Облегчение подрамника, являющегося компонентом неподрессоренной массы, может дать значительные преимущества при относительно небольших усилиях. Среди различных материалов, конструкций и технологических решений интегральные полые подрамники из алюминиевого сплава, отлитые под низким давлением-под низким давлением (LPDC), демонстрируют высокую конкурентоспособность. В этой статье представлены преимущества и проблемы цельных полых подрамников с точки зрения структурных характеристик, производственного процесса и инновационных технологий. Основное внимание уделяется двум узким местам производства:-пост-обработка и механическая обработка-, а также двум узким местам, связанным с выходом продукции:-литье под низким-давлением и термообработка. Для каждого предлагаются решения. Наконец, прогнозируются будущие тенденции развития и конкурентная среда подрамников.
Ключевые слова: Подрамник; Алюминиевый сплав; Цельная полость; Узкое место; Конкурентная среда
1. Предыстория
За последнее десятилетие, вызванное энергетическим кризисом и все более строгими правилами, количество новых энергетических транспортных средств (NEV) быстро возросло. Статистика показывает, что с 2014 по 2023 год проникновение NEV выросло с 0,3% до 31,6%. Однако NEV, особенно электромобили с аккумуляторной батареей, сталкиваются с серьезными проблемами в зарядке и запасе хода. Это поставило легкий дизайн на беспрецедентный уровень важности.
Масса автомобиля делится на подрессоренную и неподрессоренную. Под подрессоренной массой понимается вес, поддерживаемый системой подвески и упругими элементами, включая кузов, двигатель, трансмиссию и пассажиров. Неподрессоренная масса относится к компонентам, не поддерживаемым системой подвески, таким как колеса, рычаги подвески, пружины и амортизаторы. Как основной компонент подвески, подрамник играет решающую роль, а его облегчение может значительно улучшить общие характеристики автомобиля.
Подрамник, также называемый «суб-шасси», служит основой для передней и задней оси. Он поддерживает оси и узлы подвески, соединяя их с основной рамой автомобиля. В легковых автомобилях с несущей конструкцией подрамник соединяет левую и правую системы подвески в единый блок, тем самым увеличивая жесткость соединения, изолируя шум и вибрацию, а также улучшая шумо- и шумоизоляцию. Кроме того, он обеспечивает дополнительные пути нагрузки для управления энергией при столкновении, повышая безопасность транспортного средства.
Традиционно подрамники изготавливаются из стали. Благодаря стремлению к снижению веса и внедрению NEV, подрамники из алюминиевых сплавов переживают быстрый рост. Подрамники из алюминиевого сплава могут быть изготовлены с помощью штамповки, гидроформовки, профильной сварки, литья под давлением, литья под низким-давлением или гибридного соединения стали и алюминия. Типы конструкций включают много-сварные, цельнолитые и полые литые конструкции.
2. Характеристики цельных полых подрамников
2.1 Введение
Учитывая условия нагрузки, вес, выбросы углекислого газа и стоимость, цельное полое литье дает явные преимущества. Во-первых, оптимизация топологии на ранних этапах разработки-на основе требований к нагрузке, места для упаковки и возможности производства-максимально снижает вес. Во-вторых, при равной-площади поперечного сечения тонкостенные-полые элементы обеспечивают более высокую удельную жесткость и прочность. В-третьих, по сравнению с составными-сварными подрамниками, цельные отливки позволяют избежать сварных швов и связанной с ними деградации зон термического-воздействия. Наконец, интегральное литье заменяет десятки операций штамповки и сварки одним этапом формовки, что значительно сокращает циклы разработки и упрощает управление цепочкой поставок.
Цельные полые подрамники обычно производятся с помощью LPDC. Они имеют шесть определяющих характеристик:
Большие размеры (приблизительно. 1000–1200 мм × 800–1000 мм × 300–500 мм).
Тонкостенные-секции с толщиной стенки основания 4–5 мм (иногда до 3,5 мм).
Полые полости требуют больших песчаных кернов, что усложняет работу с керном-.
Сложные сечения-со значительным изменением толщины стенок и множеством горячих точек.
Многочисленные функции обработки-шести граней в направлениях X, Y и Z, требующие инструментов 20+.
Классифицируются как детали шасси,-критически важные для безопасности, с нулевой терпимостью к отказам.
1.
Эти характеристики создают серьезные проблемы на протяжении всего производственного процесса.
2.2 Производственный процесс
Производство цельных полых подрамников включает пять основных модулей: подготовка,-литье под низким давлением, очистка, термообработка и последующая-обработка.
Подготовка: Изготовление стержней (неорганические сердечники становятся обычным явлением по экологическим причинам), плавка сплавов (с использованием A356, A356.2, AlSi7Mg, ZL101A с содержанием переработанных материалов менее или равным 40%) и подготовка формы (покрытие, обслуживание, ремонт).
Литье под низким-давлением. Параметры литья и температурный режим формы напрямую влияют на качество продукции (например, пористость, включения, деформация).
Очистка: включает удаление песка, резку ворот и стояков, рентгеновский-контроль и шлифовку. Эффективность и контроль размеров имеют решающее значение.
Термическая обработка: включает растворение, закалку и старение. Деформация при закалке является серьезной проблемой, требующей решения с помощью конструкции пресс-формы, оптимизации оснастки и корректировки процесса.
Последующая-обработка: в основном механическая обработка, очистка и сборка. Механическая обработка является узким местом: в основной практике используются горизонтальные пятиосные станки, на каждую деталь уходит около 30 минут.
3. Проблемы цельных полых подрамников
3.1 Внутренние проблемы
Основным препятствием для более широкого внедрения является стоимость, которая остается намного выше, чем у стальных подрамников, из-за низкой производительности, длительного времени цикла и использования сырья.
Выход продукта: Дефекты возникают в результате литья (например, пористость, усадка, включения, трещины) и термической обработки (например, деформация при закалке). Они недопустимы для-критических с точки зрения безопасности компонентов шасси. Решения включают очистку расплава, контроль температуры пресс-формы, оптимизацию литников и усовершенствование стратегии закалки.
Производственный цикл: LPDC обычно требует 360–420 секунд на отливку. Процесс очистки занимает 240–300 секунд на каждую деталь, а механическая обработка может занять 20–60 минут (в лучшем случае ~10 минут). Эти длинные циклы ограничивают пропускную способность.
Другие факторы: Использование материалов и гибкость производственной линии также играют роль. NEV часто требуют много-разнообразных продуктов в небольших-объемах, что снижает эффективность высокоавтоматизированных линий.
3.2 Конкурирующие технологии
Некоторые новые технологии создают как проблемы, так и возможности:
Интегрированное литье под давлением: объединение полых профилей и-оптимизированных по топологии корпусов в единую конструкцию, отлитую под высоким-вакуумным-вакуумом, что позволяет еще больше снизить вес и повысить производительность.
Электромагнитное литье: для наполнения расплава используются электромагнитные силы вместо давления газа, что обеспечивает точный контроль уровня, более высокий коэффициент использования материала и пригодность для крупных отливок.
Гибридное заливочное литье (HFC): сочетание газа и гидравлического давления для улучшения микроструктуры и устранения пористости, обеспечивая превосходное металлургическое качество и механические свойства.
3D--печатные песчаные стержни: используйте гибкие и недорогие-инструменты для прототипного или мелкосерийного-производства, сокращая первоначальные затраты на разработку.
3.3 Конкурентные стратегии
Согласно отраслевым данным, доля проникновения подрамников из алюминиевых сплавов, как ожидается, вырастет с 8% в 2020 году до более чем 30% к 2025 году, при этом доля интегральных полых конструкций вырастет с 5% до 28%. Возможность реализации этого потенциала зависит от стратегий в трех измерениях:
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>95% процент восстановления,<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
Процесс: LPDC обеспечивает стабильное наполнение и высокое металлургическое качество, обеспечивая прочность на разрыв 280–320 МПа, предел текучести 220–250 МПа и удлинение 6–8%, что подходит для компонентов безопасности шасси.
Структура: Полая конструкция сокращает количество этапов процесса и стоимость, обеспечивая при этом максимальную жесткость и прочность. Тонкостенные-секции квадратных труб демонстрируют самую высокую относительную жесткость и прочность среди типичных геометрий поперечного-секции.
4. Заключение
С ростом популярности NEV подрамники из алюминиевых сплавов,-особенно цельные полые варианты LPDC-, готовы к значительному росту рынка. Их структурные и технологические преимущества делают их высококонкурентными. Однако преодоление проблем, связанных с производительностью и продолжительностью производственного цикла, остается критически важным для снижения затрат и достижения широкого внедрения. Постоянные инновации в структуре и производстве станут ключом к будущей конкурентоспособности.
