魯后國(guó)，張炳力

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鋁合金壓鑄減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

魯后國(guó)1，張炳力2

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

減震器塔是汽車上重要的承載部件，鋁合金減震器塔是汽車上應(yīng)用鋁合金實(shí)現(xiàn)輕量化的典型之一。文章以某電動(dòng)車型的鋼制減震器塔為研究對(duì)象，開(kāi)展鋁合金減震器塔的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，并結(jié)合壓鑄工藝約束，經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化，完成鋁合金減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最終通過(guò)仿真分析和實(shí)物驗(yàn)證，鋁合金減震器塔相對(duì)鋼制減震器塔在性能不降低的前提下可實(shí)現(xiàn)45%的輕量化。

拓?fù)鋬?yōu)化；減震器塔；輕量化；仿真分析

引言

汽車輕量化是解決“節(jié)能”、“安全”、“環(huán)?！钡淖钣行侄沃弧Ｑ芯勘砻?，汽車每降低100 kg，可節(jié)省燃油0.3～0.5 L/100km，可減少二氧化碳排放8～11 kg/100km[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金在汽車上應(yīng)用越來(lái)越廣泛，鋁合金應(yīng)用形式已不再局限在擠壓件和沖壓件，壓鑄鋁合金件也越來(lái)越多被用車身結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的輕量化。

汽車結(jié)構(gòu)件一般為汽車的承載件或受力件，與汽車的安全性能密切相關(guān)[2]，減震器塔是汽車減震器的安裝點(diǎn)，是車身上重要的承載部件。目前，隨著鋁合金壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，大型復(fù)雜薄壁鋁合金壓鑄件性能大幅提升，在車身上應(yīng)用逐步推廣，鋁合金壓鑄減震器塔即是其典型應(yīng)用代表之一。

本文基于某電動(dòng)車型的鋼制減震器塔，以減震器拓?fù)渌偠葹榧s束開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并基于鋁合金壓鑄工藝約束，通過(guò)多輪優(yōu)化，獲得鋁合金壓鑄減震器塔結(jié)構(gòu)，最終經(jīng)仿真分析和實(shí)物驗(yàn)證，在性能不降低的前提下實(shí)現(xiàn)約45%的輕量化。

1 某電動(dòng)車型鋼制減震器塔結(jié)構(gòu)

某電動(dòng)車型的前鋼制減震器塔，由11個(gè)鋼制件通過(guò)焊接而成，整個(gè)減震器塔共有96個(gè)點(diǎn)，9段二氧化碳保護(hù)焊，重量6.58kg，如下圖1。

圖1 鋼制減震器塔結(jié)構(gòu)

減震器塔是車身上承載件，其核心性能指標(biāo)為剛度。根據(jù)減震器塔的受力情況，結(jié)合鋼制減震器塔的性能，建立鋁合金壓鑄減震器塔優(yōu)化指標(biāo)如下表1所示。

表1 減震器塔剛度性能指標(biāo)

2 減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

為了尋求最有效、最合理的減震器塔載荷路徑，結(jié)合本次優(yōu)化是在已量產(chǎn)的鋼制減震器塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，設(shè)計(jì)空間確定應(yīng)遵循最大程度上沿用已有的鋼制邊界。以原鋼制減震器塔外表面為中間參考面向內(nèi)外各平均偏置10mm厚度，減震器以及控制臂的安裝面不變。建立拓?fù)鋬?yōu)化空間如下圖2。

圖2 拓補(bǔ)優(yōu)化空間三維模型

圖2中紫色部分：設(shè)計(jì)區(qū)間，拓補(bǔ)優(yōu)化觀察重點(diǎn)部分；紅色部分：非設(shè)計(jì)區(qū)間，和其它零部件焊接連接。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

考慮到減震器塔與電機(jī)艙的隔絕要求，結(jié)合市場(chǎng)上鋁合金壓鑄減震器塔的本體厚度普遍為3mm。因此本次拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)在設(shè)計(jì)空間中選取原鋼制減震器塔外表面向外偏置3mm作為非設(shè)計(jì)空間。經(jīng)多工況拓?fù)鋬?yōu)化后，得到加強(qiáng)筋如下圖3。圖3中紫色區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)，需設(shè)置加強(qiáng)筋；紅色區(qū)域?yàn)橐话憬Y(jié)構(gòu)區(qū)，不需設(shè)置加強(qiáng)筋。

由此拓?fù)鋬?yōu)化模型得到的鋁合金壓鑄減震器塔概念結(jié)構(gòu)如下圖4。

圖4 鋁合金壓鑄減震器塔初版結(jié)構(gòu)

2.2 壓鑄工藝特征設(shè)計(jì)

由于鋁合金減震器塔采用高真空壓鑄成型技術(shù)，因此需要確保鋁合金壓鑄減震器塔具備良好的壓鑄工藝性。本次鋁合金壓鑄減震器塔拔模角度設(shè)計(jì)為22.5°，在內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)間距100mm的頂出特征，頂出特征為直徑10mm的凸臺(tái)。

結(jié)合壓鑄工藝約束和拓?fù)浣Y(jié)果，建立鋁合金壓鑄減震器塔初版結(jié)構(gòu)（重量3.42kg）如下圖5。

圖5 鋁合金壓鑄減震器塔初版結(jié)構(gòu)

2.3 仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 鋁合金壓鑄減震器塔有限元模型

表2 初版減震器塔剛度性能指標(biāo)

鋁合金壓鑄減震器塔為左右對(duì)稱件，截取部分車身（選擇右減震器塔包），約束全部自由度，在減震器塔、上擺臂前后安裝點(diǎn)施加載荷，考察減震器塔加載點(diǎn)位移量。有限元模型如上圖6所示，分析結(jié)果如上表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可以看出初版鋁合金壓鑄減震器塔已滿足性能指標(biāo)要求，但與鋼制結(jié)構(gòu)尚有一定差距，需進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)比各工況位移值，發(fā)現(xiàn)垂直2.5g工況的位移差距最大，通過(guò)位移云圖（下圖7）可以看出初版減震器塔的側(cè)向支撐不足。

圖7 垂直2.5g工況位移云圖

因此，對(duì)鋁合金壓鑄減震器塔的側(cè)向支撐進(jìn)行加強(qiáng)，具體為：①對(duì)減震器安裝點(diǎn)外側(cè)區(qū)域本體料厚由3mm增加到4 mm；②此區(qū)域加強(qiáng)筋增加，并增加環(huán)狀筋。詳見(jiàn)下圖8示意。

圖8 鋁合金壓鑄減震器塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

優(yōu)化后鋁合金壓鑄減震器塔重3.62kg，相對(duì)鋼制減震器塔減重2.96kg，減重率45%。分析結(jié)果如下表3所示。

表3 優(yōu)化后減震器塔剛度性能指標(biāo)

從分析結(jié)果看出，鋁合金壓鑄減震器塔局部剛度除垂直2.5g工況變形量與鋼制減震器塔存在0.01mm差距，其他工況均優(yōu)于鋼制減震器塔。

3 鋁合金壓鑄減震器塔實(shí)物驗(yàn)證

3.1 鋁合金壓鑄減震器塔剛度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鋁合金壓鑄減震器塔剛度試驗(yàn)采用與鋼制減震器塔對(duì)比方式進(jìn)行。

剛度試驗(yàn)以測(cè)定Z向剛度為主，采用絲杠螺旋運(yùn)動(dòng)升降機(jī)進(jìn)行加載，分別用載荷傳感器（誤差±1N）和位移傳感器（誤差±0.01mm）采集載荷和位移數(shù)據(jù)。加載點(diǎn)用專用夾具將載荷施加在減震塔三個(gè)連接點(diǎn)上，加載點(diǎn)為專用夾具螺孔；加載力從0～1000N，且按每100N為梯級(jí)，逐級(jí)加載，加載力軸線垂直向下，如下圖9所示。

圖9 剛度試驗(yàn)示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

剛度測(cè)試結(jié)果如下圖10所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出，鋁合金減震器塔的剛度值遠(yuǎn)大于鋼制減震器塔。

鋁合金壓鑄減震器塔測(cè)試數(shù)據(jù) 鋼制減震器塔測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以應(yīng)用到鋁合金壓鑄減震器塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可有效識(shí)別出加強(qiáng)筋的分布。

2）經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，鋁合金壓鑄減震器塔相對(duì)鋼制減震器塔在性能不降低的前提下，可實(shí)現(xiàn)45%的輕量化效果。

[1] 趙高明.前端支架的模塊化發(fā)展[J].技術(shù)與市場(chǎng),2010,7（2）:35-39.

[2] 萬(wàn)里,潘歡,羅吉榮.高真空壓鑄技術(shù)及高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的現(xiàn)狀及前景[J].特種鑄造及有色合金,2007,27（12）:939-942.

Research on Structure Design of Aluminum Die Casting Shock Tower

Lu Houguo1, Zhang Bingli2

（1.Anhui Jianghuai Automotive Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601; 2.Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009）

The shock tower is an important load bearing part of the automobile. It is one of the typical lightweight applications of aluminum alloy in automobile. This paper takes the steel shock tower of EV as the research object, carries out the design of aluminum alloy shock tower, and completes the structural design of aluminum alloy shock tower by adopting topological optimization method and combining with the constraints of die-casting technology and through multi-round optimization. Finally through simulation analysis and physical verification, aluminum alloy shock tower can achieve 45% of the lightweight relative to steel shock tower in the same performance.

Topology Optimization; Shock Tower; Lightweight; Simulation Analysis

U467.1

A

1671-7988(2019)05-135-03

U467.1

A

1671-7988(2019)05-135-03

魯后國(guó)，(1980-)，男，安徽合肥人，在職工程碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：汽車車身設(shè)計(jì)。

復(fù)雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成行與應(yīng)用關(guān)鍵共性技術(shù)（2016YFB0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.041