轻量化一直是汽车车身发展的主旋律。既要有强度,也要减轻重量,使用铝挤出型材成为较理想的方案之一。 汽车很多部位都可以选用铝型材, 比如侧门槛梁铝型材。
铝挤压门槛梁概述
铝挤压门槛梁主要在侧围内板与门槛内板之间的空腔内。大多门槛梁铝挤压型材具有多型腔、截面大、壁厚薄特点,同时强度和精度要求高。铝合金具有质量轻、强度高、易加工、耐腐蚀、导电好、可回收等优点。其密度仅2700kg/m3,是铁的1/3,具有显著的轻量化效果,其高强度、耐腐蚀等特性有效提升车身性能,所以铝合金作为优选材料被大量应用在车身上。
铝挤出门槛作为车身最重要的零件在侧碰中起到至关重要的作用,在整车一定速度的碰撞之下冲击变形达到吸收能量的效果,以此来保证乘客的安全,并在新能源车上担任着保证电池包壳体安全的职责,避免因侧碰时底板变形较大导致电池包壳体变形从而挤压模组产生失效起火等风险。
而型材截面的内侧加强筋设计以及材料的工艺对碰撞结果起着至关重要的作用。
铝型材挤压的生产方式是将铝合金置入挤压桶并施加一定压力,使之从特定的模孔中流出,从而获得所需的截面形状和尺寸的一种加工方法。通过对铝棒、挤压模、挤压桶分别加热,使原材料和模具均达到合适的温度范围,便于挤压成型。挤压机对铝棒施加压力,使铝合金从挤压模孔中流出形成特定截面,通过在线风冷、水冷系统进行淬火,由牵引机夹持型材向前牵引,并通过锯切设备切断型材,通过校直机将型材校直拉伸,成品定尺锯切后装框进行时效处理,最后进行CNC、阳极氧化、电泳等深加工。
铝挤压门槛梁结构分类
根据实际结构及性能需求,铝挤压门槛梁分为整体式和局部式,整体式门槛梁结构又分为带止口结构与无止口结构。
止,从字面上理解是停止、禁止、限制的意思,而在产品结构上通常表示限位的意思(即限制零件的移动,主要是对X轴和Y轴的限位,Z轴方向的限位通常通过螺丝或者卡扣之类的联接结构限位),由于其在结构上是一对凹凸结构,有点像人合上的嘴巴,所以称为止口。
整体式为从A柱到C柱为贯穿前后的挤压门槛梁。
▲极氪001整体式门槛梁结构示意图
局部式结构为在侧围与门槛内板空腔内增加一根从B柱区域到A柱区域的挤压门槛梁,具体长度受碰撞及性能分析来进行设计优化。
▲沃尔沃XC90局部式门槛梁结构示意图
▲小鹏P7局部式门槛梁结构示意图
整体式挤压门槛梁带止口结构为门槛梁断面含上部止口结构,此种结构更多应用在全铝车身上,止口处通过SPR实行连接。
SPR连接技术通过大压力将铆钉直接压入待铆接板材,使板材在铆钉的压力作用下和铆钉发生塑性变形,成型后充盈于铆模之中,形成稳定连接。这一过程包括定位、夹紧、施压、刺穿、变形和成型几个步骤,最终铆钉与上下层板材之间形成牢固的机械互锁结构。SPR连接技术不仅适用于铝-铝、铝-钢及非金属材料夹层的连接,还可实现最大五层、10mm以内的板件铆接。
整体式挤压门槛梁无止口结构主要应用在周边零件材料为钢的车身结构,在满足强度及性能的前提下,降低连接工艺复杂性。
门槛梁连接工艺
整体式门槛梁与侧围内外板及前后纵梁连接,下部与电池框架连接,实现电池安装,因挤压门槛梁为封闭的空间结构。
侧围、门槛内板与门槛梁的连接主要通过FDS实现连接,门槛梁有止口结构的在止口区域采用SPR实现连接。
流钻螺钉(FDS)工艺是一种通过设备中心拧紧轴将电机的高速旋转传导至待连接板料摩擦生热产生塑性形变后,自攻丝并螺接的一种冷成型工艺,简称FDS。
优点是单面操作、可连接材质种类多、连接强度高、抗震能力好、螺钉可拆卸及工作环境清洁。
FDS连接工艺过程包括六个阶段:旋转(加热)→穿透→通孔→攻螺纹→拧螺纹→紧固
门槛梁与前后纵梁主要通过FDS及螺接实现连接(螺接对于前后纵梁为铸件结构为必选连接工艺),也有部分车型使用CMT连接(特斯拉)
电弧焊占焊接生产总量的60%以上,而其中的MIG/MAG焊是目前世界上应用最广泛、最经济的焊接工艺。但MIG焊的热输入量对于铝板来说还是过大,特别是薄板,而在此基础上开发的CMT冷金属过渡弧焊,其热输入量几乎为零,可以很好的实现超薄板的焊接。
门槛梁与电池框架通过螺栓连接,实现电池安装固定,门槛梁内部会增加螺母板,螺母板预先将螺母凸焊到螺母板上,然后通过抽芯铆钉将螺母板与门槛梁实现连接。
局部式门槛梁通过设计支架间接实现门槛梁与车身连接,支架一侧与车身焊接,另一侧则通过铆接实现与门槛梁连接。继而实现门槛梁与车身连接。
铝合金作为完成整车轻量化的优选材料,在整车设计时起到了至关重要的作用。对于承载和碰撞吸能都优于其他材料,随着车身结构及材料的发展,铝挤压门槛梁对于轻量化、结构、成本、性能是目前比较优选的方案。