摘要：铝合金的应用在汽车轻量化发展进程中发挥了重要作用。基于某款新能源车型，应用铝合金高真空压铸减震器塔替换原钢制结构，在不降低原钢制结构性能前提下，实现铝合金高真空压铸件的设计及装车应用。本文对尺寸精度的铝合金减震器塔结构设计及优化进行分析，以供参考。

关键词：轻量化车身;压铸铝合金减震器塔;优化设计

引言

铝合金具有低密度、高比强度、良好的导热性能、良好的耐蚀性、良好的小型化和优良的复杂特性等特点，广泛用于轻型汽车重量。汽车使用的铝合金中，铝注射成型合金占50 %以上。注塑工艺具有成型精度高、生产效率高的优点。目前，汽车用铝合金注塑已应用于汽车发动机缸体、车轮、底盘悬挂系统等零部件。传统减震塔采用冲压后焊接或与紧固件结合的结构钢板。该设计具有重量高、连接点多和工作程序多的优点。如果使用铝合金注射成型，一方面可以达到显着的重量减少效果。另一方面，可以有效地减少零件数量，减少成型和连接链接。汽车减震器塔通常是用复杂的工艺和较低的生产效率冲压和焊接钢板制成的。使用铝合金注塑代替钢制焊接部件。由于功能集成设计，零件数量减少，为了保证产品的综合性能，实施了轻量级结构。材料的基本厚度为1mm ～ 4.0mm，个别碎片的重量损失率可能为≥30 %。

1车身系统轻量化实现路径

车身轻量化技术的应用，前提是需要保证车身部件具有足够的刚度及强度，同时借助CAE仿真评价法及实物测评法对零件的结构进行优化设计，如拓扑优化、尺寸优化、形状优化及多学科优化等，通过车身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，来减小车身骨架和车身覆盖件的质量或数量，从而达到车身减重的目的。除了上述结构优化方式外，轻量化路径还可以采用如下几种方式：①使用轻量化材料，通过大量使用轻质、高强材料实现车身大幅减重。这些材料主要可以分为两类，一类是高强钢材料，包括普通高强钢、先进高强钢以及超高强钢;另一类是低密度材料，包括铝合金、镁合金、塑料、复合材料等。②使用先进制造工艺，运用激光焊接、激光拼焊等方式。其中，激光拼焊板即采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，形成冲压用坯料。

2压铸工艺

2.1压铸工艺种类和特点

低压铸造是指将干燥压缩空气引入填充有液态铝合金的密封密闭容器（如坩埚）中，该容器在一定温度下作用于液态金属表面，液态金属发展立管通过该容器从底部向上穿过出料口，进入模腔。当液态金属填充模腔时，空气压力增加，模腔中的液态金属在一定压力下凝固，然后压力释放，使立管的未破裂的液态金属下降回到坩埚中，然后打开模具取出零件，遵循凝固顺序。压力铸造是用液态或半固态金属在高压作用下高速填充铸造基体空腔，然后在压力作用下快速凝固，得到铸件。注射成型具有高压、高速的特点。缺点是，铸造缺陷，如空气孔和氧化嵌件，在注射成型中经常出现。

2.2减震器塔压铸方式选择

减震器是形状复杂的薄壁零件。当采用重力或低压时，铝合金液体会很快被金属模具冷却，因为形状填充速度有限。如果零件壁厚较薄，在完成形状填充之前会严重硬化，从而导致膨胀不足或冷绝缘等缺陷。薄壁件可采用高压铸造法制造。但是，在高压铸造过程中，空气孔和氧化嵌件等铸造缺陷会造成铸造零件质量下降，不允许热处理，可焊性差。除了保持注射成型的独特优势，真空高压成型还可以使用更灵活的连接方法，如铆接和焊接。因此，真空高压铸造更适合制造强度和冲击韧性要求高的减震塔。

3尺寸精度要求

减震器塔采用SF-6铝合金材质（AlSi10Mn-Mg），周边件为高强度钢，搭接沿用原钢制结构边界，铝合金减震器塔与周边钢制件采用SPR、FDS等铆接方式连接。基于功能、性能和工艺性等要求，铝合金减震器塔主要与控制臂和减震器的安装、与周边件的铆接配合、热处理工艺夹具的匹配等几方面强相关，涉及的尺寸精度主要是定位孔、重要安装孔的尺寸和位置度、重要安装面、铆接面的轮廓度，影响铝合金减震器塔尺寸精度的主要有两方面，一是减震器塔本体的结构设计，合理的搭接过渡面、加强筋布置、拔模角度等设计能保证减震器塔本体的刚度、强度和尺寸精度。二是工艺设计，本文所述的铝合金减震器塔采用高真空压铸，热处理采用T6工艺，合理的工艺参数和工装设计对铝合金减震器塔的性能和尺寸精度影响显著。

4应用案例

4.1钢铝连接设计

减震器塔采用铝合金材质（AlSi10MnMg-T6），周边件为高强度钢，搭接沿用原钢制结构边界。铝合金减震器塔外侧与前边梁搭接，内侧与发动机舱前边梁搭接，前侧与轮罩前板搭接，后侧与前围总成搭接。铝合金减震器塔包与周边钢质钣金件通过SPR+结构胶、FDS+结构胶、高强度抽芯铆钉+结构胶三种连接方式。

4.2模态性能测试

对匹配铝合金减振器塔的车身进行模态测试，测试结果：（1）铝合金减振器塔车身一阶弯曲、一阶扭转略高于钢制原结构;（2）各阶模态均高于目标值，满足设计要求。

5精度检测及结构优化

5.1精度检测

利用扫描仪对热处理后的铝合金减震器塔实物进行型面扫描，扫描的点云与设计数模进行比对，从而计算出实物与设计状态的偏差。铝合金减震器塔X向前后两端的搭接面尺寸超差较大，即热处理变形较严重。

5.2拓扑优化设计

为了找到减震塔最有效、最合理的载荷路径，结合这一优化，在批量生产的钢制冲击压缩塔结构上进行，设计空间的确定应尽可能符合现有的钢边界。如果减震器原始钢塔的外表面被移开到中间支撑面上，内表面和外表面将偏移到平均厚度为10毫米，减震器和控制臂的安装面保持不变。考虑到减震塔和发动机舱之间的绝缘要求，市场上压铸铝合金减震器塔的厚度一般为3毫米。因此，在这种拓扑优化中，减震器原钢塔的外表面作为设计空间中的非计划空间偏移了3毫米。多任务条件拓扑优化后。

5.3结构优化

结构优化主要从两方面着手：一是优化铝合金减震器塔本体结构，在变形严重的X向前后两端搭接面、Y向与上边梁搭接面与立面的过渡区适当增加和优化加强筋结构，以增加减震器塔本体的刚度和抗变形能力。结构优化另一方面是优化热处理专用夹具结构：原始的热处理专用夹具结构较简单，仅有1个主支撑和1个辅支撑，造成减震器塔本体较多重要搭接面、连接面悬空无支撑，变形是因为缺少加强支撑结构，悬臂结构较多且较长。因此在变形严重的X向前后两端搭接面、Y向与上边梁搭接面、立面和过渡区等位置增加支撑块结构（新增11处辅支撑），通过外力支撑来增加抗变形能力。

5.4仿真分析

铝合金压铸减震器塔为左右对称部分。车辆车身部分被切断（选择正确的减震器塔包），所有自由度都是有限的。载荷施加在减震器塔和上回转臂的前后固定点上，研究了减震器塔加载点的位移。压力铝合金减震器塔的第一版达到了性能指标要求，但仍与钢结构有一定的间隙，需要进一步优化。通过比较每个工作状态的位移值，发现2.5g垂直工作状态的位移差最大，第一种方案的减震器塔侧支撑不足。

6铝合金压铸减震器塔刚度试验设计

铝合金减震器塔的刚度试验与减震器钢塔进行比较。刚度测试主要用于测量z方向的刚度。螺旋电梯用于装载，载荷传感器（误差1n）和位移传感器（误差0.01毫米）用于收集载荷和位移数据。装载点用专用卡子将货物送入减震塔的三个连接点，装载点为专用卡子螺钉孔。载荷力为0 ～ 1000，每100n增量使用，载荷力轴垂直向下。

结束语

基于某款新能源车型，应用铝合金高真空压铸减震器塔替换原钢制结构，通过SPR+结构胶、FDS+结构胶、高强度抽芯铆钉+结构胶三种方式实现钢铝连接，减震器塔实现减重45%，轻量化效果显著。随着新能源汽车行业的发展，钢铝与复合材料混合应用的轻量化车身结构中将有着广泛的应用前景。

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