魯后國(guó)，趙震，闞洪貴，梁端

基于鋁合金減震器塔的鋼鋁連接設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

魯后國(guó)1，趙震1，闞洪貴1，梁端2

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601；2.安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司，安徽 合肥 230601）

文章基于某輕量化新能源車型鋁合金減振器塔的應(yīng)用，通過有限元模型斷面尺寸仿真分析和實(shí)驗(yàn)室斷面金相、拉伸剪切、疲勞等性能檢測(cè)輔助，介紹了鋁合金減振器塔與鋼制車身的SPR自沖鉚連接設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及性能評(píng)價(jià)。

輕量化；鋁合金；鋼鋁連接；自沖鉚接；設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

引言

近年來，隨著全球能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，節(jié)能、安全、環(huán)保越來越受到各國(guó)的關(guān)注[1]，相繼出臺(tái)了《乘用車燃料消耗量限值》、《輕型商用車輛燃料消耗量限值》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，《中國(guó)制造2025》中的“節(jié)能及新能源汽車”技術(shù)路線圖中輕量化的技術(shù)中，特別提到混合材料的連接技術(shù)。本文基于某新能源車型，介紹了鋁合金減震器塔與鋼制車身的SPR連接設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及性能評(píng)價(jià)。

1 工藝介紹

1.1 自沖鉚接（SPR）

鉚釘在外力作用下，穿透第一層和中間層材料，在凹?？涨恍蚊驳囊龑?dǎo)下，向外擴(kuò)展并推動(dòng)底層材料塑性流動(dòng)，最終在鉚釘與底層材料之間形成一個(gè)相互鑲嵌的塑性互鎖，這一過程稱作自沖鉚接，簡(jiǎn)稱SPR。SPR可用于連接各類同種或異種材料，如帶鍍鋅層、有機(jī)層或預(yù)涂裝的鋼板、鋁鋼混合等材料組合。鉚接質(zhì)量穩(wěn)定、鉚接過程清潔無煙霧、消耗能量少、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。圖1為SPR工藝過程示意圖。

圖1 SPR工藝過程示意圖

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 SPR連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金減振器塔與鋼制車身前縱梁、前圍、發(fā)艙上邊梁搭接，如下圖2所示。

圖2 搭接結(jié)構(gòu)

鋁合金減振器塔與周邊鋼制車身件的搭接狀態(tài)、厚度組合、鋼制件材質(zhì)如下表1。

表1 鋼鋁搭接組合信息

2.2 SPR鉚釘選型設(shè)計(jì)[2]

常用鉚釘有直徑3.4mm和5.3mm兩種，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本方案材料總厚度大于2.0 mm，故選用直徑5.3 mm鉚釘，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得匹配的鉚釘長(zhǎng)度：

L=T+0.617D-0.1246 （1）

（L為鉚釘長(zhǎng)度，T為板材總厚度，D為鉚釘腿部直徑，單位mm。）

常用SPR鉚模包括中間帶凸起和平底兩種，中間帶凸起鉚模有利于提高鉚釘與板材之間的底切量，獲得較好的機(jī)械自鎖效果，本設(shè)計(jì)選用中間帶凸起鉚模。模釘體積比R大于1時(shí)，接頭底部與凹模間形成空腔，能形成相對(duì)松弛的SPR接頭。結(jié)合以上因素，完成鉚釘鉚模選型。

表2 鉚釘、鉚模選型

3 SPR模型仿真分析

根據(jù)SPR工藝過程中板材、鉚釘、鉚模的真實(shí)位置關(guān)系和幾何尺寸建立SPR有限元模型，模型由沖頭、鉚釘、模具、壓邊圈和板材構(gòu)成，板材無間隙疊放。

圖3 有限元分析模型

研究采用幾何形貌對(duì)比的方法驗(yàn)證SPR有限元仿真模型的準(zhǔn)確性，選取板材組合為：3.0 mm鋁合金和1.5mm H340LAD，鉚釘和鉚模分別為：HSS5.5x6.5H5和M260238。如圖3所示，幾何形貌對(duì)比結(jié)果表明，仿真SPR接頭與實(shí)驗(yàn)接頭的宏觀形貌十分吻合，仿真底切量與實(shí)驗(yàn)誤差小于5%。

4 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證及性能評(píng)價(jià)

4.1 斷面金相檢測(cè)及評(píng)價(jià)

首先進(jìn)行外觀檢查，合格鉚接點(diǎn)需外觀形狀均勻、無裂紋、底部無刺穿，對(duì)鉚接點(diǎn)進(jìn)一步通過切割、磨拋和清洗手段獲得斷面金相試樣，用光學(xué)顯微鏡獲得金相照片，分析斷面金相上的關(guān)鍵尺寸以及形貌情況[3]，3種選型SPR鉚釘斷面尺寸均滿足要求，檢測(cè)及評(píng)價(jià)內(nèi)容見下表。

圖4 自沖鉚接接頭幾何評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表4 SPR鉚接斷面金相尺寸匯總表

4.2 拉伸剪切性能

拉伸剪切試驗(yàn)以10m/s的速度施加載荷，直到鉚接結(jié)構(gòu)失效，連接被破壞，載荷趨于零。本階段用4組試片匹配不同結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行試驗(yàn)橫向?qū)Ρ?，?yàn)證鉚釘?shù)倪B接性能。試驗(yàn)結(jié)果如下圖5、表5所示：

圖5 試片拉伸剪切圖示

表5 試樣拉伸結(jié)果匯總表

試驗(yàn)結(jié)果：1、2組試樣最大拉伸力18.6KN和18.5KN，均出現(xiàn)鋁試樣斷裂，分析可能是由于鋁試樣存在鑄造缺陷導(dǎo)致；3、4組試樣最大拉伸力20.1KN和22KN，膠層斷裂，滿足拉伸力≥20KN要求。

4.3 疲勞性能驗(yàn)證

疲勞試驗(yàn)采用軸向載荷控制，循環(huán)載荷比R=0.1，頻率5～25Hz，加載正弦波，循環(huán)直到峰值載荷下降50﹪或試樣斷裂失效。共完成28組試片（H340LAD-1.5與AlSi10MnMg- 3.0）試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得F-N曲線見下圖，相應(yīng)的F-N關(guān)系式lgF=a+b×lgN的相關(guān)參數(shù)見表6。

表6 F-N曲線（最大力-疲勞壽命曲線）

lgF=a+b×lgN的相關(guān)參數(shù)

圖6

經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，鋼鋁連接SPR鉚接點(diǎn)斷面金相、拉伸剪切和疲勞性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 裝車驗(yàn)證

本階段按照前期的SPR連接設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)物裝車驗(yàn)證，利用專業(yè)SPR設(shè)備共完成3臺(tái)白車身的鉚接驗(yàn)證，順利驗(yàn)證SPR連接設(shè)計(jì)方案的工藝可行性。

圖7 裝車驗(yàn)證過程圖示

6 結(jié)語

本文基于某新能源車型鋁合金減振器塔設(shè)計(jì)，根據(jù)材質(zhì)料厚與經(jīng)驗(yàn)，并通過有限元模型斷面尺寸的仿真分析和實(shí)驗(yàn)室斷面金相、拉伸剪切、疲勞等性能檢測(cè)，最終完成鋁合金減振器塔與鋼制車身的SPR連接設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。SPR隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)與成本的不斷優(yōu)化，SPR在鋼鋁與復(fù)合材料混合應(yīng)用的輕量化車身結(jié)構(gòu)中將有著廣泛地應(yīng)用前景。

[1] 李舜酩,張凱成,丁瑞,等.鋼鋁結(jié)合商用車車架輕量化技術(shù)綜述[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué),2019(10).

[2] 王建軍,沈波.鋼鋁車身自沖鉚接接頭質(zhì)量影響因素淺析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019.

[3] 趙新華,姬琳輝,孟憲明,等.半空心鉚釘自沖鉚接的研究進(jìn)展[J]. 新技術(shù)新工藝,2019(10).

[4] 王云慶.鎖鉚鉚接汽車輕量化的連接工藝[J].汽車與配件,2012.

Design and verification of steel-aluminum connection based on Aluminum Alloy Shock Absorber Tower

Lu Houguo1, Zhao Zhen1, Kan Honggui1, Liang Duan2

（1.JAC Technical Center, Anhui Hefei 230601; 2.JEE Automation Equipment Co., Ltd. Anhui Hefei 230601 )

In this paper, based on the application of Aluminum Alloy Shock Absorber Tower in a new light energy vehicle, the finite element model is used to simulate the section size of the absorber tower, the design, Verification and performance evaluation of Spr self-piercing riveting connection between aluminum alloy shock absorber tower and steel body are introduced.

Lightweight;Aluminum alloy;Steel-aluminum connection;Self-piercing riveting technology;Design and verification

A

1671-7988(2020)24-168-03

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)。

U466

A

1671-7988(2020)24-168-03

復(fù)雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應(yīng)用關(guān)鍵共性技術(shù)研究項(xiàng)目（2016YFB 0101603）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.054

CLC NO.: U466