铝合金铸造副车架开发

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·中国汽车工程学会悬架技术分会 2014 年度学术年会优秀论文选登·
品结构进行 CAD 详细设计，得到最终产品 CAD 模型
2.7 耐久性分析
如图 4 所示。
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、
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。
产品结构的拓扑优化模型。
能差，适用于生产结构简单、承载较大部件；
通 过 结 构 设 计 优 化 ，“ T ”型 、“ L ”型 、“ U ”型 、“ 工 ”
铝 镁 系 合 金 ，力 学 性 能 高 ，机 械 加 工 性Hale Waihona Puke Baidu能 好 ，但
字型、“口”字型、“十”字型等大多数常见铸件截面结
铸造性能较差；
构，都可以满足强度及刚度要求。
铝 锌 系 合 金 ，通 过 添 加 硅 、镁 元 素 可 实 现 较 好 的
弯曲正应力计算公式为：
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）。
σ=
Mz·y Iz
（1）
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
Key words:Sub-frame, Aluminum alloy, Extrusion casting, Development
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。
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
汽车技术
·中国汽车工程学会悬架技术分会 2014 年度学术年会优秀论文选登·
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
高 压 铸 造 工 艺 液 态 金 属 在 压 力 下 凝 固 结 晶 ，晶
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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。
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
参考文献[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。
2 左轮 侧向载荷
-1
-330
-20
3 轮心 垂直载荷
1
4
制动载荷 1
-330
5
向后载荷 1
6 右轮 侧向载荷
1
330
20
7 轮心 垂直载荷
1
8
制动载荷 1
-330
疲 劳 损 伤 计 算 采 用 Palmgren-Miner 线 性 累 积 损
伤计算方法：
∑ ∑ D =
ni Ni
<1
（2）
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
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。
副车架优化结果如图 3 所示。
图 2 布置空间包络
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
2015 年 第 2 期
（a）俯视图
（b）仰视图
图 3 副车架拓扑优化结果
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
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
图 4 最终产品 CAD 模型
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、
主题词:副车架 铝合金 挤压铸造 开发 中图分类号:U463.32 文献标识码:A 文章编号:1000-3703（2015）02-0058-05
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） 【Abstract】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.
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。
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。
空间 布置包络
拓扑优化
初版产品 CAD
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
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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）
【摘要】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。
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。
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
通道
载荷 位置
载荷名称
Fx /kN
Fy /kN
Fz /kN
Mx /N·m
1
向后载荷 1
My /N·m
Mz /N·m
元素可提高力学性能；
框 架 式 副 车 架 上 每 根 梁 的 截 面 形 状 ，因 为 后 续 的 拓
铝 铜 系 合 金 ，力 学 性 能 高 、可 焊 性 好 及 机 械 加 工
扑 优 化 需 要 对 截 面 形 状 进 行 控 制 ，以 便 得 到 更 符 合
性 能 好 ，但 抗 腐 蚀 性 差 ，容 易 产 生 热 裂 纹 ，且 铸 造 性
静强度分析 耐久性分析 铸造工艺分析
最终产品 CAD
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
图 1 副车架结构设计流程
2.1 布置空间 乘 用 车 副 车 架 周 边 有 车 身 、悬 架 、转 向 、动 力 总