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一体化压铸车身结构件的设计难点分析

 宋洋sy 2025-01-20 发布于北京

铝板采购计划

01、一体化压铸结构件适用于哪些部位?

早些年的第三代A8车身多处使用铝合金压铸件(见下图),应用比例高达35%。

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A8车身用材示意图

压铸件常有,而一体化压铸车身结构件不常有。目前看,一体化压铸技术主要用于车身后部,大致集成了后地板及后轮罩部位。包括特斯拉在内,最开始应用的部位均为此处,这其中有什么奥秘吗?

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零件对于材料的应用选择,是综合了零件本身的功能要求,材料本身的性能特点以及工艺特点来确定的。车身此部位对车身的扭转刚度影响较大,而且形状复杂,最重要的一点是此部位对于碰撞安全性的要求较前舱及乘员舱部位低一些。由于压铸工艺过程中,熔融金属在高压高速下保持高的流动性,所以一体化压铸能够获得传统冲压工艺不可实现的复杂结构零件。一体化压铸技术能够集成多个零件,减少了连接,并且能够实现比冲压件复杂的加强筋结构从而保证了零件的刚度。一体化压铸有很多优势,但是其强韧性不及高强度钢,因此限制了其使用部位,目前只能用于碰撞要求低一些的部位。此技术的应用充分体现了“合适的材料用在了适合的部位”。

02、材料-设计-工艺-性能一体化设计技术理念
传统的冷冲压结构件,作为原料的板材出厂前就确定了自身的性能,后续的工艺对于材料性能影响不大。当然,热冲压成形是另外一种工艺形式,影响零件成形前后的改变因素较单一,易控制。而一体化压铸车身结构件,在零件成形前是无确定的性能的,零件形状及性能受制造工艺的影响较大,也就是说零件即材料。所以应用该项技术是否能够得到期望的零件性能,需要进行全方位综合性的设计。
目前一体化压铸车身结构件还不完全成熟,现阶段很多工作都是试错的过程,设计、工艺、生产等环节都存在着一些问题。但是在这些环节里,目前应该以工艺过程为主体,围绕一体化压铸工艺来进行其他环节的设计。换句话说,一体化压铸技术,顾名思义,就是以这种工艺为主的一种制造方式。既然选择了这个工艺,那在技术新兴伊始,肯定要以该技术的特点为主,其他环节要做让步。进一步讲,零件设计时既要充分利用一体化压铸的优势,也要尽可能多的规避工艺限制,由此可以达到性能最大化。

结合零件功能需求和压铸工艺的特点,特斯拉在一体化压铸设计上有很多值得借鉴的地方。应对其后地板的功能的要求,Model Y在此零件位于车身尾部最外端面处,设置防碰撞的溃缩区;在轮罩所在位置设置高刚度区域。

从下图展示的零件图片可以看出,后防撞部位的设计主要是通过构成一些波浪型的结构中空设计来抵抗碰撞;沿着其长度方向(整车行驶方向)会进行一些渐变式设计,以更好地实现碰撞过程中的吸能。

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从下图可以看出,在结构强度刚度设计上,主要是一些X型结构支撑筋的设计;以结构可实现的优势来弥补自身强度及弹性模量的不足。

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为实现零件的功能从而导致零件复杂度较高,型面和截面的变化较剧烈,对于结构设计(拔模角、排气孔、出模方式、收缩方向等)的要求更高,但是由于汽车行业有多年的压铸件经验,一体化压铸车身结构件的结构尺寸等设计难度可克服,但目前的难点在于性能仿真分析。CAE仿真分析在车型研发过程中有着举足轻重的地位,一体化压铸成形设计过程中自然也少不了仿真分析。目前的分析软件基本上都是基于强度系数、应变硬化指数等一些理论的一些计算分析,并未考虑铸造本身的缺陷,得到的机械性能与实际状态存在差异。如果能进一步开发出基于凝固冷却后的组织及缺陷(如晶粒大小、枝晶、夹杂、偏析、气孔、缩松等)的分析软件,用以支持产品设计,将会得到精确的零件设计。

为了得到高性能的一体化压铸件,整个链条上的企业均需付出更多的努力,大型压铸装备、免热处理高强韧铝合金、压铸工艺模具、车企性能要求与验证等都有全新的要求和探索,整个产业链上的各方的合作研发也变得更加重要。

03、未来的趋势,零件越大越好吗?
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2019年,特斯拉发布专利“汽车车架的多向车身一体成型铸造机和相关铸造方法”,该专利指向一体化压铸整个下车体。
就目前的技术情况来看,鉴于该技术目前的强韧性及铝合金本身的特性,如果整个下车体应用铝合金一体化压铸工艺来实现;一旦出现碰撞事故,整个车体修复难度巨大,维修费用是否可控?消费者是否会面临换新车的尴尬局面?
但是,一体化压铸整个下车体也不是没有应用场景,像港口、仓储物流等用的小型货运车辆较容易接受此项技术。因为使用场景单一不易出现事故,而且对于车辆无个性化需求,越简化工艺越节省成本。

技术没有绝对的好坏,只有适合与不适合。结合资本市场对新技术概念的需求,很多企业将会进一步投入研究,随着材料、工艺、设备的不断进步,一体化压铸技术应用场景也会越来越多。

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