Como um componente de massa não suspensa, a redução do peso do chassi auxiliar pode gerar benefícios significativos com esforço relativamente baixo. Entre várias opções de materiais, estruturais e de processo, os chassis auxiliares fundidos sob pressão-ocos integrais em liga de alumínio demonstram forte competitividade. Este artigo apresenta as vantagens e desafios dos chassis auxiliares ocos integrais do ponto de vista das características estruturais, processo de fabricação e tecnologias inovadoras. Ele se concentra em dois gargalos de produção-pós-processamento e usinagem-bem como em dois gargalos de rendimento do produto-fundição-de baixa pressão e tratamento térmico. Soluções são propostas para cada um. Finalmente, são previstas as tendências futuras de desenvolvimento e o cenário competitivo dos chassis auxiliares.
Palavras-chave: Subchassi; Liga de alumínio; Oco integral; Gargalo; Cenário competitivo
1. Antecedentes
Ao longo da última década, impulsionados pela crise energética e por regulamentações cada vez mais rigorosas, os novos veículos energéticos (NEVs) cresceram rapidamente. As estatísticas mostram que de 2014 a 2023, a penetração de NEV aumentou de 0,3% para 31,6%. No entanto, os NEV, especialmente os veículos elétricos a bateria, enfrentam desafios significativos no carregamento e na autonomia. Isto colocou o design leve em um nível de importância sem precedentes.
A massa do veículo é dividida em massa suspensa e não suspensa. Massa suspensa refere-se ao peso suportado pelo sistema de suspensão e elementos elásticos, incluindo carroceria, motor, transmissão e passageiros. Massa não suspensa refere-se a componentes não suportados pelo sistema de suspensão, como rodas, braços de suspensão, molas e amortecedores. Como componente central da suspensão, o chassi auxiliar desempenha um papel crucial e, ao torná-lo mais leve, pode proporcionar efeitos multiplicados no desempenho geral do veículo.
O chassi auxiliar, também chamado de "sub-chassi", serve como espinha dorsal dos eixos dianteiro e traseiro. Suporta os conjuntos de eixo e suspensão, ligando-os ao chassi principal do veículo. Em veículos de passageiros com estruturas monocoque, o chassi auxiliar conecta os sistemas de suspensão esquerdo e direito em uma unidade integrada, aumentando assim a rigidez da conexão, isolando ruídos e vibrações e melhorando o desempenho de NVH. Além disso, fornece caminhos de carga suplementares para gestão da energia em colisões, aumentando a segurança do veículo.
Tradicionalmente, os chassis auxiliares são feitos de aço. Com o impulso para a redução de peso e a adoção de NEV, os chassis auxiliares de liga de alumínio estão experimentando um rápido crescimento. As subestruturas de liga de alumínio podem ser fabricadas por estampagem, hidroformação, soldagem de perfil, fundição sob pressão, fundição de baixa{2}}pressão ou união híbrida de aço-alumínio, com tipos estruturais incluindo projetos de soldagem de múltiplas-peças, fundição sólida integral e fundição oca integral.
2. Características dos Subchassi Ocos Integrais
2.1 Introdução
Considerando as condições de carga, peso leve, emissões de carbono e custo, a fundição oca integral oferece vantagens distintas. Primeiro, a otimização da topologia no desenvolvimento inicial-com base nos requisitos de carregamento, no espaço de empacotamento e na viabilidade de fabricação-maximiza a redução de peso. Em segundo lugar, sob áreas-de seção transversal iguais, membros-ocos com paredes finas proporcionam maior rigidez e resistência específicas. Terceiro, em comparação com chassis auxiliares soldados de várias-peças, as peças fundidas integrais evitam cordões de solda e a degradação da zona-afetada pelo calor relacionada. Finalmente, a fundição integral substitui dezenas de operações de estampagem e soldagem por uma única etapa de conformação, encurtando drasticamente os ciclos de desenvolvimento e simplificando o gerenciamento da cadeia de suprimentos.
Os chassis auxiliares ocos integrais são normalmente produzidos via LPDC. Eles apresentam seis características definidoras:
Dimensões grandes (aproximadamente. 1000–1.200 mm × 800–1.000 mm × 300–500 mm).
Seções-de paredes finas, com espessura de parede de base de 4 a 5 mm (localmente tão fina quanto 3,5 mm).
Cavidades ocas que exigem grandes núcleos de areia, aumentando a dificuldade de{0}fabricação de núcleos.
Seções transversais-complexas com variação significativa de espessura de parede e vários pontos quentes.
Vários recursos de usinagem-seis faces nas direções X, Y e Z, exigindo 20+ ferramentas.
Classificadas como peças críticas-de segurança do chassi, com tolerância zero a falhas.
1.
Essas características representam desafios significativos em todo o processo de fabricação.
2.2 Processo de Fabricação
A fabricação de chassis auxiliares ocos integrais inclui cinco módulos principais: preparação, fundição-de baixa pressão, limpeza, tratamento térmico e pós{1}}processamento.
Preparação: Fabricação de núcleos (núcleos inorgânicos estão se tornando comuns por razões ambientais), fusão de ligas (usando A356, A356.2, AlSi7Mg, ZL101A com conteúdo reciclado menor ou igual a 40%) e preparação de moldes (revestimento, manutenção, reparo).
Fundição-de baixa pressão: os parâmetros de fundição e o gerenciamento térmico do molde afetam diretamente a qualidade do produto (por exemplo, porosidade, inclusões, deformação).
Limpeza: envolve remoção de areia, corte de comporta e riser, inspeção-por raio X e retificação. A eficiência e o controle dimensional são críticos.
Tratamento térmico: Inclui solubilização, têmpera e envelhecimento. A distorção de têmpera é um problema importante que requer mitigação por meio de projeto de molde, otimização de acessórios e ajustes de processo.
Pós{0}}processamento: principalmente usinagem, limpeza e montagem. A usinagem é o gargalo, com a prática convencional usando máquinas horizontais de cinco-eixos, atingindo aproximadamente 30 minutos por peça.
3. Desafios dos Subchassi Ocos Integrais
3.1 Questões Intrínsecas
O principal obstáculo para uma adoção mais ampla é o custo, que permanece muito mais elevado do que os chassis auxiliares de aço devido às baixas taxas de rendimento, longos tempos de ciclo e utilização de matéria-prima.
Rendimento do produto: Os defeitos surgem da fundição (por exemplo, porosidade, retração, inclusões, rachaduras) e do tratamento térmico (por exemplo, distorção por têmpera). Eles não são tolerados em componentes{5}}críticos de segurança do chassi. As soluções incluem purificação do fundido, controle da temperatura do molde, controle otimizado e refinamento da estratégia de têmpera.
Ciclo de produção: o LPDC normalmente requer de 360 a 420 segundos por fundição. Os processos de limpeza levam de 240 a 300 segundos por peça, enquanto a usinagem pode exigir de 20 a 60 minutos (na melhor das hipóteses, cerca de 10 minutos). Esses longos ciclos restringem o rendimento.
Outros fatores: A utilização de materiais e a flexibilidade da linha de produção também desempenham um papel. Os NEVs geralmente exigem produtos de-variedade e baixo{2}}volume, o que reduz a eficiência em linhas altamente automatizadas.
3.2 Tecnologias Concorrentes
Várias tecnologias emergentes apresentam desafios e oportunidades:
Fundição sob pressão integrada: combinação de perfis ocos e invólucros{0}}otimizados para topologia em uma única estrutura fundida sob pressão de alto-vácuo-, permitindo maior economia de peso e ganhos de produtividade.
Fundição eletromagnética: utiliza forças eletromagnéticas em vez de pressão de gás para impulsionar o enchimento do fundido, oferecendo controle de nível preciso, maior utilização de material e adequação para peças fundidas grandes.
Fundição de Preenchimento Híbrido (HFC): Combina gás e pressão hidráulica para refinar a microestrutura e eliminar a porosidade, produzindo qualidade metalúrgica e propriedades mecânicas superiores.
Núcleos de areia-impressos em 3D: permitem ferramentas flexíveis e de baixo-custo para produção de protótipos ou pequenos-lotes, reduzindo os custos iniciais de desenvolvimento.
3.3 Estratégias Competitivas
De acordo com dados da indústria, espera-se que a penetração do chassi auxiliar em liga de alumínio aumente de 8% em 2020 para mais de 30% em 2025, com designs ocos integrais crescendo de 5% para 28%. A concretização deste potencial depende de estratégias em três dimensões:
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>taxa de recuperação de 95%,<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
Processo: O LPDC garante enchimento estável e alta qualidade metalúrgica, proporcionando resistência à tração de 280–320 MPa, limites de escoamento de 220–250 MPa e alongamento de 6–8%, adequado para componentes de segurança de chassis.
Estrutura: O design oco reduz as etapas do processo e os custos, ao mesmo tempo que maximiza a rigidez e a resistência. Seções de tubos quadrados com paredes-finas demonstram a maior rigidez relativa e resistência entre as geometrias-de seção transversal típicas.
4. Conclusão
Com a adoção acelerada de NEVs, os chassis auxiliares de liga de alumínio-particularmente as variantes LPDC ocas integrais-estão preparados para um crescimento significativo do mercado. Suas vantagens estruturais e de processo os tornam altamente competitivos. No entanto, superar os desafios no rendimento e no tempo do ciclo de produção continua a ser fundamental para reduzir custos e alcançar a adoção generalizada. A inovação contínua na estrutura e na produção será a chave para a competitividade futura.
