汽车底盘轻量化材料和工艺

张国驰 张小兵

【摘 要】我国的汽车工业在近些年得到了快速的发展，汽车底盘对于汽车组成具有重要的作用，其重量的大小很大程度上决定了汽车的油耗。因此，汽车底盘的轻量化是汽车工业的一个重要的发展方向。本文主要从轻量化材料的应用和先进制造工艺两个方面对汽车底盘主要零件轻量化技术的应用现状和发展进行了简要述叙。

【关键词】汽车底盘；轻量化；工艺

引言

目前，我国汽车的制造主要是以节能、环保等为主要的发展方向，汽车的结构为车身以及底盘为主，并且其重量占据了汽车整体部分的30-50%。科学合理的设计、汽车结构轻量化可以减轻汽车的重量，并且改善汽车的性能。

1、底盘轻量化的意义

汽车在给人们的生活带来便捷和舒适的同时，其尾气也给人类带来了环境危机，越来越多的科研机构以及汽车公司开始就如何降低汽车尾气的排放等进行不断地研发，这也是全球汽车行业所面临的技术难题。众所周知，降低汽车重量可以有效降低油耗，底盘又占据着汽车整车1/3的重量，因此汽车底盘轻量化是减少汽车尾气的一个重要途径。随着我国汽车产业的不断发展壮大，近年来我国汽车产销量不断攀升，如图1所示，从2005年至2016年的汽车产销量由500万辆增加至2500万辆以上，短短12年增加了5倍的产销量，既大大提高了我国制造业的发展水平及人们生活的便利程度，但也给保护环境带来了挑战。

2、底盘零件轻量化

2.1、前下摆臂

前下摆臂传统成形工艺为钢板冲压焊接成形，常用材料SAPH440、QSTE420、FB590等高强钢，厚度一般在3.0mm以上，材料屈服强度在300MPa以上，使用氩气+二氧化碳保护气体焊接。轻量化前下摆臂如图2所示。目前成熟的轻量化方法是单片钢板冲压成形和铝合金锻造成形。在传统使用的高强钢基础上选用更高强度的FB780、CP800等先进高强钢材料，材料屈服强度提高到600MPa以上。对零件结构优化设计，将双片钢板冲焊成形变为单片冲压成形，材料厚度不变或稍微微增加以满足零件性能要求，减少零件生产工序的同时降低零件成本。日系轩逸、逍客、奇骏，韩系朗动，美系爱唯欧、嘉年华，欧系的速腾、帕萨特等车型都已应用此种结构实现前下摆臂轻量化。铝合金材料密度低，成形性好，与传统钢质零件相比，轻量化效果能达到30%以上，但铝合金材料成本较高，不适合在低端车型上应用，在国内外中高端车型中应用较为普遍。铝合金前下摆臂为满足零件强度要求主要选用锻造铝合金材料，以6000系变形铝合金为主，常用牌号为6061、6082等，抗拉强度可以达到350MPa以上，伸长率大于10%。

2.2、转向节

转向节常用成形工艺为球墨铸铁铸造成形和合金结构钢锻造成形，常用材料分别为QT450-10和40Cr。转向节成熟应用的轻量化方式是用铝合金材料代替钢质材料，轻量化效果可达到40%左右。铝合金转向节有铸造成形和锻造成形两种，后转向节一般需要与多个控制臂等零件连接，结构较为复杂，锻造工艺不易于实现，通常采用铸造成形工艺；前转向节根据零件性能和结构特点可选择铸造或锻造成形工艺。铝合金转向节不仅在国内外中高端车型上得到了大量的应用，在部分中低端车型上也有应用。铝合金转向节铸造成型工艺一般采用低压铸造或重力铸造，常用材料为AlSi7Mg。锻造成形铝合金常用材料为6061或6082。

2.3、扭力梁

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。

3、汽车底盘轻量化技术优化分析

一辆标准的汽车由动力系统、电气系统、底盘系统等多种设备体系构成，汽车底盘的重量大约可以占到汽车重量的30%，通过对汽车底盘轻量化的优化设计对于汽车节油具有十分重要的意义。汽车底盘因为必须具有很强的支撑能力，所以用于装配汽车底盘的配件需要具备较高的要求。对于汽车底盘轻量化的优化途径首先选择的是材料的轻量化设计，如使用轻质的镁铝合金材料代替钢材料。从汽车底盘加工的成型技术入手进行改革，采用高强冲压，将配件放入热加工炉中加热4分钟。使配件均匀奥氏体化，用机械手臂将其取出，然后迅速转移到热冲压模具上快速冲压成形，汽车底盘配件的强度可以达到1200兆帕。在汽车底盘的构造中，主要有U形、W形和V形三种形式的冲压梁。三种形式的汽车底盘冲压梁在汽车构造中起到了不同的作用，U形梁是最常见的一种汽车底盘纵梁的结构形式，V形梁是汽车底盘防撞结构的主要形式，V形梁对于提高汽车整体性具有十分重要的作用，其作为中间结构对于汽车的刚度和强度的提升都有十分积极的作用。V形梁在提升汽车整体强度的前提下，其材料的重量也具有很大的优势，是汽车底盘进行轻量化设计的一个很好的选择。W梁是为了减少横截面跨度大、应力集中的问题产生的，这样不仅使得结构的刚度有了很大的提升，在安全性方面也超过了V形梁的作用，因此W形梁的结构越来越多的用于汽车底盘的设计与制造当中。

结束语

轻量化材料的应用会带来制造成形工艺的调整和结构优化等问题；先进成形工艺需要对零件结构的优化设计和考虑材料成形性。汽车轻量化是汽车技术发展的方向，今后必然有更多的轻量化技术应用在汽车底盘系统上。

参考文献：

[1] 马建新，林小凤.新能源汽车底盘设计的发展趋势探讨[J].汽车与驾驶维修（维修版），2017（09）：89-90.

[2] 王镧.YC1040载重汽车底盘有限元分析及优化研究[D].湖北工业大学，2017.

[3] 李丰滨.轻型载货汽车底盘车架轻量化优化设计[J].金属世界，2017（02）：16-19+80.

[4] 晏临风.新能源汽车底盘的三维设计研究[J].科技创业月刊，2016，29（24）：122-123.

（作者單位：长城汽车股份有限公司）