NXS铝悬架的开发

NXS铝悬架的开发主要内容作为提高汽车行驶性能的手段，必须要车体的轻量化，跑车对行驶性能的要求特别高。NSX为了追求作为跑车的性能，目标是彻底的轻量化，尽可能地适用铝材料。本篇论文对悬架系统铝制的零部件，特别重点报告以下的内容。①各零部件的强度要求特性的解析和按照特性要求选定零部件的制造方法。②在保证市场的可靠性上，把握底盘零部件不可欠缺的市场环境上的材料强度劣化情况。③实用高品质大型的薄型铸件的制造的新铸造法④以冷锻造为主体的铝锻造技术。首言近年随着客户需求的多样化，跑车从只是单单追求行驶的车，逐渐地转变到追求包括安全性能·操纵性能·舒适性能，还有经济性能的高性能且整体取得良好的平衡的车。在这样的状况中，跑车NSX的动力性能当然不用说了，兼具的其他所有性能都作为着眼点来进行开发。动力性能、操纵性能都是作为提高轻量化的手段，轻量化最有效果的方法可考虑置换材料、简略结构、缩小尺寸等等多种的研究方法。NSX在强度、刚度、实绩可靠性等等的层面上最为优秀，不损坏基本的功能，置换材料为铝的材料可以达到车辆重量的轻量化。本论文除了车辆重量的轻量化以外，对提高操纵稳定性也有效果的悬架系统零部件的铝化技术也进行了报告。图1NSX铝悬架的零部件2铝制的零部件NSX的悬架构造采用跑车悬架代表性的双叉臂形式。为了充分发挥设计·构造上卓越的特性，包括副车架在内的悬架系统的零部件几乎都设法适用铝材料。在图1中表示的是NSX使用铝制悬架的主要零部件。铝制悬架的总重量，包含在图1中所显示的零部件，底盘整体的重量约为100kg。3铝制的效果接下来叙述悬架系统的零部件铝化的轻量化设计、轻量化的重量。3.1轻量化设计的思维方式底盘系统零部件的铝化在进行轻量化上，重要的是要确保强度和刚度。通过铝化达到的轻量化率和强度·刚度的相关数据在表1以及图2中表示。这些铁制的零部件置换成铝合金时，各个的杨氏模量、强度、密度按照以下的假定，算出的结果。1）形状：相似的形状2）入力：弯曲、固定的力矩3）刚度：统一铁制以及铝合金制的零部件的杨氏模量*截面2次力矩4）强度：刚度相等时需要的强度5）重量：截面面积*载荷支点距离*密度根据这些，把铁制的零部件换成铝合金制作，因为A356-T6材料的疲劳强度，设计相等的强度，可确保超过铁制零部件的刚度。而且，这时的最大轻量化率（在确保与铁制零部件同等的强度·刚度基础上的轻量化率）为39%。锻造6061也同样达到31%的轻量化率。但是，实际的产品铝合金化后，结果由于截面形状被扩大，受到制造方法的制约变少，根据各部位的功能可设计出最合适的零部件，得到了轻量化。具体使用FEM解析，对各种轻量化形状，预先测定实车的入力，比较各部件的变化、应力的平衡，在允许的极限内算出形状。在图3、4中显示用模型解析出来的结果。图中的箭头为入力点，外形线是表示入力前后的转向节的各个形状。表1铁制零部件与铝制零部件的比较例图2最大轻量化曲线3.2轻量化在表2中表示的是NSX实施了铝化后的悬架系统零部件的制作方法·材料以及重量。这些零部件以前用钢铁材料制造时的重量和这次使用铝材料的轻量化的重量·比率同时在表2中显示。同钢铁材料比较，重量约50kg，比率达到了49.5%的轻量化。图3前转向节的NASTRAN解析图4前转向节的NASTRAN解析（AL轻量化品）（现有的Fe零部件）表2NSX悬架系统零部件铝化的轻量化效果和材料·制造方法4、铝悬架系统零部件的材料以及制造方法4.1材料·制造方法的选定在表3里表示底盘系统零部件的要求特性和这次采用的材料·制造方法的优劣性比较。材料使用在耐腐蚀性、强度、韧性上有良好的配合的A356(铸造材料)、6061（锻造材料）、5182（冲压材料）。每个零部件的材料·制造方法在表2中表示。表3适用于铝制底盘零部件的材料·制造方法的特征4.2材料强度的长期可靠性底盘系统的零部件，特别应该考虑的一个材料特性是在有腐蚀和破裂伤痕等等的使用环境下，强度会下降。由于是一直都在高应力下使用的零部件，所以要从长期可靠性方面充分确认材料的强度。在图5里模拟A356材料和6061材料的市场环境，在腐蚀和破裂伤痕的双重条件下，表示材料强度的劣化特性。根据这个结果，作为强度设计、劣化后的强度基准。图5根据市场模拟实验比较在腐蚀和裂痕的双重破坏下的疲劳以及静态的强度低下接下来在图6中表示铸铁材料和这次采用的铝材料在腐蚀的环境下的疲劳强度特性。铸铁材料经过长期的腐蚀，强度持续低下，但铝的两个材料跟铸铁材料比较都容易保证长期的可靠性。图6根据市场模拟实验比较在腐蚀和破裂伤痕的双重破坏下的疲劳强度特性4.3程序控制模具重力的铸造法（PGM-GDC）铝的铸造重点是要防止铸造的缺陷（缩孔、气孔等）和结晶粒径极细小。为此，无论对于哪种形状，指向性凝固和迅速冷却都是必须的，开发了比原来的方式更加高的再现性，可管理的程序控制模具重力铸造法，也将这方法实用了。这个控制法像是正确地描绘出从预先准备的试验中得到的最适合的冷却曲线那样由放置在模具内的热电偶发出的信号连续地控制管理冷却媒的流量。这个控制根据零部件形状、注入的金属熔液量等1处~多处同时进行，零部件分别设定最适合的冷却曲线。在图7中表示自然冷却法、强制冷却法（ON/OF控制）以及程序控制法的时间和模具温度变化的比较。用其他的冷却方式容易成为问题，由于金属熔液温度、注入金属熔液时的模具温度、冷却水温等多种温度而发生冷却速度混乱的情况，此控制方式原理上不会发生此类问题。通过此控制做出的结晶粒都很细微，铸件整体都具有均等的高强度高韧性。把使用同样的模具进行程序控制和不进行程序控制做出来的产品切割出来做试验，比较材料的特性如图8和图9所示。提高特性和减少偏差在所有的项目都已经被承认。图7各阶段的模具温度比较图8PGM-GDC的材料特性图9PGM-GDC的疲劳强度用此铸造方法的代表性的零部件如图10~12所示。图10强度、品质可靠性要求高的[KNUCKLE]、图11是大型薄型的[REARBEAM]、然后，图12是复杂骨架结构的[FRONTCROSSBEAMBRACKET]。4.4锻造NSX使用的铝锻造零部件是通过热锻造和冷锻造制造出来的。一般的这两个过程的特征在表4中有表示。从这个表中可以知道，复杂形状的，悬架臂类的中~大型的零部件采用热锻造，橡胶衬套的内衬/外衬的金属类等等的小零件是采用冷锻造。NSX臂类的零部件目的是尽可能轻量化，采用的是复杂的骨架结构。考虑在让轻量化和生产性均能成立的基础上，减少像表5那样的成型变形，改善成品率等各种方法手段。表4热锻和冷锻的特性比表5热锻的改良技术以前用热锻造需要非常复杂工程的零部件现在通过核实的形状设计和采用冷锻造，可大幅度地削减工程。如图13所显示的例子。通过这样，[BASE]和[SHAFT]可一体成型，可以废止焊接加工，这样的话角度精度提高了10倍，强度也提高了约20%。制造零部件的例子如图14~16中所示。图14是热锻造的后[LOWERARM]，图15是冷锻造的[BRACKETBPIVOTCOMPLIANCE]，图16是通过冷锻造减少加工的橡胶衬套的内衬/外衬的金属类。5后记NSX的悬架系统零部件的铝制化，简单地来说，在前言也叙述过，除了悬架以外，所有的部位都使用铝。结果车整体达到了200kg的轻量化，加速性能、转向性能等，作为跑车的特性得到了大幅度地提高。证明了通过铝可以实现汽车的轻量化。图13通过冷锻造缩短工程的例子（BRACKETBPIVOTCOMPLIANCE）然而，由于NSX属于跟大众车有些不同的特殊车辆，对于今后铝的适用扩大到大量的生产车，还需考虑各种各样的问题解决。成本、生产性，甚至是报废后回收方面今后的研讨项目涉及许多方面。现在由于以地球环境问题而发端的提高燃油经济，排气限制的法律法规等等，汽车的轻量化受到了很大的关注。其中的一个解决方法可以说NSX的铝轻量化技术表示了一个很大的方向性。今后，需要考虑尽早地地解决成为铝扩大化的弊害的各种各样的问题点。