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真空高压铸造铝合金车身后纵梁轻量化设计
发布时间:2020年05月21日 10:39


文:广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 林佳武

摘要 为提高汽车发生后撞时车身的耐撞性和轻量化效果,采用真空高压铸造铝合金后纵梁替代某电动车型传统钢制钣金焊接总成。从后撞耐撞性出发,通过拓扑优化,考虑压铸成形和连接工艺等要求,设计了压铸铝合金后纵梁,实现了后纵梁结构的模块化和轻量化。结果表明,铝液填充平稳,没有明显的冷隔、缩孔等缺陷,产品性能满足后撞和各安装点刚度要求。

关键词: 真空高压铸造; 铝合金; 后纵梁; 轻量化


前言

人们对汽车乘坐舒适性和碰撞安全性等的高要求促使传统燃油汽车向更坚固、质量更重的趋势发展,从而产生更多的能源消耗和尾气排放,违背了节能减排的要求。汽车车身的轻量化设计不仅是延长续航里程的有效措施,且能改善整车的操纵稳定性和乘坐舒适性。


轻量化手段主要包括轻量化结构设计和新材料与新技术的应用。其中,新材料的应用是最为直接而高效的手段。铝合金密度是钢的 1 /3,吸能性能是钢的 2 倍,且较耐腐蚀; 当选用铝合金制造车身结构件如车身后纵梁替代其传统钢制结构时,不仅可减轻车身质量,还能保证车身节点的刚度,满足防撞要求,提高整车碰撞安全性。


车身后纵梁是汽车发生后撞时的主要承载和吸能部件,传统钢制车身一般采用高强钢板冲压成形,但在后撞工况中纵梁出现严重变形,会导致燃油车油箱的破坏,造成燃油泄漏; 对于电动车会发生电池包挤压变形,电池包损坏。


真空高压铸造铝合金后纵梁有一个较大的设计空间和设计自由度,可采用有效的结构设计来改善其碰撞性能,提高轻量化效果; 另外,以高压铸造一体成形技术,代替传统多钢件焊接结构,集成多个安装点于一体,实现模块化,有利于 车身刚度的提升。


本文中以某电动车型真空高压铸造铝合金后纵梁为例,从材料选择、结构设计、真空高压铸造工艺设计和产品性能分析 4 个方面阐述真空高压铸造铝合金后纵梁的轻量化设计。


1、 材料选择

传统钢制后纵梁总成由后纵梁、后纵梁加强板和安装支架等钢制冲压件拼焊而成,如表 1 所示。结构复杂,零件约 15 个,整体质量约 13. 5 kg。改用一体压铸铝合金后纵梁可在保证原有性能大幅度提升的前提下,实现后纵梁的模块化和轻量化。



目前真空高压铸造铝合金所用原材料可分为 3类: Al-Si 系列、Al-Si-Cu系列和 Al-Si-Mg 系列,均可进行后续热处理。Si 元素的加入可显著改善合金的流动性,抑制高温脆性,当 Si 含量在 9% ~ 12% 时,铸造铝合金的铸造性能和强度都较好。经过行业内一些车型的不断探索和验证,目前各种性能指标较为均衡,且技术比较成熟的材料是 Al Si10Mn Mg。


材料足够的拉伸断后延伸率和折弯角可以确保零件材料有良好的塑性,是铝合金零件在铆接时铆接点不发生开裂的前提条件。一般而言,高压铸铝件的断后延伸率都低于 3% 。因此,为进一步提高塑性,还须对产品进行后续热处理,使其在长期服役的条件下形状和尺寸变化能够保持在规定范 围内。表 2 为真空高压铸造铝合金后纵梁经 T7 热处理后的性能指标。



2、 产品结构设计

2. 1 后撞工况下的耐撞性设计

后纵梁是汽车发生倒车碰撞或追尾事故时的主要受损部件,其耐撞性能的好坏直接决定汽车安全性能的优劣。汽车发生后撞时,白车身下车体后端分为A 和B 两个区域,如图 1 所示。A 区域主要产生相对稳定的轴向碰撞变形,是主要的能量吸收区。B 区域在后纵梁设计时应避让底部底盘系统,且纵梁前端连接电池包,为避免电池包碰撞时发生挤压变形,造成电池损坏,后纵梁需要一定的弯曲刚度来抵抗弯折变形,主要起传递碰撞载荷作用,其传递碰撞力约占总碰撞力的 60% 以上。



基于不同区域的不同功能要求,将后纵梁设计成由两个不同刚度的部件组合而成,分别称为后纵梁前段和后纵梁后段。前段主要抵抗变形,采用铝合金真空高压铸造而成; 后段则通过变形吸收碰撞能量,采用铝合金挤出成型。本文中主要讨论真空高压铸造铝合金后纵梁前段的轻量化设计。


2. 2 后纵梁结构拓扑优化

拓扑优化多应用在结构的概念设计阶段,是在给定的设计空间内找出最优的材料分布。同时可在不同工况要求下,帮助提取载荷路径。

为更好地进行轻量化设计以及后续结构设计方案的制定,在概念设计早期阶段对后纵梁前段进行拓扑优化。首先基于汽车车身真实的试验工况,设置车身弯曲、扭转、前撞、侧撞、后撞工况下的边界条件; 其次确定后纵梁前段的设计空间和非设计空间,非设计空间主要是后排座椅、后排座椅安全带、后副车架等安装点以及与门槛梁、后纵梁后段的搭接面等; 最后以设计空间单元的密度为变量,最小应变能为目标,总体积分数<0. 3 为约束条件进行优化。分别提取弯曲+扭转+前撞+侧撞+后撞、后撞、弯曲+扭转+前撞+侧撞工况下后纵梁前段的拓扑优化结构,如图 2 所示。从图 2( a) 可以看出,后副车架和座椅安装点等功能区材料分布较多,非功能区材料分布较少。纵梁空腔区域分布一条贯穿纵梁前后的随形加强筋,用以传递 X 向载荷,抵抗弯折变形。对比综合工况与单一工况拓扑结构发现: 传递路径主要来源于后撞工况,如图 2 ( b) 所示。图 2( c) 为弯曲+扭转+前撞+侧撞工况下的拓扑结构,空腔区域材料分布密度较低,故交叉分布加强筋以抵抗变形,提高纵梁刚度。



拓扑优化使车身结构在满足最大刚度的同时实现后纵梁结构的轻量化,为后纵梁前段结构设计中各区域料厚的确定和加强筋的布置提供参考。


2. 3 后纵梁结构设计

2. 3. 1 截面设计

一体铸造后纵梁结构,其自身强度刚度较高,但不同截面形式对车身性能影响较大。表 3 示出两种典型后纵梁截面:H 字型和几字型。在材料面积近似相同情况下,计算两种截面的抗弯和抗扭性能。其中,抵抗弯曲变形的能力用惯性矩表示,抵抗扭转变形的能力用扭转常数表示。可以看出,几字型截面的抗弯和抗扭能力更强。



截面形式确定后,考虑后纵梁前段 X 向分别连接门槛梁和后纵梁后段,底部须避让悬架包络,因而承载式车身的后纵梁常呈拱形。Y 向与后地板连接,根据后地板布置可在连接区域增加翻边搭接后地板面板,结构如图 3 所示。壁厚根据功能需求有所不同,与钣金连接区域及上下功能面壁厚定义为3mm,非功能面壁厚为2. 5mm,如纵梁侧面。为利于轻量,结合拓扑优化材料密度分布结果,局部区域可分段确定壁厚,如虚线框中壁厚为2. 5mm。


2. 3. 2 加强筋的布置

对于压铸件,随着壁厚的增加,铸件内部气孔、缩孔、缩松等缺陷会增加,设计加强筋时应尽量避免通过加厚来提升强度刚度等,因此在进行铸件结构增强时优先考虑增设加强筋。后纵梁铸件加强筋设计主要依据以下原则: 首先,根据拓扑优化结果,在纵梁空腔区域布置随形加强筋,以传递载荷,随后沿此加强筋交叉布置 Z 向或与 Z 向呈一定角度的加强筋,以提高纵梁刚度; 其次,为增加翻边强度,在翻边的根部做加强筋局部加强,以减小热处理后变形; 最后,考虑轻量化,加强筋整体做成内凹弧形,以最大限度减 少不必要的材料使用,如图4所示。


2. 3. 3 连接方式的设计

由于铝合金和钢在导热率、导电率和熔点等方面的差异,以及熔化焊时导致的零件变形和界面脆图 4 加强筋布置性相,具有较高工艺兼容性和良好经济性的传统电阻点焊技术难以实现铝合金与钢的可靠连接,因此铸铝件与其他零件连接采用冷连接,如自冲铆接( self-piercing rivet,SPR) 、流 钻 螺 钉 (flow drillscrew,FDS) 和螺栓连接。


SPR 是通过铆钉穿透铆钉端板材之后,在铆模的作用下铆钉尾部的中空结构扩张刺入铆模端板材,产生咬边效果来实现连接。后纵梁翻边与其他冲压件采用SPR连接,如表 4 中后纵梁与封板之间采用两层 SPR连接,与后地板、座椅横梁采用 3 层SPR连接。


 但当连接点的某一侧为封闭腔体时,SPR需配合凹模实现的双边连接工艺无法应用。FDS 利用流钻螺钉的高速旋转使连接材料摩擦生热而塑性变形,同时将螺钉旋入材料实现螺纹连接,如与后纵梁后段挤压型材之间采用 FDS 连接,如表 4所示。


 对于铆枪不可达的位置,采用螺栓连接,如表 4中与门槛梁之间的连接。对扭矩和疲劳性能要求高的安装点( 如副车架、座椅等) ,采取嵌入钢制螺纹套的设计,如表 4 中与后副车架之间的连接。


3、 产品工艺分析

由于铝合金压铸后纵梁较长且空腔区域布置了一条贯穿的随形加强筋,选取铸件轮廓最大面为分型面,以便于铸件脱模。最后,为减小压铸过程开始阶段的卷气,在铸件长度方向上选取较为平直一侧设置内浇口,如图 5 所示。铸件末端设置阀 A 与阀 B,负责抽取型腔内的气体,在铝液到达阀芯之前施加压力进行关闭,以保证型腔内达到高真空状态。



此外,铸件填充末端设置溢流槽,以储存混有气体和铝液的残渣,控制金属液的流动状态,防止局部产生涡流。浇注开始时,铝液初始温度为 700 ℃,以0. 25 m / s的慢压射速度进入浇道和内浇口,当铝液充满所有内浇口后,压射速度提升到 3 m/s,使铝液快速充填型腔。图 6 为铸件的温度场模拟结果。可以看出,铝液填充平稳,浇注顺序合理,型腔中的空气随着铝液的推进被顺序挤出,100%填充后,铸件整体温度均高于 Al Si10Mn Mg 材料的液相线温度,因而铸件因铝液温度下降出现冷隔的风险较小。

图 7 为铸件的速度场和气压模拟结果。由图可知,内浇口处铝液流速约40 m/s,状态良好。铸件整体气压值在 0. 3 MPa 以下,阀 A 与阀 B 的位置设置比较合理。


4、 结论

通过材料选择、结构设计、工艺分析和性能分析阐述了某电动车型真空高压铸造铝合金后纵梁的轻量化设计。相比传统钢制结构,一体铸造技术实现了后纵梁结构的模块化和轻量化,得到的后纵梁质量约 9. 3 kg,比原件减轻 31% 。浇注系统设计合理,铝液填充平稳,后撞工况后纵梁前段几乎不发生变形,电池包未发生挤压变形,后副车架、后排座椅安装点静刚度满足目标值,后副车架接附点等效动刚度大于目标值,满足设计要求。