要求。

4.2 副車架耐腐蝕性試驗

副車架常常處于惡劣的工作環境，所以有必要評估副車架的耐腐蝕性，驗證其是否符合Q/SQR S5-49中規定的要求。

如圖16所示，將副車架置于中性鹽霧試驗箱中，向其噴射中性鹽霧，試驗時長為240 h。

圖16 副車架耐腐蝕性試驗

試驗完成后，觀察到副車架的外觀無明顯腐蝕，這表明該副車架的耐腐蝕性好，符合Q/SQR S5-49中規定的要求。

5 結論

本文主要對鋁合金副車架的設計開發過程進行了介紹，并通過試驗驗證了該副車架滿足開發要求，具體結論如下：

(1)將鋁合金作為副車架的材料，對副車架的結構進行了優化設計，并通過Nastran有限元分析軟件驗證了其強度、剛度和模態性能；

(2)對副車架的鑄造和機加工方案進行了設計，加工出來的副車架無加工缺陷；

(3)對加工出的副車架進行了耐久性和耐腐蝕性試驗，試驗結果均滿足要求。