铝合金铸造副车架开发

陈磊程稳正孙珏王仕伟陈志刚侯杰

（1.中国第一汽车股份有限公司技术中心；2.苏州三基铸造装备股份有限公司）

铝合金铸造副车架开发

陈磊1程稳正1孙珏2王仕伟1陈志刚1侯杰1

（1.中国第一汽车股份有限公司技术中心；2.苏州三基铸造装备股份有限公司）

以铝合金材料代替传统钢材是乘用车底盘结构件轻量化设计的有效方式之一，尤其在高端乘用车上应用更为广泛。介绍了铝合金副车架的设计开发过程。开发实践表明，采用铝合金材料及挤压铸造工艺，通过合理的结构设计及系统的工艺开发，可达到底盘系统对于结构件强度及耐久性的严格要求，提高整车的轻量化水平。

对于副车架、控制臂、转向节等底盘重要结构件的轻量化设计来说，铝合金材料的选用是大势所趋。介绍了铸铝工艺副车架的设计开发过程，对工艺及材料选择、结构设计、工艺开发、试验验证等方面进行了阐述，最终开发出了满足副车架基础功能及轻量化要求的产品。

1 铸造工艺及材料确定

1.1 铸造工艺

对标国内、外现有车型铸铝工艺副车架铸造工艺，主要有重力铸造（含倾转型重力铸造）、高压铸造（含高真空压力铸造）及挤压铸造等。

重力铸造工艺晶体组织不够致密，且容易产生热节缺陷，但可通过后期热处理提升力学性能指标。

高压铸造工艺液态金属在压力下凝固结晶，晶体组织致密，铸造毛坯力学性能好。但目前国内高真空压铸工艺发展尚未成熟，基本均为普通压铸，而对于副车架等较复杂结构件来说，容易产生卷气现象，导致延伸率较低，且无法进行热处理，力学性能得不到进一步提升。

挤压铸造工艺液态金属在压力下凝固结晶，晶体组织致密，铸造毛坯力学性能好，且可以进行后期热处理，进一步提升力学性能指标。

综合考虑以上铸造工艺的优缺点，确认采用挤压铸造工艺方式实现副车架的开发。

1.2 材料分析

按合金元素分类，铸造铝合金材料主要分为以下4类：

铝硅系合金，流动性好、铸造性能好及气密性好，适用于生产复杂结构件，通过添加镁、铜等合金元素可提高力学性能；

铝铜系合金，力学性能高、可焊性好及机械加工性能好，但抗腐蚀性差，容易产生热裂纹，且铸造性能差，适用于生产结构简单、承载较大部件；

铝镁系合金，力学性能高，机械加工性能好，但铸造性能较差；

铝锌系合金，通过添加硅、镁元素可实现较好的铸造性能和力学性能，但抗腐蚀性较差，且脆性高。

综合考虑各种铸造铝合金材料的特点，选择铝硅系合金材料。通过对标国内、外现有车型铸造铝合金工艺副车架材料，最终选择AlSi7Mg系合金（A356.0-T6）。

2 副车架结构设计

图1为副车架的结构设计流程。要达到副车架结构最大轻量化的目标，需要进行多轮拓扑优化、CAD设计、CAE分析。但对国内自主汽车产业来讲，产品和工艺开发均尚属首次，为保持更高的强度和耐久性安全系数，并未进行后期的轻量化开发。

2.1 布置空间

乘用车副车架周边有车身、悬架、转向、动力总成及其附件等系统，因此必须要在其它系统空间布置确定后，才能确定副车架的布置空间，这是副车架结构设计的前提条件。另外，由于悬架、转向、悬置等系统需要装配到副车架上，确定空间的同时还需要确定副车架安装点。布置空间及安装点确认后，得到副车架的布置空间包络，本产品为框架式结构，布置空间包络如图2所示。

2.2 截面形状

确定副车架的布置空间包络后，需要确定组成框架式副车架上每根梁的截面形状，因为后续的拓扑优化需要对截面形状进行控制，以便得到更符合产品结构的拓扑优化模型。

通过结构设计优化，“T”型、“L”型、“U”型、“工”字型、“口”字型、“十”字型等大多数常见铸件截面结构，都可以满足强度及刚度要求。

弯曲正应力计算公式为：

根据弯曲正应力计算公式（1）[1]，在使用材料相等的情况下，截面惯性矩越大，同样弯矩下的应力越小。而副车架对弯曲方向的高刚度要求决定了必须选择截面惯性距较大的截面形状，“U”型、“工”字型、“口”字型为首选，截面惯性矩的大小关系为“口”字型＞“U”型＞“工”字型。

“口”字型为空腔结构，需要通过增加砂芯实现，铸造工艺难度大，且成本高，而“U”型和“工”字型截面铸造工艺实现容易。

综上所述，最终决定选择“U”型截面作为优化设计方向。

2.3 主要铸造工艺参数要求

影响产品结构的主要铸造工艺参数包括：主壁厚度10 mm，局部安装点最大壁厚50 mm；侧壁厚度平均10 mm；加强筋壁厚5～10 mm；拔模斜度0.5°～2°；铸造圆角R2～R3。

2.4 拓扑优化

[2]，采用的优化方法如下。

加载条件：整车极限行驶工况（与后期静强度分析工况相同）；

优化目标：工况加权应变能最小；

约束条件：模型质量（体积比）；

优化控制：截面形状、主要铸造工艺参数要求、左右对称等。

副车架优化结果如图3所示。

2.5 产品结构

基于拓扑优化结果和主要工艺参数要求，对产品结构进行CAD详细设计，得到最终产品CAD模型如图4所示。

2.6 静强度分析

副车架主要施力零件装配在副车架的控制臂、稳定杆、转向机及动力总成悬置上。通过ADAMS软件将各工况的轮心受力分解到副车架各安装点，得到各安装点的载荷，在此基础上进行强度分析。

整车极限行驶工况：

a.垂直冲击工况，考核实车承受垂向载荷的能力；

b.紧急转弯工况，考核实车同时承受垂向和侧向载荷的能力；

c.最大加速工况，考核实车同时承受纵向和侧向载荷的能力；

d.最大制动工况，考核实车同时承受纵向和侧向载荷的能力；

e.路缘冲击工况，误用工况，考核实车同时承受垂向和侧向载荷的能力。

通过多次CAD修改与强度校核，副车架顺利通过静强度分析，各工况结构应力小于所选材料力学性能指标，图5为静强度分析的应力分布图。

2.7 耐久性分析

在项目开发初期，通过搭建mule-car形式采集用户使用工况的路谱。测试路况涵盖中国各地典型路况特征，包含高速、城郊结合、一般公路、山区、城市、不平整路等。结合整车试验场强化坏路测试载荷谱，通过载荷谱关联，获得了与用户使用环境相当的CAE耐久分析及台架耐久试验载荷谱。由于副车架受力点较多，本文采用系统模型直接在轮心施加台架试验各通道单位载荷的方法[3]，各通道单位载荷见表1，在此基础上进行多轴疲劳分析预测结构寿命，目标为500个循环。

表1 载荷谱通道单位载荷

疲劳损伤计算采用Palmgren-Miner线性累积损伤计算方法：

式中，∑D表示累积损伤和；ni表示应力为σi时的循环次数；Ni表示应力为σi时的疲劳寿命。

对于随机载荷，试验件破坏的临界损伤值在1附近[4]。本文介绍的副车架经过500个循环载荷谱CAE仿真后得到的损伤值分布如图6所示，最大损伤值为0.052，远低于临界损伤值。

2.8 模态分析

整车开发前期，必须定义各系统模态频率段。本产品的各阶模态频率值见表2，振型见图7、图8，可知模态频率及振型基本满足设计要求，为了预防后期出现NVH问题，采取了预留安装点、增加刚度、加强支架的规避措施。

表2 各阶模态频率数值 Hz

2.9 铸造工艺分析

经过多轮优化，本产品的充型和凝固过程CAE仿真如图9～图12所示，结果显示，充型、凝固顺序以及充型、凝固温度场分布符合铸造工艺原理，满足铸造工艺要求，可以有效控制铸造缺陷的发生。对于CAE仿真难以避免的热节，可以通过后期的补压、强冷等工艺方式解决。

3 副车架铸造工艺开发

3.1 专用合金开发和熔炼工艺

副车架材质为A356.0，属于亚共晶铝硅镁系合金，具有较好的铸造性能，主要化学成分如表3所列。

表3 A356.0主要化学成分

各成分的主要作用及影响如下：

a.Si元素有助于铸件力学性能和流动性的提高；

b.Fe元素是Al-Si合金中的有害元素，会使合金抗拉强度、屈服强度及延伸率都降低，延伸率降低尤其明显，Al-Si合金的Fe以AlgFe2Si的形式出现，因此Fe含量必须严格控制在极低水平；

c.Cu会使A356.0合金延伸率和耐腐蚀性降低；

d.Mg元素能形成Mg2Si相是热处理强化相的组元，但过高的Mg含量也会导致铝液氧化产生氧化夹杂物；

e.Zn也会降低耐蚀性。

综上，为满足较高的强度和塑性指标，需要针对化学元素对亚共晶合金的影响，确定更优范围，严格限制有害杂质元素Fe、Cu、Zn的含量。经优化后的副车架挤压铸造专用合金成分如表4所列。

表4 优化后化学成分

由于副车架需进行T6热处理，且有较高的铸件本体机械性能要求，因此在熔化的铝液处理上进行如下铝水细化和变质处理十分必要：

a.所有与铝水接触的工具，如汤勺、捞渣等工具，都在烘干后刷涂保护涂料，然后在200～250℃烤干备用；

b.铝锭在充分预热后加入炉中，熔化温度740～750℃，溶化后先光谱检测式样成分；

c.在730～750℃，用高纯氮气精炼15 min；

d.加入0.15%的AlTiB细化剂作晶粒细化处理，加入AlSr中间合金作变质处理，变质和细化温度在720～730℃；

e.加入0.2%的除渣剂，除净、捞净液面渣屑后完成铝液处理。

3.2 挤压铸造工艺开发

考虑到该铸件热节点多而分散的特点，设计了3路分歧浇道的浇注系统，在每路横浇道上针对壁交叉产生的热节点开设了内浇口进行补缩，并使内浇口与铸件远端距离尽量小；对前期CAE仿真出现的较大热节区采用了局部二次加压机构，在充型结束延迟数秒时间后对这些区域补缩压实。

按照顺序凝固原则，设计了封闭式的浇注系统：

式中，Ag为内浇口面积总和，Ag=66 cm2；At为直浇道面积，At=266 cm2；内浇口比例Rg=4.010，符合间接挤压铸造工艺设计要求。

副车架铸件投影面积为1 910 cm2，浇注系统及排溢系统投影面积之和为573 cm2，总投影面积为2 483 cm2。选择锁模力为2 500 t的立式挤压铸造机，冲头直径为170 mm，料缸最大容铝量为29.5 kg，工艺浇入铝合金总量为24.8 kg，容量符合要求。

设备所提供压射力为2 200 kN，在直径170 mm压室条件下所产生的压射比压为97 MPa，压射比压符合要求。

副车架的挤压铸造工艺参数如速度、温度、料柄厚度、二次加压延迟时间等，对铸件表面缺陷（如冷隔、留痕）、内在缺陷（如气孔、缩孔、氧化夹杂）以及后续的热处理强化过程（如鼓泡）等都有重大影响。这些工艺参数需通过试模、试验来进行调整和优化。经调整优化后的副车架挤压铸造成型工艺参数如表5所列。

表5 挤压铸造工艺参数

4 试验验证

经过多轮试模及工艺参数调整，本产品基本通过化学成分、机械性能、荧光渗透探伤、X射线探伤、针孔度等副车架单件基本性能试验。图13、图14为副车架关键位置X射线探伤图。

利用MTS329整车道路模拟系统进行悬架系统8通道随机载荷谱激励疲劳试验，单位通道载荷、载荷谱、目标循环均与前期CAE仿真条件一致；经历载荷谱500个循环试验后，本产品无任何表面裂纹等缺陷，顺利通过耐久性台架试验。

5 结束语

在开发铸铝工艺副车架的同时，还以相同方式进行了传统钢板冲焊工艺副车架的设计开发，满足设计目标的副车架测试质量在25 kg左右。而通过台架试验测试的本产品质量为17.5 kg。因此可知，对于副车架而言，由钢板冲焊工艺更改铸铝工艺后，轻量化可提升30%左右。

参考文献

1 聂毓琴，孟广伟.材料力学.北京：机械工业出版社，2004.

2 张胜兰，郑冬黎，郝琪，李楚琳.基于HyperWorks的结构优化设计技术.北京：机械工业出版社，2007.

3 程稳正，曹征栋，于长清，霍福祥.轿车后副车架多轴疲劳分析.汽车技术，2013，（6）.

4 姚卫星.结构疲劳寿命分析.北京：国防工业出版社，2003.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2014年12月1日。

Development of Aluminum Alloy Casting Sub-frame

Chen Lei1,Cheng Wenzheng1,Sun Jue2,Wang Shiwei1,Chen Zhigang1,Hou Jie1
（1.China FAW Co.,Ltd R&D Center;2.Suzhou Sanji Foundry Equipment Co.,Ltd）

The substitution of traditional steel with aluminum alloy is an effective approach of lightweight design of passenger car chassis structural parts,especially in high-end passenger car.This article introduces the development process of aluminum alloy sub-frame.The development practice shows that,with the application of aluminum alloy and extrusion casting technology,with the aid of rational design of structure and systemic development of technology,the strict requirements on strength and durability of chassis structural component can be satisfied,and the lightweight level of vehicle is improved.

Sub-frame,Aluminum alloy,Extrusion casting,Development

副车架 铝合金 挤压铸造 开发

U463.32

A

1000-3703（2015）02-0058-05