Als ungefederte Massenkomponente kann die Gewichtsreduzierung des Hilfsrahmens mit relativ geringem Aufwand erhebliche Vorteile bringen. Unter den verschiedenen Material-, Struktur- und Prozessoptionen weisen integrierte hohle Niederdruckguss-Hilfsrahmen (LPDC) aus Aluminiumlegierung eine starke Wettbewerbsfähigkeit auf. In diesem Artikel werden die Vorteile und Herausforderungen integraler hohler Hilfsrahmen aus der Perspektive struktureller Eigenschaften, Herstellungsverfahren und innovativer Technologien vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt auf zwei Produktionsengpässen-nach-der Verarbeitung und Bearbeitung-sowie auf zwei Produktausbeuteengpässen-Niederdruckguss und Wärmebehandlung. Für jedes werden Lösungen vorgeschlagen. Abschließend werden die zukünftigen Entwicklungstrends und die Wettbewerbslandschaft von Hilfsrahmen prognostiziert.
Schlüsselwörter: Hilfsrahmen; Aluminiumlegierung; Integrierter Hohlraum; Engpass; Wettbewerbslandschaft
1. Hintergrund
Im letzten Jahrzehnt sind New Energy Vehicles (NEVs) aufgrund der Energiekrise und immer strengerer Vorschriften rasant gewachsen. Statistiken zeigen, dass die NEV-Penetration von 2014 bis 2023 von 0,3 % auf 31,6 % gestiegen ist. NEVs, insbesondere batterieelektrische Fahrzeuge, stehen jedoch vor erheblichen Herausforderungen in Bezug auf Ladung und Reichweite. Dadurch hat der Leichtbau einen nie dagewesenen Stellenwert erlangt.
Die Fahrzeugmasse wird in gefederte und ungefederte Masse unterteilt. Die gefederte Masse bezieht sich auf das Gewicht, das vom Federungssystem und den elastischen Elementen getragen wird, einschließlich der Karosserie, des Motors, des Getriebes und der Passagiere. Unter ungefederter Masse versteht man Komponenten, die nicht vom Federungssystem getragen werden, wie etwa Räder, Querlenker, Federn und Dämpfer. Als Kernkomponente der Aufhängung spielt der Hilfsrahmen eine entscheidende Rolle, und seine Gewichtsreduzierung kann sich mehrfach auf die Gesamtleistung des Fahrzeugs auswirken.
Der Hilfsrahmen, auch „Sub{0}}Chassis“ genannt, dient als Rückgrat für die Vorder- und Hinterachse. Es trägt die Achs- und Aufhängungsbaugruppen und verbindet sie mit dem Hauptrahmen des Fahrzeugs. Bei Personenkraftwagen mit Monocoque-Struktur verbindet der Hilfsrahmen die linken und rechten Aufhängungssysteme zu einer integrierten Einheit, wodurch die Verbindungssteifigkeit erhöht, Geräusche und Vibrationen isoliert und die NVH-Leistung verbessert werden. Darüber hinaus bietet es zusätzliche Lastpfade für das Crash-Energiemanagement und erhöht so die Fahrzeugsicherheit.
Traditionell bestehen Hilfsrahmen aus Stahl. Mit dem Streben nach Leichtbau und NEV-Einführung erleben Hilfsrahmen aus Aluminiumlegierungen ein rasantes Wachstum. Hilfsrahmen aus Aluminiumlegierungen können durch Stanzen, Hydroformen, Profilschweißen, Druckguss, Niederdruckguss oder Hybrid-Stahl-Aluminium-Verbindung hergestellt werden, wobei die Strukturtypen mehrteilige geschweißte Konstruktionen, integrierte Vollgusskonstruktionen und integrierte Hohlgusskonstruktionen umfassen.
2. Eigenschaften von Integral-Hohlrahmen
2.1 Einführung
Unter Berücksichtigung der Belastungsbedingungen, des Leichtbaus, der Kohlenstoffemissionen und der Kosten bietet der integrierte Hohlguss deutliche Vorteile. Erstens maximiert die Topologieoptimierung in der frühen Entwicklung -basierend auf Ladeanforderungen, Platzbedarf und Herstellungsmöglichkeit- die Gewichtsreduzierung. Zweitens bieten dünnwandige Hohlelemente bei gleicher Querschnittsfläche eine höhere spezifische Steifigkeit und Festigkeit. Drittens vermeiden Integralgussteile im Vergleich zu mehrteiligen geschweißten Hilfsrahmen Schweißnähte und die damit verbundene Verschlechterung der Wärmeeinflusszone. Schließlich ersetzt Integralguss Dutzende von Stanz- und Schweißvorgängen durch einen einzigen Formschritt, was die Entwicklungszyklen drastisch verkürzt und das Lieferkettenmanagement vereinfacht.
Integrale hohle Hilfsrahmen werden typischerweise über LPDC hergestellt. Sie zeichnen sich durch sechs charakteristische Merkmale aus:
Große Abmessungen (ca. . 1000–1200 mm × 800–1000 mm × 300–500 mm).
Dünnwandige Abschnitte mit einer Basiswandstärke von 4–5 mm (lokal bis zu 3,5 mm dünn).
Hohlräume, die große Sandkerne erfordern, erhöhen die Schwierigkeit bei der Kernherstellung.
Komplexe Querschnitte-mit erheblichen Wandstärkenschwankungen und mehreren Hotspots.
Zahlreiche Bearbeitungsfunktionen-sechs Flächen in X-, Y- und Z-Richtung, die 20+ Werkzeuge erfordern.
Einstufung als sicherheitskritische-Teile des Fahrgestells, mit Nulltoleranz für Ausfälle.
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Diese Eigenschaften stellen den gesamten Herstellungsprozess vor große Herausforderungen.
2.2 Herstellungsprozess
Die Herstellung integraler hohler Hilfsrahmen umfasst fünf Hauptmodule: Vorbereitung, Niederdruckguss, Reinigung, Wärmebehandlung und Nachbearbeitung.
Vorbereitung: Kernherstellung (anorganische Kerne werden aus Umweltschutzgründen immer beliebter), Legierungsschmelzen (unter Verwendung von A356, A356.2, AlSi7Mg, ZL101A mit weniger als oder gleich 40 % Recyclinganteil) und Formvorbereitung (Beschichtung, Wartung, Reparatur).
Nieder-Druckgießen: Gießparameter und Wärmemanagement der Form wirken sich direkt auf die Produktqualität aus (z. B. Porosität, Einschlüsse, Verformung).
Reinigung: Umfasst Sandentfernung, Anguss- und Steigrohrschneiden, Röntgeninspektion und Schleifen. Effizienz und Dimensionskontrolle sind entscheidend.
Wärmebehandlung: Umfasst Lösungsglühen, Abschrecken und Altern. Abschreckverzerrungen sind ein großes Problem, das durch Formdesign, Vorrichtungsoptimierung und Prozessanpassungen gemindert werden muss.
Nachbearbeitung: Hauptsächlich Bearbeitung, Reinigung und Montage. Der Engpass ist die maschinelle Bearbeitung. In der gängigen Praxis werden horizontale Fünf-Achsen-Maschinen verwendet, die etwa 30 Minuten pro Teil erreichen.
3. Herausforderungen integraler hohler Hilfsrahmen
3.1 Wesentliche Probleme
Das Haupthindernis für eine breitere Einführung sind die Kosten, die aufgrund der geringen Ausbeute, der langen Zykluszeiten und der Rohstoffausnutzung immer noch viel höher sind als bei Stahl-Hilfsrahmen.
Produktausbeute: Fehler entstehen durch Guss (z. B. Porosität, Schrumpfung, Einschlüsse, Risse) und Wärmebehandlung (z. B. Abschreckverzug). Diese werden in sicherheitskritischen Fahrwerkskomponenten nicht toleriert. Zu den Lösungen gehören die Reinigung der Schmelze, die Kontrolle der Formtemperatur, die optimierte Angussführung und die Verfeinerung der Abschreckstrategie.
Produktionszyklus: LPDC benötigt typischerweise 360–420 Sekunden pro Guss. Reinigungsvorgänge dauern pro Stück 240–300 Sekunden, während die Bearbeitung 20–60 Minuten dauern kann (im besten Fall ~10 Minuten). Diese langen Zyklen begrenzen den Durchsatz.
Weitere Faktoren: Materialauslastung und Flexibilität der Produktionslinie spielen ebenfalls eine Rolle. NEVs erfordern häufig Produkte mit mehreren{1}Vielfalt und geringem{2}}Volumen, was die Effizienz in hochautomatisierten Produktionslinien verringert.
3.2 Konkurrierende Technologien
Mehrere neue Technologien bieten sowohl Herausforderungen als auch Chancen:
Integrierter Druckguss: Kombination von Hohlprofilen und topologieoptimierten Schalen in einer einzigen Hochvakuum-Druckgussstruktur, was weitere Gewichtseinsparungen und Produktivitätssteigerungen ermöglicht.
Elektromagnetischer Guss: Nutzt elektromagnetische Kräfte anstelle von Gasdruck, um die Schmelzfüllung voranzutreiben, was eine präzise Füllstandskontrolle, eine höhere Materialausnutzung und die Eignung für große Gussteile bietet.
Hybrid Fill Casting (HFC): Kombiniert Gas- und Hydraulikdruck, um die Mikrostruktur zu verfeinern und Porosität zu beseitigen, wodurch eine hervorragende metallurgische Qualität und mechanische Eigenschaften erzielt werden.
3D--gedruckte Sandkerne: Ermöglichen Sie flexible und kostengünstige -Werkzeuge für die Prototypen- oder Kleinserienfertigung und reduzieren Sie so die Vorlaufkosten für die Entwicklung.
3.3 Wettbewerbsstrategien
Branchendaten zufolge soll der Anteil von Aluminiumlegierungs-Hilfsrahmen von 8 % im Jahr 2020 auf über 30 % im Jahr 2025 steigen, wobei integrierte Hohlkonstruktionen von 5 % auf 28 % steigen werden. Ob dieses Potenzial realisiert werden kann, hängt von Strategien in drei Dimensionen ab:
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>95 % Wiederherstellungsrate,<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
Prozess: LPDC sorgt für eine stabile Füllung und hohe metallurgische Qualität und liefert Zugfestigkeiten von 280–320 MPa, Streckgrenzen von 220–250 MPa und Dehnung von 6–8 %, geeignet für Fahrwerkssicherheitskomponenten.
Struktur: Das hohle Design reduziert Prozessschritte und Kosten und maximiert gleichzeitig Steifigkeit und Festigkeit. Dünnwandige Vierkantrohrabschnitte weisen unter den typischen Querschnittsgeometrien die höchste relative Steifigkeit und Festigkeit auf.
4. Fazit
Mit der zunehmenden Einführung von NEVs stehen Aluminiumlegierungs-Hilfsrahmen -insbesondere integrale hohle LPDC-Varianten- vor einem erheblichen Marktwachstum. Ihre Struktur- und Prozessvorteile machen sie äußerst wettbewerbsfähig. Allerdings bleibt die Bewältigung von Herausforderungen bei Ausbeute und Produktionszykluszeit von entscheidender Bedeutung, um die Kosten zu senken und eine breite Akzeptanz zu erreichen. Kontinuierliche Innovationen in Struktur und Fertigung werden der Schlüssel zur künftigen Wettbewerbsfähigkeit sein.
