バネ下質量コンポーネントであるサブフレームを軽量化すると、比較的少ない労力で大きなメリットが得られます。さまざまな材料、構造、プロセスのオプションの中でも、アルミニウム合金一体型中空低圧ダイカスト (LPDC) サブフレームは、強力な競争力を示しています。-本稿では、一体型中空サブフレームの利点と課題を、構造的特徴、製造プロセス、革新技術の観点から紹介します。これは、2 つの生産ボトルネック-後処理-および機械加工-と、製品収率の 2 つのボトルネック-低圧鋳造と熱処理-）に焦点を当てています。それぞれに解決策を提案します。最後に、サブフレームの将来の開発傾向と競争環境を予測します。
キーワード: サブフレーム;アルミニウム合金;一体型の中空。ボトルネック。競争環境
1. 背景
過去 10 年間、エネルギー危機とますます厳しくなる規制によって、新エネルギー車 (NEV) は急速に成長しました。統計によると、2014 年から 2023 年にかけて、NEV の普及率は 0.3% から 31.6% に急増しました。しかし、NEV、特にバッテリー式電気自動車は、充電と航続距離において大きな課題に直面しています。これにより、軽量設計がこれまでにないレベルで重要視されるようになりました。
車両の質量はバネ上質量とバネ下質量に分けられます。バネ上質量とは、サスペンション システムと、ボディ、エンジン、トランスミッション、乗員などの弾性要素によって支えられる重量を指します。バネ下質量とは、ホイール、サスペンションアーム、スプリング、ダンパーなど、サスペンションシステムによってサポートされていないコンポーネントを指します。サブフレームはサスペンションの核となるコンポーネントとして重要な役割を果たしており、サブフレームを軽量化することで車両全体のパフォーマンスに多大な効果をもたらすことができます。
サブフレームは「サブシャーシ」とも呼ばれ、前車軸と後車軸のバックボーンとして機能します。{0}アクスルとサスペンション アセンブリをサポートし、それらを車両のメイン フレームに接続します。モノコック構造の乗用車では、サブフレームが左右のサスペンション システムを一体ユニットに接続し、それにより接続剛性が向上し、騒音や振動が遮断され、NVH 性能が向上します。さらに、衝突エネルギー管理のための補助的な荷重経路を提供し、車両の安全性を高めます。
従来、サブフレームは鋼製でした。軽量化とNEV採用の推進により、アルミニウム合金サブフレームは急速に成長しています。アルミニウム合金サブフレームは、スタンピング、ハイドロフォーミング、異形溶接、ダイカスト、低圧鋳造、または鋼とアルミニウムのハイブリッド接合によって製造でき、構造タイプには多部品溶接、一体型中実鋳造、一体型中空鋳造設計などがあります。-
2. 一体型中空サブフレームの特徴
2.1 はじめに
荷重条件、軽量化、炭素排出量、コストを考慮すると、一体型中空鋳造には明確な利点があります。まず、開発の初期段階で-負荷要件、パッケージング スペース、製造の実現可能性に基づいてトポロジを最適化することで、-軽量化を最大化します。第 2 に、断面積が等しい場合、薄肉の中空部材はより高い比剛性と強度を実現します。-第三に、複数の部品を溶接したサブフレームと比較して、一体鋳造により溶接継ぎ目やそれに関連する熱影響部の劣化が回避されます。-最後に、一体鋳造により、数十回のスタンピングおよび溶接作業が 1 つの成形ステップに置き換えられ、開発サイクルが大幅に短縮され、サプライ チェーン管理が簡素化されます。
一体型中空サブフレームは通常、LPDC によって製造されます。これらには次の 6 つの特徴があります。
大きな寸法（約 . 1000 – 1,200 mm × 800 – 1,000 mm × 300 – 500 mm）。
-底壁の厚さが 4～5 mm の薄肉セクション（局所的には 3.5 mm の薄さ）。
中空のキャビティには大きな砂中子が必要であり、中子の作成が困難になります。-
肉厚のばらつきが大きく、複数のホットスポットがある複雑な断面。-
数多くの加工機能があり、-X、Y、Z 方向に 6 つの面があり、20+ ツールが必要です。
シャーシの安全性が重要な部品として分類されており、{0}故障に対する許容度はゼロです。
1.
これらの特性は、製造プロセス全体を通じて重大な課題を引き起こします。
2.2 製造工程
一体型中空サブフレームの製造には、準備、低圧鋳造、洗浄、熱処理、後処理という 5 つの主要なモジュールが含まれます。-
準備：中子作成（環境上の理由から無機中子が主流になりつつあります）、合金溶解（リサイクル含有量40％以下のA356、A356.2、AlSi7Mg、ZL101Aを使用）、金型準備（コーティング、メンテナンス、修理）。
低圧鋳造: 鋳造パラメータと金型の熱管理は、製品の品質 (気孔率、介在物、変形など) に直接影響します。
洗浄: 砂の除去、ゲートとライザーの切断、X 線検査、研削が含まれます。-効率と寸法管理が重要です。
熱処理：溶体化、焼入れ、時効処理が含まれます。焼入れ歪みは、金型設計、治具の最適化、プロセス調整による軽減が必要な大きな問題です。
-後処理: 主に機械加工、洗浄、組み立て。機械加工がボトルネックとなっており、横型 5 軸機械を使用する主流の手法では、部品ごとに最大 30 分を要します。-
3. 一体型中空サブフレームの課題
3.1 本質的な問題
広範な採用に対する主な障害はコストであり、低い歩留まり率、長いサイクル時間、および原材料の使用率により、コストは依然として鋼製サブフレームよりもはるかに高くなっています。
製品歩留まり: 欠陥は、鋳造 (例: 気孔率、収縮、介在物、亀裂) および熱処理 (例: 焼き入れ歪み) から発生します。これらは、安全性が重要なシャーシ コンポーネントでは許容されません。-ソリューションには、溶融精製、金型温度制御、最適化されたゲート、および急冷戦略の改良が含まれます。
生産サイクル: LPDC は通常、鋳造ごとに 360 ～ 420 秒かかります。洗浄プロセスには 1 個あたり 240 ～ 300 秒かかりますが、機械加工には 20 ～ 60 分（最良の場合は 10 分程度）かかる場合があります。このような長いサイクルにより、スループットが制限されます。
その他の要因: 材料の利用と生産ラインの柔軟性も重要な役割を果たします。 NEV は多くの場合、多品種かつ少量の製品を要求するため、高度に自動化されたラインでは効率が低下します。{{1}
3.2 競合技術
いくつかの新興テクノロジーは、課題と機会の両方をもたらします。
一体型ダイカスト: 中空プロファイルとトポロジーが最適化されたシェルを単一の高真空ダイカスト構造に結合{{0}し、さらなる軽量化と生産性の向上を可能にします。{1}{1}{2}
電磁鋳造: ガス圧力の代わりに電磁力を使用して溶融充填を推進し、正確なレベル制御、材料利用率の向上、および大型鋳造への適合性を提供します。
ハイブリッドフィル鋳造 (HFC): ガスと油圧を組み合わせて微細構造を微細化し、気孔を除去し、優れた冶金品質と機械的特性を生み出します。
3D- プリント砂中子: プロトタイプまたは小規模バッチ生産のための柔軟で低コストのツール-を実現し、初期開発コストを削減します。-
3.3 競争戦略
業界データによると、アルミニウム合金サブフレームの普及率は 2020 年の 8% から 2025 年までに 30% 以上に上昇し、一体型中空設計は 5% から 28% に増加すると予想されています。この可能性を実現できるかどうかは、次の 3 つの側面にわたる戦略に依存します。
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>回収率95%、<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
プロセス: LPDC は安定した充填と高い冶金品質を保証し、シャーシの安全コンポーネントに適した 280 ～ 320 MPa の引張強度、220 ～ 250 MPa の降伏強度、6 ～ 8% の伸びを実現します。
構造: 中空設計により、剛性と強度を最大化しながら、プロセスのステップとコストが削減されます。薄肉の角管セクションは、一般的な断面形状の中で最も高い相対剛性と強度を示します。-
4. 結論
NEV の導入が加速しているため、アルミニウム合金サブフレーム-特に一体型中空 LPDC タイプ-は、市場の大幅な成長に向けて準備が整っています。構造上およびプロセス上の利点により、高い競争力が得られます。しかし、コストを削減し、広く普及させるためには、歩留まりと生産サイクルタイムの課題を克服することが依然として重要です。構造と製造における継続的な革新が将来の競争力の鍵となります。
