鑄造鋁合金在汽車底盤結構件輕量化設計中的運用

引言

汽車底盤結構多含有行駛系、制動系、傳動系及轉向系構件，而在構件輕量化設計理念導向下，設計人員以鑄造鋁合金充當構件設計材料，已成為汽車底盤制造項目較為關鍵的選擇，因其可減少至少 30% 的車輛質量，其輕量化效果高于 30% 故此設計人員有必要加強鑄造鋁合金的有效應用，并制定完善的方案，促進汽車底盤結構的順利加工，符合新時代對汽車產品性能與質量的最新要求。

一、鑄造鋁合金在汽車底盤結構構件輕量化設計中的運用價值

鑄造鋁合金在汽車底盤結構輕量化設計中的有效運用，其主要價值體現在以下兩個方面：

第一，力學性能強，在對汽車底盤結構的副車架及其他部分實施輕量化設計時，之所以運用鑄造鋁合金，是因為該材料本身具有良好的力學性能。即低硅鑄造鋁合金在重力鑄造成形作用下，其熱處理狀態下抗壓強度多在360MPa到370MPa之間，屈服強度為300MPa到310MPa，伸長率為 8% 到 9% 而壓鑄作用下的“Al-10Si-Mn-Mg”鑄造鋁合金，其鑄態下對應的力學性能指標分別為200MPa到 290MPa 、120MPa到 150MPa ， 4% 至 9% ，表明該材料盡管不應用熱處理工藝，也能保持優良的強度表現。因此，將該合金作為底盤結構輕量化設計材料，具有一定可行性。

第二，車輛質量小，除了力學性能優良以外，鑄造鋁合金還能在實際運用后，幫助車輛減小質量，其最小減小幅度為30% ，剛好可以滿足輕型汽車產品的研發設計要求。而且運用該材料時，還可通過調整合金材料內硅、錳等化學成分質量分數靈活調整性能，就此確保汽車底盤結構經由該材料的輔助，貼合輕量化設計標準，促使汽車行業在鑄造鋁合金助力下得以創新改革[1]。

二、鑄造鋁合金在汽車底盤結構構件輕量化設計中的運用方法

（一）優化副車架結構

設計人員在對汽車底盤結構進行輕量化設計時，要想發揮鑄造鋁合金的實踐價值，具體可結合不同構件對材料性能的需求情況優化結構。其中針對關鍵構件副車架，常見的有實心副車架與空心副車架，以不同副車架結構特點選擇適合的鑄造鋁合金，同時還要兼顧車輛載荷驗證所選結構與鑄造鋁合金的適配性。根據對多種類型鑄造鋁合金力學性能的綜合分析，能夠發現低壓鑄造鋁合金適用于空心副車架結構，鋁鋅鑄造合金可用于實心副車架結構。

前者在運用過程中，設計人員可先行借助3D打印技術掌握副車架內部結構特征，而后結合低壓鑄造方式促進材料成形。一般在低壓鑄造鋁合金作用下，基本能使汽車底盤副車架結構在熱處理狀態下，保持最小 280MPa 的抗壓強度和 220MPa 的屈服強度，且伸長率也能達到 7% 的標準。在低壓鑄造鋁合金應用期間，所形成的鑄件壁厚在6mm到 10mm 之間，孔壁厚與體積量分別為 40mm 、 0.0056m³ 。另外，針對空心副車架也可采取擠壓鑄造鋁合金，其中設計人員宜將鑄造模具的工作溫度及澆注溫度分別控制在 250^°C. ， 700^°C 左右，并且持續進行20s擠壓操作（ 250MPa， ，確保每分鐘最小產生100mm 的移動區間。為避免輕量化設計期間受鑄件厚度影響而減弱輕量化設計效果，設計人員也要控制好壓鑄鋁合金中各化學成分的添加量，尤其是鐵金屬不宜超過 0.15% ；錳金屬盡量保持在 0.5% 到 0.8% 以內。而且由于壓鑄鋁合金的抗壓強度在鎂元素含量添加過多 （gt;0.21% ）時，可能會對強度帶來干擾，所以務必注重化學成分含量添加標準。后者運用鋁鋅鑄造合金時，因其含有更高鋅元素，所以能適當增強副車架的耐腐性及延展性，故可結合既定質量分數配比結果，強化此類材料在副車架結構中的力學性能。即按照6：1.3：0.1：0.10.2：余量（鋅：鎂：鋯：鈦：鋁）標準，改善該鑄造鋁合金在副車架結構輕量化設計中的應用效果。

（二）優選前下擺臂工藝

設計人員對前下擺臂構件實施輕量化設計，則應當選擇適合的鑄造鋁合金應用工藝。以往多以厚度高于 3mm 的鋼材搭配沖壓焊接工藝為主，雖然能夠獲得 300MPa 左右的抗壓強度，但此種方法顯然不易于減小車輛質量，脫離輕量化設計標準，故有必要提出以擠壓鑄造、低壓鑄造、重力鑄造等工藝運用鑄造鋁合金材料，進而成功生產輕型汽車產品。

值得一提的是，于鑄造鋁合金運用期間，因其具備低密度、易于成形特點，所以已有多家汽車生產企業重視鑄造鋁合金的應用價值，但其采購成本相比鋼材等價格更高，所以實現底盤結構構件輕量化設計前，也要考慮經濟性因素，盡量選擇6082型鑄造鋁合金或6061型鑄造鋁合金，以此在達到350MPa 強度標準基礎上，也能有效控制設計成本。此外，實際采用擠壓鑄造工藝，也能使設計后的構件具有 9% 以上的伸長率與226MPa以上的屈服強度。如若未進行擠壓操作，可能會導致前下擺臂軸承孔洞部分出現松動不緊固問題，因此設計人員在對前下擺臂構件進行整體擠壓鑄造時，也可利用擠壓機，對準薄弱處予以局部擠壓處理，繼而進一步提升構件性能。

（三）合理控制鑄造壓力

設計人員面對不同底盤構件，運用鑄造鋁合金之際，設置的鑄造壓力略有差異，即轉向節構件，多設計低壓鑄造條件；輪罩減震塔構件則以真空高壓鑄造條件為主；前底板與后底板，需創設大力真空鑄造條件，進而通過對鑄造壓力的合理調整，合乎多構件鑄造鋁合金應用要求。于低壓鑄造過程中，設計人員可聯合球墨鑄鐵件，促進相關構件得以輕量化設計。真空高壓鑄造可借助壓鑄機（3500T）打造真空高壓鑄造環境，設計人員可利用整體澆注設計搭配兩件布局設計方式加快鑄造成形速度，并且還要將壓鑄機運行中釋放的真空鑄造溫度控制在700^°C 左右，同時需在鑄造中持續進行3h保溫處理，使其在高溫環境里具有更強性能。經分析，在該鑄造壓力下設計而成的輪罩減震塔構件，最小有250MPa的屈服強度和300MPa的抗壓強度，伸長率最小 8% ，表明壓力不同，可能會對鑄造鋁合金運用后的輕量化設計效果產生影響。至于完全為構件設計真空鑄造條件，可借助超大真空壓鑄機！ （gt;7000T） ，促進底板構件無需熱處理也能體現輕量化設計特點。

目前市面上奧迪A8、奔馳S級、阿斯頓·馬丁DB11產品均以鑄造鋁合金底盤減輕車身質量，同時經由鑄造鋁合金底板構件輔助，車輛舒適性與可操控性也得到了有效提升，因此設計人員理應對汽車底盤結構構件進行壓力可變性設計，以貼合輕量化設計理念，使底板構件鑄造成形后，為汽車產品的整體運行質量帶來積極影響。

（四）加強參數適配設計

為使鑄造鋁合金在輕量化設計中發揮顯著作用，設計人員設計汽車底盤結構構件時，應當利用建模軟件對構件參數進行強化設計，以此增強底盤設計參數與輕量化設計標準的適配性。

具體可選擇UGNX10.0軟件，建模后比較鑄造鋁合金與傳統鋼材料的性能差異，自此輔助設計人員知曉參數優化設計要點。以Q345與7075兩種材料為建模對比對象，其密度分別為 7.85g/cm³ ， 2.82g/cm³ ，泊松比為0.3、0.33，屈服強度與抗壓強度為345MPa（480MPa）、600MPa（520MPa）。于軟件界面比較不同材料下底盤體積占比率（ 0% 到 100% ，若根據下列公式優化鑄造鋁合金運用階段形成的底盤參數以后，顯示與適配設計前比較力學性能有上升趨勢，傳統鋼材也呈現增強狀態，可證明參數適配設計結果具有適用性。

式中y （x） 表示設計變量和目標關系函數；n表示基函數相數；表示系數；表示基函數； X 表示設計變量；表示誤差。

經研究，確定在對底盤結構構件運用鑄造鋁合金，要求將底盤應力控制在 700MPa 以下，最多保留 90% 的底盤體積比，輕量化設計底盤環節，最多產生 10mm 的變形量。隨著在鑄造鋁合金運用過程優化底盤參數，有益于改善汽車底盤結構綜合性能，也能實現汽車行業底盤結構的創新設計。

結論

綜上所述，鑄造鋁合金運用于汽車底盤結構輕量化設計階段，主要在于鑄造鋁合金具備力學性能強、車輛質量小等價值。為進一步強化輕量化設計效果，設計人員應當從副車架結構、前下擺臂工藝、鑄造壓力及參數適配設計等方面著手，促使在鑄造鋁合金助力下，進一步改善汽車底盤結構使用性能，促進輕型汽車的成功研發。

參考文獻：

[1]李先洲，柳建國.鑄造鋁合金在汽車底盤結構件輕量化中的應用[J].鑄造工程，2024，48（03）：22-26.

基金項目：廣西重點研發計劃-桂科AB23026112-面向小型新能源車的輕量化復合材料汽車零部件低碳制造關鍵技術

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