汽车底盘常用金属材料机械性能研究

姜海波

摘要：本文主要针对汽车底盘常用金属材料机械性能展开研究，先阐述汽车底盘的构成和功能、金属材料结构和基本组织，然后在汽车底盘常用金属材料机械性能，重点分析等温淬火球铁材料、汽车底盘铝合金材料内容，最后根据切削性能与热处理预热、断裂韧性与热处理温度等，以此来对汽车底盘制造中金属材料与热处理工艺的关系进行阐述，旨在进一步完善生产工艺和生产方案，充分彰显出汽车底盘的性能优势。

关键词：汽车底盘;金属材料;机械性能

现阶段，在汽车制造领域中，金属材料属于汽车底盘的材料构成，其中，各种性能较高的新型合金材料得到了充分体现。分析汽车的结构，一般来说，传动部件、转向部件以及行驶部件等，是常规汽车底盘的重要构成内容，针对上述部件，所使用的制作材料并不相同，所以其机械性能的差异性显著。一般来说，在传动部件中，离合器片占据着重要的地位，其构成主要包括玻璃纤维和石墨混合金属粉末。而对于转向部件来说，其构成主要包括优质碳素钢和铸铁制造。在行驶部件中，其碳素钢为车架的重要构成要素。而制动部件中的轮缸进行分析，其制成主要得益于铸铁，同时铸铁也使制动管路得到制造而成。

一、汽车底盘的构成和功能分析

一般来说，行驶系统、传动系统等是汽车底盘的重要构成内容，在行驶系统中，车架和车桥等尤其常见。在汽车接收到启动指令后，发动机传递的力，借助传动装置，会在轮胎处实现顺利传递，然后借助车身整体载荷和地面摩擦力，通过共同作用，发挥出对汽车前进的促进作用【1】。汽车行驶的路况具有明显的差异性，所以无法做到量化合理分析，路面状况，是汽车行驶过程中受到冲击力的重要影响因素，所以要采取合理措施，加大平衡处理力度，最大程度地对汽车行驶的稳定性加以维护。现详细分析汽车底盘的构成和功能：

一般来说，传动系、行驶系以及转向系等是汽车底盘总体的构成内容。支撑作用，是汽车底盘的关键功能，汽车整体结构的构成，主要包括安全汽车发动机、其他各个主要部件，并借助发动机发动动力，为汽车轮胎前进运动作用的形成创造条件，从而使汽车正常运行得以保证。

首先，传动系。其构成主要体现在变速器、离合器以及差速器等方面。在其功能方面，可以借助传递动力的方式，推动汽车车轮驱动作用的产生。在汽车运行过程中，应密切配合发动机和传动系，从而给予汽车正常运行一定的支持。其次，行驶系。其构成主要体现在车架、车轮等方面。在汽车启动后，整个车体会对传动轴的动力进行接收，由于汽车承载力作用显著，再加上借助车轮产生的牵引力，可以为汽车向前运动提供便捷。同时行驶系，还可以对所受不同地面给车辆带来的冲击力予以承载，其稳定性优势突出，确保车身处于高度平衡的状态，通过密切配合行驶系和转向系，可以不断提高汽车运行的安全性、稳定性【2】，从而满足顺利驶向目的地这一需求。再次，制动系。行车制动系和制动系是汽车制动系统的构成要素，作为制动系统，其独立性显著。制动器，在行车制动系中扮演着重要角色，而制动传动系统，在驻车制动系中发挥着重要作用，对汽车制动系的功能进行分析，可以对汽车速度进行控制，并将迫使汽车停止运动这一功能发挥出来。最后，转向系。一般来说，操纵机构和转向传动机构，是汽车转向系的重要构成内容，借助汽车转向系，对于汽车车轮发生转动具有一定的推动作用，根据驾驶员的操作方向，实现汽车安全行驶目标。

二、金属材料结构和基本组织

在工业生产领域中，铁、铝以及铜等金属具有较高的应用价值，其中，合金的应用极其常见。在金属和合金的内部结构中【3】，主要包括金属原子之间的结合方式、原子在空间的排列方式。在空间的排列配置情况中，金属的性能和原子的关系是紧密联系、密不可分的，原子排列方式如果不相同，也会影响到金属的性能，从而出现明显的差距。金属材料热处理过程，主要是指将金属工件通过一定介质，从而进行加热，然后持续一段时间后，凭借不同速度在不同介质中实现冷却，对金属材料表面进行改变，可以使其性能出现适度变化。

因此，针对某些金属或合金，要想对其原子排列进行改变，应加强热处理工艺方式的应用，使其组织结构出现变化，不断提高机械性能控制效果，从而与工程技术需求相符【4】。众所周知，不同热处理条件，所产生的材料性能改变效果也是不相同的。所以应通过金属的材料的某些性能，以此来对其与热处理工艺的关系进行分析，从而确保材料机械性能的充分发挥。

三、汽车底盘常用金属材料机械性能分析

（一）等温淬火球铁材料

在西方发达国家中，等温淬火球铁材料得到了广泛应用，而且该材料的应用，对传动齿轮和汽车底盘零部件生产、制造过程也产生了很大的影响。等温淬火球墨铸铁，通过对合金元素的添加，为铁素体和珠光体向相应结构的转化创造了有力条件【5】，从而确保整体性能的稳步提升。在这种转化的影响下，该材料在力学性能上具有明显的优势，其韧性较高，可以有效控制能耗程度和噪音情况，而且也可以将普通铸铁的力学特性充分发挥出来。表1为等温淬火球墨铸铁在欧洲市场中的具体应用情况：

在金属材料断裂过程中，基于断口的形貌，韧性断裂和脆性断裂为具体的分类，针对于汽车底盘零部件，韧性断裂，必须为该类型金属材料的断裂方式，所以韧性断裂，在等温淬火球墨铸铁断裂方式中得到了充分体现，不仅可以将其强度提升上来，而且还可以使塑韧性得到发挥。针对汽车底盘材料，对强度、塑性以及韧性的要求均比较高。汽车底盘常用金属材料性能如表2所示：

（二）汽车底盘铝合金材料

目前，在汽车底盘制造领域中，铸造铝合金的应用价值也比较显著，而另一种热处理强化变形铝合金，铸造铝合金材料在冶炼工艺方面，具有高度的便利性，而且具有明显的铸造工艺性能，所以得到了社会大众的高度重视。再加上其锻造余量较小这一优势，所以对于制作的铝合金构件进行分析，其耐腐蝕性显著，6000系列的合金，在汽车摇臂等核心零件制造中具有明显的应用价值【6】。6000系列的铝合金，具有着明显的锻造性能，在热力锻造方面，铝合金型材表面尚未出现氧化皮，锻造余量并不多，进一步凸显出铝合金的耐腐蚀性能，应力腐蚀开裂现象尚未出现。在制造汽车底盘材料的铝合金中，6061铝合金牌号具有高度的典型化特点。某一科研小组积极研究该类材料的性能，在该合金中，如果将相关晶粒细化的元素添加进去，在固溶时效后，其力学性能详见表3：

以福特汽车公司为例，积极研究SG112-T4AL合金，投入了较多的时间和精力，该对类型的合金进行分析，主要是指在铝中将1%Si、5%Mg元素添加进去，以此来完成制造。其中，在冷却加工之前，其强度明显低于生活中的铝合金强度，其强度为110MPa，而一般铝合金比其强度还要高30Mpa，但是通过1个小时的喷漆处理，其强度明显提升，具体为210MPa，强度上升迅猛，远远高出铁的强度。该合金的烤漆温度为180℃，而钢板温度同样为180℃，明显低于传统铝合金烤漆温度（200℃）【7】。基于成本视角，6000系列的铝合金价格明显高于钢材，但是通过对该类型材料的使用，每辆车的外壳降重可高达50%，而且强度尚未出现变化，所以在相关技术不断完善过程中，其应用范围会进一步扩大。目前，对于汽车制造企业来讲，积极优化和改造6000系列合金，在未来，所研制出的底盘会更具性能优势。目前，汽车制造企业对超塑性铝合金的关注度较高，通过对热处理工艺的改变，可以将其使用性能提升上来。对于欧美发达国家而言，材料工作人员积极投入其研究，所以阶段性进展取得了突出成果，增加AI-Mg-Si合金中的Cu含量，对于合金的抗腐蚀性能产生的影响程度较深，同时合金的峰值硬度和抗拉强度的升高幅度并不一致。德国汽车制造商出于对钢板的抗腐蚀性能的控制视角，要求Cu元素的含量应在0.1%以下【8】，但是北美汽车制造商出于将铝合金板材强度提升视角，添加的铜元素的含量高达0.7%，实现了AA6111合金的顺利研制。各国汽车制造商基于不同需求视角进行研究，相信在未来，汽车底盘制造工艺的多样性趋势会更加显著。

四、汽车底盘制造中金属材料与热处理工艺的关系

（一）切削性能与热处理预热

在汽车底盘金属材料加工方面，集中整合切削工艺和热处理工艺，对于产品质量的提升具有很大的帮助。在金属切削方面，被加工材料和切削刀具之间的差异性显著，从而对金属的实际变形程度造成影响【9】，从而使产生的光泽出现差异。在预先热处理的带动下，可以对各类铸锻在冶金环节中出现的缺陷进行应用，借助预先热处理，可以有效治理和应对热加工过程中产生的缺陷，从而给予切削加工和设备热处理一定的保障。

（二）断裂韧性与热处理温度

众所周知，任何材料所含有的数量、尺寸的裂纹都是不相同的，这是“断裂力学”研究的重要基础和前提。因此，对金属材料的断裂韧性进行分析，属于材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能，如果断裂韧性较高，代表金属材料具有更高的稳定性。在改善其断裂韧性方面，可以加强金属材料中位错密度下降方法的应用。

（三）切边模量和热处理温度

切变模量，属于切应力和切应变之比，在材料的力学性能指标中占据着重要的地位。其是材料抵抗切应变能力的重要象征，在模量较大的情况下，代表材料具有较强的刚性。在热处理的带动下【10】，可以使材料的性能和自身物理性质出现翻天覆地的变化，进而也会影响到切边模量，从而弹簧的实际伸长量与设计计算的伸长量并不一致，误差现象经常出现。在传统设计资料中，如果根据切边模量进行取值，通常来说，计算的弹簧变形量并不符合实际测出的弹簧变形量，其误差问题突出。

五、铝合金底盘轻量化产品

汽车底盘铝合金轻量化产品中，转向节、控制臂等具有较强的代表性，作为底盘安全件，明确提出对产品性能的要求，轻量化的衡量，无法借助简单的减重多少来进行，必须要与产品功能形成密切的联系，树立高度的汽车主动安全性理念，以此来将汽车安全设予以完善化。但是由于当前工艺的限制性明显，所以对于铝合金在底盘上的使用造成了一些影响。

（一）铝合金底盘产品成型工艺现状

低压铸造、重力铸造等是常规成型工艺的重要构成内容，底盘件安全性能要求极其显著，在产品性能方面，常规的成型工艺很难与其生产要求相符，轻量化产品的性能化工艺设计水平有待提升。如果想要拉近与“以铝代钢”实现汽车底盘轻量化之间的距离，并践行批量化和规模化原则，应与铝合金固有的性能结合在一起，从而确保轻量化产品的生产具有优越的性能优势、效率优势。

（二）挤压铸造工艺技术

在新型的铸造工艺中，挤压铸造发挥着重要的作用，对其原理进行分析，主要是对进入型腔内的液态金属施加较大的机械压力，其机械压力最高为140Mpa【11】，在成型凝固后实现铸件。具体如图4所示。由于高压凝固存在一些缺陷，如无气孔等，所以与其他铝合金铸造方式进行对比，挤压铸造产品的力学性能明显要比普通铸件要高，与同种合金的锻件水平相当。

挤压铸造工艺，实现了铸、造的整合，具有良好的产品性能和生产效率，可以与底盘关键零部件轻量化设计要求相一致，从而与成型工艺发展趋势相互顺应。

六、结束语

综上所述，在相关技术不断进步和发展过程中，有助于不断优化汽车底盘的制造工艺，而加强对相关金属材料的机械性能的研究与分析，可以为完善相关生产方案和生产工艺提供一定的依据。这作为重要的工作，具有任重而道远的性质，其系统性和复杂性特点显著。其中，必须要对底盘性能和结构等进行明确化，同时也要对诸多问题的存在予以高度重视，做到及时解决和应对。

参考文献：

[1]董国疆，韩杰，颜峰，张猛.汽车底盘耐久性载荷加速编辑策略[J/OL].机械工程学报：1-10[2020-07-31].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20200723.1122.012.html.

[2]康孝峰，田志强，赵洋康.三轴双前轴牵引汽车轴荷计算与优化[J].汽车实用技术，2020（13）：129-131.

[3]李亮，王翔宇，程硕，陈翔，黄超，平先尧，魏凌涛.汽车底盘线控与动力学域控制技术[J].汽车安全与节能学报，2020，11（02）：143-160.

[4]张昱亮，毛健，牛国栋，兰磊，郝锌.ZL101A汽车底盘零部件前、后支座轻量化研究[J/OL].热加工工艺，2020（14）：35-37+42[2020-07-31].https：//doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20183175.

[5]徐玉娟，王晓钰，谢凯.“新工科”背景下《汽车底盘构造与维修》课程教学改革探索[J].广西农业机械化，2020（02）：58-59.

[6]覃雄臻，仝家鹏，覃佳亮，郭胜会.基于CAE的汽车底盘关键紧固点失效研究[J].中國新技术新产品，2020（08）：6-7.

[7]申晓泽，王硕，张惠嘉，高淑青.新能源汽车维修中电子诊断技术的应用策略[J].时代汽车，2019（20）：113-114.

[8]王奕睿，郭虎，吴慧敏，周新伟，刘柳.商用车整车环境模拟试验室能力匹配设计方法[J].汽车科技，2019（06）：52-57.

[9]叶青艳.基于单片机技术的汽车底盘测功机试验台检测系统设计与应用[J].微型电脑应用，2019，35（08）：109-111.