闞洪貴，趙 震，魯后國

基于尺寸精度的鋁合金減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

闞洪貴，趙 震，魯后國

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

鋁合金作為一種優(yōu)質(zhì)輕量化材料在輕量化車身上的應(yīng)用越來越廣泛，為了確保鋁合金零部件的使用功能和性能，設(shè)計人員在設(shè)計前期就需要對零部件的精度進行設(shè)計分析和優(yōu)化。文章基于一種壓鑄鋁合金減震器塔的零部件，首先對該鋁合金零部件精度進行分析摸底并識別出影響該鋁合金零部件精度的兩個關(guān)鍵要素，再分別針對兩個關(guān)鍵要素進行優(yōu)化設(shè)計，重點一是優(yōu)化加強筋結(jié)構(gòu)，以增加減震器塔本體的剛度和抗變形能力，另外是增加熱處理工藝中夾具支撐塊結(jié)構(gòu)，通過外力支撐來增加抗變形能力。結(jié)果表明：合理的加強筋布置能有效提升減震器塔本體的剛度、強度和尺寸精度；熱處理時需設(shè)計專用支撐夾具，且支撐夾具要保證所有重要安裝面的支撐，避免鋁合金減震器塔局部出現(xiàn)懸臂，通過外力支撐來防止變形。

輕量化車身；壓鑄鋁合金減震器塔；尺寸精度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；熱處理工藝

引言

隨著國家節(jié)能減排政策的日益嚴格，車身輕量化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢。鋁合金密度為鋼的1/3，鋁合金替換鋼，按等剛度/強度計算，理論上可實現(xiàn)45%以上的減重（相對普板），鋁合金作為一種優(yōu)質(zhì)輕量化材料在車身上的應(yīng)用越來越廣泛。本文基于尺寸精度論述了一種新型壓鑄鋁合金減震器塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化過程。

1 尺寸精度要求

本文所述的減震器塔采用SF-6鋁合金材質(zhì)（AlSi10Mn-Mg），周邊件為高強度鋼，搭接沿用原鋼制結(jié)構(gòu)邊界，鋁合金減震器塔與周邊鋼制件采用SPR、FDS等鉚接方式連接[1]?；诠δ堋⑿阅芎凸に囆缘纫?，鋁合金減震器塔主要與控制臂和減震器的安裝、與周邊件的鉚接配合、熱處理工藝夾具的匹配等幾方面強相關(guān)，涉及的尺寸精度主要是定位孔、重要安裝孔的尺寸和位置度、重要安裝面、鉚接面的輪廓度，具體的尺寸精度要求見表1。

圖1 鋁合金減震器塔圖示

表1 鋁合金減震器塔尺寸精度要求匯總

序號位置精度要求 1主、副定位孔尺寸精度0～+0.1，位置度0 2控制臂安裝孔尺寸精度0～+0.2，位置度±0.5 3減震器安裝孔尺寸精度0～+0.2，位置度±0.5 4線束支架安裝孔尺寸精度0～+0.2，位置度±0.5 5控制臂安裝面輪廓度1.0 6減震器安裝面輪廓度1.0 7鉚接貼合面輪廓度1.0 8熱處理夾具支撐面輪廓度1.0 9其余面輪廓度2.0

影響鋁合金減震器塔尺寸精度的主要有兩方面，一是減震器塔本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理的搭接過渡面、加強筋布置、拔模角度等設(shè)計能保證減震器塔本體的剛度、強度和尺寸精度。二是工藝設(shè)計，本文所述的鋁合金減震器塔采用高真空壓鑄，熱處理采用T6工藝，合理的工藝參數(shù)和工裝設(shè)計對鋁合金減震器塔的性能和尺寸精度影響顯著。

2 鋁合金減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋁合金減震器塔搭接沿用原鋼制結(jié)構(gòu)邊界，減震器塔外側(cè)與前邊梁搭接，內(nèi)側(cè)與發(fā)動機艙前邊梁搭接，前側(cè)與輪罩前板搭接，后側(cè)與前圍總成搭接。如下圖2所示。根據(jù)調(diào)研，鋁合金減震器塔包與周邊鋼質(zhì)鈑金件通過SPR+結(jié)構(gòu)膠、FDS+結(jié)構(gòu)膠、高強度抽芯鉚釘+結(jié)構(gòu)膠三種連接方式。

圖2 鋁合金減震器塔與周邊件連接圖示

表2 鋁合金減震器塔熱處理工藝參數(shù)表

序號名稱規(guī)格 1固溶溫度/℃535±5 2固溶加熱時間/min≤90 3保溫時間/min120 4淬火轉(zhuǎn)移時間/s≤14 5淬火空氣溫度常溫 6時效溫度/℃200±5 7時效加熱時間/min90 8時效保溫時間/min120

熱處理夾具設(shè)計（基于工藝）：本方案壓鑄鋁合金減震器塔熱處理采用T6工藝，即固溶熱處理+人工時效，具體熱處理工藝參數(shù)見表2，考慮到壓鑄鋁合金減震器塔在進行熱處理時易發(fā)生變形，為保證壓鑄鋁合金減震器塔的尺寸精度，設(shè)計了熱處理專用支撐夾具，專用夾具對關(guān)鍵的支撐面和安裝結(jié)構(gòu)進行有效支撐[2]，如圖3所示。

圖3 熱處理專用夾具圖

3 精度檢測及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 精度檢測

利用掃描儀對熱處理后的鋁合金減震器塔實物進行型面掃描，掃描的點云與設(shè)計數(shù)模進行比對，從而計算出實物與設(shè)計狀態(tài)的偏差。

圖4 掃描結(jié)果圖

掃描結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，鋁合金減震器塔向前后兩端的搭接面尺寸超差較大，即熱處理變形較嚴重。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于掃描結(jié)果可以看出熱處理后的鋁合金減震器塔向前后兩端搭接面、向與上邊梁的搭接面變形較嚴重，直接影響與周邊件的匹配搭接；通過分析，向前后兩端、向的搭接面和立面變形較嚴重的主要原因是變形區(qū)域剛度較弱，缺少加強支撐結(jié)構(gòu)，等效懸臂較長，熱處理過程受重力影響較大，從而產(chǎn)生變形。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從兩方面著手：一是優(yōu)化鋁合金減震器塔本體結(jié)構(gòu)，在變形嚴重的向前后兩端搭接面、向與上邊梁搭接面與立面的過渡區(qū)適當(dāng)增加和優(yōu)化加強筋結(jié)構(gòu)，以增加減震器塔本體的剛度和抗變形能力，如圖5所示。

圖5 減震器塔本體優(yōu)化圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化另一方面是優(yōu)化熱處理專用夾具結(jié)構(gòu)：原始的熱處理專用夾具結(jié)構(gòu)較簡單，僅有1個主支撐和1個輔支撐，造成減震器塔本體較多重要搭接面、連接面懸空無支撐，變形是因為缺少加強支撐結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)較多且較長。因此在變形嚴重的向前后兩端搭接面、向與上邊梁搭接面、立面和過渡區(qū)等位置增加支撐塊結(jié)構(gòu)（新增11處輔支撐），通過外力支撐來增加抗變形能力，如圖6所示。

圖6 熱處理專用夾具優(yōu)化前后對比圖示

3.3 優(yōu)化方案精度檢測

利用掃描儀對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金減震器塔實物進行型面掃描，掃描的點云與設(shè)計數(shù)模及優(yōu)化前實物進行比對，從而計算出實物與設(shè)計狀態(tài)的偏差。

圖7 優(yōu)化前后鋁合金減震器塔掃描結(jié)果對比圖

圖8 優(yōu)化前后的對比曲線

掃描結(jié)果如圖7所示，選取47個典型檢測點進行統(tǒng)計分析，從圖表中可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鋁合金減震器塔尺寸精度提升效果顯著，且均已達標。

表3 優(yōu)化前后鋁合金減震器塔掃描結(jié)果匯總表

序號優(yōu)化前優(yōu)化后序號優(yōu)化前優(yōu)化后 點1?0.753?0.209點25?0.7210.152 點2?1.153?0.19點26?0.5050.199 點3?1.054?0.112點27?0.3370.215 點4?1.568?0.127點28?0.383?0.024 點5?1.6940.014點290.3730.392 點6?1.6590.074點30?0.6090.263 點7?1.1380.05點31?0.2950.382 點8?1.5990.182點32?0.599?0.061 點9?1.0340.363點330.425?0.203 點10?0.350.268點341.01?0.24 點110.2360.052點350.6780.101 點120.064?0.159點360.1430.057 點130.036?0.346點370.1910 點14?0.255?0.402點380.1660.218 點15?0.03?0.312點390.260.264 點16?0.344?0.275點400.2230.226 點17?0.224?0.273點410.7910.336 點18?0.916?0.169點420.6950.286 點19?1.336?0.001點430.7240.298 點20?1.3910.103點44?1.264?0.155 點210.9390.681點45?1.6550.015 點220.4160.39點46?1.4840.139 點23?0.3410.152點47?1.4090.296 點24?0.7890.129

4 結(jié)論

本文基于鋁合金減震器塔的尺寸精度目標要求，重點論述了從鋁合金減震器塔本體結(jié)構(gòu)和熱處理工藝夾具兩方面進行設(shè)計、檢測驗證和優(yōu)化的過程，最終完成目標達成。

過程中總結(jié)了以下兩點結(jié)論可供參考：（1）合理的加強筋布置能有效提升減震器塔本體的剛度、強度和尺寸精度；（2）熱處理時需設(shè)計專用支撐夾具，且支撐夾具要保證所有重要安裝面的支撐，避免鋁合金減震器塔局部出現(xiàn)懸臂，通過外力支撐來防止變形。

[1] 魯后國,張炳力.鋁合金壓鑄減震器塔結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].汽車實用技術(shù),2019 (05):135-137.

[2] 唐程光,唐淳.鋁合金高真空壓鑄減震器塔成型工藝方案設(shè)計研究[J].汽車實用技術(shù),2020(24):164-165.

Structural Design and Optimization of Aluminum Alloy Shock Absorber Tower Based on Dimensional Accuracy

KAN Honggui, ZHAO Zhen, LU Houguo

( JAC Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

As a kind of high quality lightweight material, aluminum alloy is used more and more widely in lightweight car body. In order to ensure the function and performance of aluminum alloy parts, in the early stage of design, designers need to analyze and optimize the precision of the components. In this paper, based on a die-casting aluminum alloy shock absorber tower components, firstly, the precision of the aluminum alloy parts is analyzed and the two key factors that affect the precision of the aluminum alloy parts are identified, and then the two key factors are optimized respectively, in order to increase the stiffness and anti-deformation capacity of the shock absorber tower, one is to increase the supporting block structure of the Heat treatment fixture, and to increase the anti-deformation capacity through the external force support. The results show that the stiffness, strength and dimensional accuracy of the shock absorber tower can be effectively improved by proper arrangement of stiffeners, and the special support fixture should be designed to ensure the support of all important mounting surfaces, avoid aluminum shock absorber tower part of the cantilever, through external support to prevent deformation.

Lightweight vehicle; Die-cast aluminum alloy shock absorber tower; Dimensional accuracy; Structural optimization; Heat treatment process

U466

B

1671-7988(2022)02-45-04

U466

B

1671-7988(2022)02-45-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.011

闞洪貴（1983—），男，本科，車體設(shè)計專家，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，主要從事車體設(shè)計和研發(fā)工作。

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)研究項目（2016YFB0101603）。