作者：陸大興 劉 林 姚浩成 寧秀文        作者單位：柳州五菱汽車工業有限公司
【摘 要】目前，國家大力提倡節能、減排，對于汽車制造企業來說最有效的措施之一是整車的輕量化設計。輕量化的關 鍵方向在于底盤零部件的鋁合金化。文章論述了鋁合金底盤輕量化應用現狀，重點介紹了汽車底盤鋁合金產品的輕量化成型工 藝、產品及發展趨勢，為汽車底盤鋁合金輕量化設計提供參考。
【關鍵詞】底盤輕量化；鋁合金；成型工藝 
       汽車的輕量化，是指在保證汽車的強度和安全性能的前 提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力 性，減少燃料消耗，降低排氣污染。乘用車的輕量化勢在必 行，輕量化的關鍵方向在于底盤零部件的鋁合金化，傳統的 燃油車“雙積分”已于 2018 年 4 月落地，要求到 2020 年車 企平均油耗降低到 5L/100km?；诋斍八?，未來油耗平均 年降幅需要達到 7.1%，然而過去 4 年中油耗的平均年降幅僅 為 3.8%。按當前的進展，即使考慮新能源車占比提升，到 2020 年也只能將平均油耗降低到 6L/100km 左右，距離 5L/100km 的目標，還有非常大的差距。 輕量化勢在必行，鋁合金材料是所有現用金屬材料中密 度較低的輕金屬材料，鋁合金的密度約為鋼鐵的 1/3，且來源 廣泛，因而成為汽車減輕自重、提高節能性和環保性的首選 材料，以鋁代鋼是當前汽車輕量化的主要途徑。同時，輕量 化是緩解新能源汽車續航里程痛點的重要途徑。國家補貼對 續航里程的要求將逐步升高，輕量化將減重并提高續航，幫 助車企獲取政府補貼。 鋁合金材料性價比高、來源廣泛、工藝技術成熟、應用 范圍廣，是目前平衡輕量化收益與成本的最佳的輕量化替代 材料。
      一、 鋁合金底盤輕量化應用現狀
      當前鋁合金在普通乘用車品牌中的滲透率還在絕對低位，2017 年款普通品牌車型中，鋁合金零部件在轉向節中的 滲透率為 21%，控制臂為 3%，副車架和制動鉗殼體上還沒 有應用（如表 1 所示），相關鑄鋁、鍛鋁零部件供應商有望充 分獲取鋁合金增量市場帶來的紅利。尤其是新能源汽車市場 的快速增長中獲取可觀的紅利。        二、 鋁合金底盤輕量化產品
      汽車底盤鋁合金輕量化的代表產品有轉向節、控制臂、 副車架及制動鉗等，屬于底盤安全件，產品性能要求高，輕 量化不能以簡單的減重多少來衡量，必須要與產品功能相關， 安全法規要求必須用提高汽車主動安全性和被動安全性的眼 光來完善汽車的安全設，由于當前工藝的限制，這在一定程 度上限制了鋁合金在底盤上的使用率。
     2.1 鋁合金底盤產品成型工藝現狀
     對于功能件鋁合金，常規的成型工藝有低壓鑄造、重力 鑄造及鍛造等，底盤件安全性能要求高，常規的成型工藝在 產品性能或是生產效率上難以滿足生產要求，輕量化產品的 性能化工藝設計多數還處于研究階段。如要批量化、規?；?地“以鋁代鋼”實現汽車底盤輕量化，需結合鋁合金固有的 性能及先進的成型工藝技術才能在性能上和效率上生產出符 合要求的輕量化產品。 擠壓鑄造產品質量好，其力學性能明顯高于普通鑄件[1-3]， 接近同種合金的鍛件水平（如表 2 所示），效率高、適用范圍 廣，可作為底盤輕量化產品成型工藝的最佳選擇。        2.2 擠壓鑄造（液態模鍛）工藝技術介紹
      擠壓鑄造是新興發展的鑄造工藝，又稱液態模鍛。其原 理是對進入型腔內的液態或半固態金屬施加較大的機械壓力 （約 100MPa～140MPa），使其成型凝固，獲得鑄件的一種方 法[3]（如圖 1 所示）。由于高壓凝固及塑性變形同時存在鑄件 組織致密，無氣孔、疏松等缺陷，相對于其它鋁合金鑄造方 式，擠壓鑄造產品的力學性能明顯高于普通鑄件（如圖 2 所 示），接近同種合金的鍛件水平。          擠壓鑄造是一種鑄、鍛結合的工藝，產品性能好，生產效率高，是轉向節、控制臂、副車架及制動鉗等底盤關鍵零 部件輕量化設計的成型工藝發展趨勢。
       2.3 擠壓鑄造輕量化設計示例
       以下為某汽車轉向節（如圖 3 所示）鑄鐵改鑄鋁方案設 計及有限元分析示例。 轉向節作為汽車轉向系統中的重要零件，工作過程中既 要承載一定的車體重量，又承受轉向力矩和剎車時的制動力 矩，工作環境惡劣。因此，必須具有優良的綜合性能，以保 證汽車和駕駛安全。傳統的汽車轉向節主要由球墨鑄鐵鑄造 而成。        由于鋁合金材質本身性能的劣勢，轉向節以鋁代鋼的改 進僅是替換材料顯然是不行的，即便是使用當前最佳的擠壓 鑄造工藝，也需對產品的機構進行優化設計，并需結合產品的性能、工況等條件進行優化分析。 設計思路：造型設計、強度校核、仿真耐久性分析。 在汽車零部件“以鋁代鐵”的輕量化過程中，由于鑄鐵 和鋁合金楊氏模量的差異，零件結構必須變動才能滿足強度 要求?；谇蚰T鐵轉向節零件原型，同時考慮了材料強度 要求和轉向節零件裝配約束關系等多方面因素，利用 UG 軟件對其結構進行優化設計，不斷地進行了 8 次優化及模擬驗 證后，擬采用 P8 版鋁合金轉向節模型。 鋁合金轉向節材料選擇 A356 鋁合金，其相關參數設定如 下：密度為 2.7g/cm3，彈性模量 為 71GPa，泊松比為 0.33， 擠壓鑄造條件下，屈服強度為 240MPa，抗拉強度為 320MPa， 伸長率為 10%。 應力分析、位移分析條件條件如表 3 所示。        結果表明，在相同載荷施加方式和工況條件下，改進后 P8 轉向節模型的最大應力值及最大位移值遠低于 P0 模型（如 圖 4、圖 5，表 4 所示），達到產品強度的要求，其結構優化 效果明顯。而且由于鋁合金的密度較小，改進后單件轉向節 的重量能減輕 48.7%，實現了輕量化的目的。        三、結束語
       為了響應國家節能減排政策，整車尤其是新能源車輕量 化勢在必行，輕量化產品的覆蓋范圍將會逐漸擴大到底盤模 塊，當前常用的鋁合金成型工藝顯然難以從性能上或者生產 效率上滿足產品要求，擠壓鑄造（液態模鍛）作為一種新興、 高品質的成型工藝，將會是底盤輕量化工藝選擇的一種趨勢。
    【參考文獻】
      [1] 李傳栻.鑄造工程師手冊[M].北京:機械工業出版社,2001.
      [2] 林柏年.特種鑄造[M].杭州:浙江大學出版社,2004.
      [3] 李宇飛,余振龍,石飛,等.擠壓鑄造工藝對汽車控制臂鑄件 組織及性能的影響[J].特種鑄造及有色合金,2018,38(8): 864-866.