摘 要：随着人们对环境污染问题的日益重视，汽车轻量化已成为发展的重要方向。研究表明，汽车能耗有６０％来自汽车的自重，汽车质量每减少１０％，相应的油耗可降低６％～８％。同时，轻量化还可以一定程度上提高汽车的制动性能。铝合金材料由于具有质量轻、比强度高、易加工、耐腐蚀性能好等特点，成为目前汽车轻量化的首选材料。文章对铝合金副车架在电动汽车中应用进行了研究分析，以供参考。
关键词：铝合金；副车架；电动汽车；应用
前 言：面对环境和资源的双重压力，具有清洁、能量转换高效等优点的电动汽车，已成为汽车发展和生产的重要组成部分。研究发现，降低电动汽车质量对增加续驶里程和降低耗能有明显的作用，质量减少100kg，行驶里程将增加1.2%，百公里耗能减少1.6%。车架是汽车的受力基体，因此，电动汽车车架轻量化十分重要。目前电动汽车车架多由经验设计所得，然后根据使用情况和软件分析结果等进行优化，从而得到较完善的车架。设计与优化过程耗时长、成本高、效率较低，车架分析内容往往局限于强度、刚度和模态三个方面，优化研究引入现代优化算法比较缺乏。车架优化方法通常有尺寸优化、拓扑优化和结构优化等。现代优化算法主要有模拟退火算法、神经网络优化算法、遗传算法和蚁群算法等，适用于不同的应用场合。其中，遗传算法具有并行、通用、简单、稳健和全局优化能力较强等优点，尤其在解决非线性、多峰值的优化问题时具有独到的优势。
1 电动汽车副车架简介
副车架是汽车底盘上的一个结构件，用于连接悬架装置和车身。副车架并非真正的车架，而是辅助车架，用来支撑车桥和悬挂的总成支架，它是汽车上承载发动机和车轴的特殊功能结构件。副车架的主要作用是减弱路面和车轮传给车身的冲击，衰减由车轮和车身传递的力和力矩所引起的系统振动，阻隔震动和噪声进入驾驶室，提高汽车的操纵稳定性及悬挂系统的连接刚度。在汽车上安装副车架，可以明显降低来自地面和发动机的震动，提高汽车的安全性和舒适性[3]。传统的副车架一般是通过钢板冲压变形后焊接而成，该工艺由于生产简单方便，被各大主机厂使用。随着对汽车轻量化要求的提高，以及追求车重减轻后所带来的能耗效益的最大化，各大主机厂逐渐开发了铝合金副车架。
2 铝合金副车架成形工艺简介
2.1 铸造成形工艺
铸造成形是铝合金副车架生产的主流工艺，相对于挤压成形、冲压成形等工艺，铸造方法可以生产形状更加复杂的薄壁零件，且一次成形，生产效率高，后续机加工和装配工序少，成本低廉，因此，在铝合金副车架生产上被广泛使用。根据副车架铸件生产铸造方式的不同，铸造成形工艺可分为：金属型重力铸造、低压铸造和高真空压铸等。在汽车零部件铸造结构件中，低压铸件大约占比61%。低压铸造工艺在铝合金副车架的生产中被广泛应用，它是反重力铸造的一种形式，其原理为：对密闭保温炉内金属液表面施加0.1~0.5MPa的空气压力或惰性气体压力，金属液通过浸放在液面以下的升液管，被压进保温炉上方的模具内，金属液从型腔的下部慢慢开始充填，保持一段时间的压力后凝固。通过该工艺可获得形状复杂的副车架支架结构和整体式副车架。由于金属液在压力作用下凝固，组织相对于普通的金属型铸件和砂型铸件更加致密，力学性能更高，且成本低廉，被国内外各汽车企业所认可。低压铸造常用的铝合金为AlSi7Mg合金，该合金具有流动性好、无热裂倾向、线收缩小、气密性好等优点，其低压铸件抗拉强度可达到290MPa以上，伸长率可达到8%以上。与低压铸造相对应的是高压铸造，通常简称为压铸，其原理是将金属液倒入压室，然后压射杆将压室中的金属液高速推入浇道和型腔，并使其在高压下凝固，形成铸件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆高压、高速是高压铸造的主要特点，填充时金属液的流动速度通常在10~50m/s，有的可以达到80m/s;金属液凝固时承受的压力高达40~120MPa，金属液填充型腔的时间极短，直接成形的薄壁结构件具有表面光洁度好、尺寸稳定等优点。
2.2 液压成形工艺
液压成形与传统成形工艺不同，它采用水或者油取代凸模或凹模作为传力介质，通过对传力介质施加压力使得待加工工件发生适当的塑性变形，从而达到设计要求。液压成形技术最早广泛应用于航空航天领域，可以生产形状复杂的薄壁件，重量轻、刚度高、精度高，在生产过程中可减少零部件种类、焊缝长度、机械加工工序、产品组装工序等，有降低生产成本、缩短加工周期等优点，自20世纪90年代起，受到汽车界的极大瞩目而蓬勃发展。
2.3 冲压成形+挤压成形+焊接工艺
板材冲压成形工艺一般采用非热处理强化的中高强度Al-Mg-Mn系合金，最常用的合金为AlMg3Mn和AlMg3.5Mn。这类合金具有较高的强度、良好的成形性、焊接性，不需要固溶时效硬化，具有良好的热轧和冷轧性能。板材冲压成形可以制备主梁、安装支架以及加强筋等，最后通过焊接的方法工艺将这些部件焊接成为整体副车架。板材冲压成形可以生产不同形状的结构件，制备相对复杂的、外形轮廓大的副车架。但由于铝合金板材深冲性能差，冲压回弹量大，冲压回弹精准控制难度较大，同时焊接变形也会对各冲压部件尺寸产生一定的影响，因此，该工序对工艺设计人员提出了较高要求。挤压成形可生产截面复杂、壁薄等特点的零件，零件尺寸精度高、表面质量好、强度高。副车架上的挤压成形件一般用作主梁，通过焊接成形技术实现与其他部件如冲压件之间的连接。
2.4 铸造成形+挤压成形/冲压成形+焊接工艺
挤压成形的型材和板材冲压成形的板材一般具有强度高、尺寸精度高、表面质量好等优点，用来生产副车架的支架或主梁，可以满足副车架的强度和刚度要求。在车身连接处，副车架结构变化复杂，采用挤压或者冲压工艺不易成形，部分主机厂往往会采用铸造成形方法生产车身连接用结构件，由于可以一次成形，能够减少后续的装配安装工序，提高了生产效率，挤压成形件和铸件通过焊接工艺连接在一起，组成汽车副车架。
2.5 钢铝连接
由于铝合金成本相对钢制产品加工成本较高，有许多主机厂并未完全将汽车副车架进行铝合金化，而是采用钢铝连接的方法实现副车架部分部件的铝制化，在一定程度上节约了加工成本，同时实现了副车架的轻量化。钢铝连接一般通过IW（钢钉冲铆铝板和钢钉与钢板点焊）、SPR（自冲铆连接）和FDS（自攻螺纹连接）技术实现钢制结构件和铝制结构件的连接。
结束语：
随着国家对节能减排提出越来越严苛的要求，以及新能源汽车的不断发展，乘用车轻量化进程已越来越紧迫。副车架作为一款重要的安保部件，其零件重量大，铝制化后可很大程度地降低重量，提高乘用车的操控性和舒适性。目前，国外在铝合金副车架的应用方面处于领先地位，国内由于技术储备、设备条件、生产加工能力及最终的采购成本等因素的限制，在自主研发品牌车型上应用的铝合金副车架较少，国内相关企业应加大铝合金副车架技术研发投入，特别是要加强管型材液压成形技术、等温挤压技术、高精度型材三维弯曲控制技术以及基于定向凝固理论的结构设计等领域的研发，逐步提升铝合金副车架研发设计能力和生产工艺水平，增强市场竞争力。
参考文献：
[1]徐建全. 杨沿平. 唐 杰. 陈轶嵩. 殷仁述. 纯电动汽车与燃油汽车轻量化效果的对比分析[J].汽车工程,2012,34(06):540-543.
[2]陆秋懿. 郑再象. 许 鹏. 王凯强. 张振越.YD6120型纯电动城市客车车架有限元分析[J].机械设计与制造工程,2018,47(01):58-60.
论文作者:黄河淮
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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