鋁合金材料在新能源汽車底盤零件的應(yīng)用
一、鋁合金在汽車上的應(yīng)用
目前，汽車的車身、底盤、動(dòng)力及傳動(dòng)等系統(tǒng)中，已有超過600個(gè)零部件采用鋁材質(zhì)。從全球范圍來看，各國及地區(qū)的汽車用鋁量均呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其中北美與中國的增長(zhǎng)表現(xiàn)尤為突出。
具體到應(yīng)用場(chǎng)景，鋁在汽車上的使用主要集中于車身結(jié)構(gòu)件、輪轂、車身覆蓋件、傳動(dòng)系統(tǒng)及缸體缸蓋等部件；從車型級(jí)別來看，C級(jí)及以上車型的用鋁量明顯高于A、B級(jí)車型。
國內(nèi)外汽車用鋁種類對(duì)比顯示：鑄件用鋁占比最大，超過60%；鋁板材用量占比則呈逐年上升趨勢(shì)，這一現(xiàn)象在C級(jí)及以上車型中尤為明顯。
國內(nèi)汽車用鋁結(jié)構(gòu)中，鋁鑄件占比顯著高于歐美地區(qū)。數(shù)據(jù)顯示，2018年國內(nèi)汽車用鋁總量為380萬噸，其中鋁鑄件達(dá)290萬噸，占比突出。展望未來，國內(nèi)汽車用鋁量將持續(xù)攀升，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到910萬噸。值得注意的是，新能源汽車的快速發(fā)展不僅推動(dòng)用鋁總量增長(zhǎng)，還深刻改變用鋁結(jié)構(gòu)——鋁板材、擠壓材的應(yīng)用比例正明顯上升。
底盤結(jié)構(gòu)、作用和用鋁現(xiàn)狀
底盤部件采用鋁材實(shí)現(xiàn)輕量化的效果顯著，對(duì)車輛性能提升作用突出。但國內(nèi)外發(fā)展存在差距：國外底盤部件鋁化率較高，國內(nèi)則遠(yuǎn)低于國外水平，目前主要應(yīng)用于高檔自主品牌汽車及純電動(dòng)轎車，滲透率僅約10%。
具體來看，轉(zhuǎn)向節(jié)是底盤部件中鋁化滲透率最高的產(chǎn)品；而副車架技術(shù)難度最高，存在成品率較低、尺寸精度有待提升、焊接接頭性能及焊接變形控制水平不足等問題。
未來，底盤鋁制結(jié)構(gòu)件的發(fā)展將聚焦于輕量化效率，更輕量的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更高性能材料的開發(fā)，以及更高的生產(chǎn)效率和成品率，將是主要趨勢(shì)。
二、高強(qiáng)韌鑄造鋁合金材料開發(fā)
傳統(tǒng)熔鑄工藝存在以下問題：
1. 屈服強(qiáng)度無法滿足設(shè)計(jì)要求，延伸率難以穩(wěn)定達(dá)到9%及以上；
2. 共晶硅變質(zhì)程度低，易形成粗大針片狀組織，嚴(yán)重影響力學(xué)性能，尤其對(duì)延伸率影響顯著；
3. α-Al未得到有效細(xì)化，呈現(xiàn)明顯的樹枝晶形態(tài)，導(dǎo)致強(qiáng)度和延伸率下降；
4. 熱處理后的組織中，共晶硅呈蠕蟲狀，球化效果欠佳，對(duì)合金的強(qiáng)度和延伸率均有不利影響。
三、高強(qiáng)韌鑄造鋁合金在轉(zhuǎn)向節(jié)上的應(yīng)用
轉(zhuǎn)向節(jié)的作用及性能要求
汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及受力部件形狀極為復(fù)雜，其功能包括支撐車體重量、承受轉(zhuǎn)向力矩與剎車時(shí)的制動(dòng)力矩。由于工作環(huán)境惡劣且作為關(guān)鍵安全部件，該系統(tǒng)對(duì)組織性能、機(jī)械性能及外形尺寸的要求極為嚴(yán)格。
材料及成形工藝現(xiàn)狀
鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)主要采用鑄造工藝成形，占比約90%。
設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
- 功能區(qū)設(shè)計(jì)：需滿足與各連接件的安裝需求，如通過標(biāo)準(zhǔn)螺栓、球頭等實(shí)現(xiàn)連接；
- 干涉性控制：零件與周邊部件需滿足最小間隙要求，避免相互干涉；
- 強(qiáng)度適配：通過受力分析明確關(guān)鍵受力部位，確保強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，同時(shí)為后續(xù)質(zhì)量檢查提供依據(jù)；
- 工藝適配性：零件結(jié)構(gòu)需符合低壓鑄造工藝的技術(shù)要求。
零件性能要求
需滿足靜強(qiáng)度、耐久性及安全性指標(biāo)。
四、高強(qiáng)韌鑄造鋁合金在副車架上的應(yīng)用
副車架的作用及性能要求
在汽車底盤中，副車架作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，承擔(dān)著連接懸架裝置與車身的功能，同時(shí)作為支撐車橋和懸掛的總成支架，肩負(fù)著承載發(fā)動(dòng)機(jī)及車軸的使命。部分副車架在車輛碰撞時(shí)還能起到潰縮變形、吸收能量的作用。
對(duì)副車架進(jìn)行輕量化開發(fā)，可有效降低“簧下質(zhì)量”，進(jìn)而提升能源效率、增加續(xù)航里程、改善乘車舒適性。以常見的副車架為例，單件鋼制副車架重量通常為10~25kg，采用鋁制副車架后，可實(shí)現(xiàn)30%~50%的減重，輕量化效果顯著。
材料及成形工藝現(xiàn)狀
高壓真空一體式鑄造工藝——可減重約40%
其它一體式鑄造工藝
鑄件+型材+焊接工藝
副車架的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)要求
1.?副車架與車體采用四點(diǎn)剛性連接方式安裝；
2.?需預(yù)留轉(zhuǎn)向器、穩(wěn)定桿、控制臂及懸置的安裝位置；
3.?與周邊部件的間隙需符合總布置設(shè)計(jì)要求；
4.?依據(jù)碰撞安全及空間布置需求，設(shè)置潰縮吸能結(jié)構(gòu)。
零件性能要求
需滿足板塊靜強(qiáng)度、耐久性、安全性及NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）性能要求。
目前公開渠道暫未查詢到鋁合金副車架的三維模型，相關(guān)資料可參考行業(yè)技術(shù)文檔或聯(lián)系車企技術(shù)部門獲取。
以下是長(zhǎng)安副車架的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1. 與車體采用剛性連接方式；
2. 主體為“口”型結(jié)構(gòu)，其中左前縱梁、右前縱梁及后梁采用低壓鑄造工藝制成，前橫梁為擠壓鋁材；
3. 配備前、后兩個(gè)懸置安裝支座；
4. 根據(jù)碰撞及空間布置需求，設(shè)有潰縮結(jié)構(gòu)。
鑄造后梁件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
該后梁為低壓鑄造件，整體呈現(xiàn)大尺寸、薄壁且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，鑄件厚度約5mm。其中，主體加強(qiáng)筋及腹板的厚度在4.5~6mm之間，用于安裝的凸臺(tái)位置則采用較厚的尺寸設(shè)計(jì)。
結(jié)語
隨著汽車產(chǎn)業(yè)向輕量化、節(jié)能化、高性能化轉(zhuǎn)型，高強(qiáng)韌鑄造鋁合金在汽車底盤關(guān)鍵部件（如轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架等）中的應(yīng)用成為重要趨勢(shì)。盡管目前國內(nèi)在底盤件鋁化率、工藝技術(shù)成熟度等方面與國外存在差距，但通過材料開發(fā)的突破、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化及生產(chǎn)工藝的升級(jí)，鋁合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用潛力將持續(xù)釋放，為汽車性能提升與可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。
