2.4 铝合金挤压型材的设计

2.4.1 铝挤压零件的设计准则

对汽车工程师来说，在很多部位都可以考虑使用铝挤压型材。在设计上，铝挤压型材可以很容易地形成复杂的形状，同时挤压型材的模具便宜、尺寸精度高，且集成度高。但是在需要变截面的场合，铝型材就不适用了，这也是设计上的一个局限性。不过从总体来说，铝型材给设计工程师带来了足够的设计和想象空间，而较少受制于传统工艺和材料的局限性。

铝合金具有很多有价值的特性，如易于回收，从而降低了生命周期成本；重量轻，因此降低了运输成本；而挤压工艺则可以满足多种功能性要求。汽车零部件设计中首先要考虑的是产品满足功能性要求并具有较好的综合效益，而铝合金型材件便可以满足多种汽车产品所需的技术要求。汽车工程师需要从功能角度，彻底分析该零件需承担什么样的功能：零件基本功能是什么？具有哪些基本形状和尺寸？与周边零件的匹配连接要求是什么？对强度模态有什么要求？对耐蚀性、表面质量的要求是什么？除了依靠工程师自身的经验和对标其他同类产品的设计选型，还可以借助CAE仿真优化来实现以最小的重量和成本来满足零部件要求。

在汽车上，很多零部件逐渐将传统钣金冲压件替换为铝挤压型材件，从而更好地满足设计需求以及实现轻量化和降低综合成本。白车身上常见的铝合金型材替代钣金冲压件有前后防撞梁、前后纵梁、座椅横梁和门槛梁。挤出的铝型材截面不需要通过切边等机加工就可以满足尺寸和形状要求。在重量上，铝型材防撞梁比钢冲压防撞梁减重20%以上。

如图2-18所示，传统的钢材门槛梁由4个钢板冲压件通过焊点连接在一起，而更换为挤压型材门槛梁，零件数量减少为1个，既减少了连接工序和费用，又实现了更高的结构强度以提升侧碰耐撞性，且缩短了交货时间。在车辆遭受来自侧面冲击时，门槛梁和B柱等零部件共同保护乘员的安全。门槛梁结构对白车身、整车的刚度模态也有重要的作用。在纯电动汽车中，电池包一般布置在前地板的下部、门槛梁的内侧。因为电池包在受到冲击时内部元器件猛烈撞击导致电池破损容易导致起火，所以门槛梁的设计至关重要。特别是在侧碰和斜柱碰时，门槛梁的弯曲变形不能侵占电池包的安全距离，因此门槛梁结构强弱对电池包的安全影响较大。部分车型如日产LEAF，门槛梁采用钢板焊接而成，动力电池门槛梁留了较大的安全距离。而特斯拉Model S的门槛梁采用了铝型材件，动力电池的安装支耳直接装配在门槛梁上，从而增大了电池布置空间，增加了电池容量，提高了续驶里程。

为了开发出良好的汽车用铝型材零件，满足功能的同时具有良好的工艺性，如图2-19所示，需考虑以下的一些设计注意事项：

以下因素会影响汽车铝型材件的经济性，需要设计师在设计时予以考虑：①产品形状和重量；②铝合金材料和热处理状态；③尺寸公差；④表面粗糙度。

产品的形状和重量是产品单价和模具价格的主要决定因素。通常，实心挤压比半空心挤压更经济，半空心挤压比空心挤压更经济；对称截面形状比不对称截面形状更经济。但是如果复杂的截面形状可以带来更少的零件、更轻的重量，那么综合成本也会更低。铝合金材料和热处理状态选择主要考虑零件的性能要求、单价和模具费用，以最经济性的选择来满足性能要求。尺寸公差需满足行业标准的型材要求（GB/T 14846—2014《铝及铝合金挤压型材尺寸偏差》），通常，采用高精度型材所产生的费用比较高，因此，要严格考量特殊公差尺寸要求的必要性，以减少不必要的成本。表面粗糙度要求也会增加单件成本和包装运输费用，但一般来说，汽车上的铝型材件在这方面不做特殊要求。

此外，铝合金型材件因其材料的力学性能特性，与钢相比，在碰撞中更容易出现材料失效（如撕裂）的情况，特别是在烧焊的热影响区域。图2-20所示的前防撞梁总成，拖钩套筒和前防撞横梁烧焊、吸能盒和前防撞横梁烧焊在碰撞时都出现了断裂或撕裂。因此，在对型材零件的材料和截面进行设计后，要经过仿真和试验来验证结构性能是否满足要求。另外，在关键碰撞传力区域的铝合金件连接，要尽量避免或者减少使用烧焊工艺。图2-21所示的防撞梁总成的吸能盒与防撞横梁及纵梁的连接采用了分段式焊接，可以降低失效的概率。