Những bộ phận ô tô nào được chế tạo bằng cách đúc? Hướng dẫn đầy đủ

Đúc là một trong những quy trình sản xuất được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp ô tô - hơn 70% tất cả các bộ phận kim loại trong xe chở khách thông thường được sản xuất thông qua một số hình thức đúc. Khối động cơ, đầu xi-lanh, vỏ hộp số, kẹp phanh, hộp vi sai, tay lái, ống nạp và trục bánh xe là một trong những bộ phận đúc quan trọng nhất trong ô tô hiện đại. Các thành phần này có chung một yêu cầu: hình học bên trong phức tạp, tính toàn vẹn cấu trúc cao và sản xuất hàng loạt hiệu quả về mặt chi phí - tất cả các thuộc tính mà quá trình đúc mang lại tốt hơn hầu hết các quy trình cạnh tranh.

Linh kiện động cơ được chế tạo bằng phương pháp đúc

Động cơ là hệ thống sử dụng nhiều vật đúc nhất trên bất kỳ loại xe nào. Các bộ phận của nó hoạt động dưới áp lực cơ học và nhiệt độ cực cao, đòi hỏi những vật liệu và hình dạng mà chỉ phương pháp đúc mới có thể sản xuất một cách đáng tin cậy trên quy mô lớn.

Khối động cơ

Khối động cơ là bộ phận đúc lớn nhất và phức tạp nhất trên ô tô. Nó chứa các lỗ xi ​​lanh, đường làm mát, đường dẫn dầu và ổ trục chính - tất cả đều được tạo thành trong một lần đúc. Theo truyền thống được sản xuất từ gang xám sử dụng phương pháp đúc cát, khối động cơ hiện đại ngày càng được sử dụng nhiều hợp kim nhôm (A380, A319 hoặc A356) đúc khuôn hoặc đúc khuôn bán cố định để giảm trọng lượng. Khối động cơ nhôm V8 điển hình có trọng lượng xấp xỉ 50–60 lb , so với 80–100 lb đối với một khối gang tương đương — việc giảm trọng lượng trực tiếp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.

Đầu xi lanh

Đầu xi lanh ngày nay hầu như được đúc từ hợp kim nhôm, thay thế cho đầu xi lanh thống trị trước những năm 1990. Bộ phận này chứa các cổng nạp và xả, buồng đốt, áo làm mát và đệm bệ van - hình dạng bên trong chỉ có thể đạt được thông qua đúc cát hoặc đúc mất bọt với lõi cát chính xác. Đầu xi lanh bằng nhôm làm giảm khối lượng nhiệt không bị bung, cải thiện thời gian khởi động và cho phép tỷ số nén cao hơn ở động cơ hiệu suất.

Trục khuỷu

Trong khi trục khuỷu hiệu suất cao được rèn, phần lớn trục khuỷu xe du lịch được đúc - chủ yếu từ gang dạng nốt (dẻo) sử dụng cát xanh hoặc quá trình đúc vỏ. Trục khuỷu đúc phù hợp cho hầu hết các ứng dụng động cơ sản xuất và rẻ hơn đáng kể so với trục khuỷu. Chi phí trục khuỷu bằng gang dẻo đúc 4 xi-lanh điển hình Sản xuất ít hơn 30–50% hơn thép rèn tương đương, khiến nó trở thành lựa chọn mặc định cho các loại xe phổ thông và tầm trung.

ống nạp

Các ống nạp trước đây được đúc từ nhôm bằng cách sử dụng khuôn cố định hoặc đúc khuôn. Ngày nay, nhiều ống góp được đúc phun từ vật liệu tổng hợp nylon để tiết kiệm trọng lượng hơn, nhưng ống nạp bằng nhôm đúc vẫn phổ biến trong các ứng dụng xe tải và hiệu suất trong đó khả năng chịu nhiệt và ổn định kích thước là ưu tiên hàng đầu.

Ống xả

Ống xả phải chịu được nhiệt độ liên tục vượt quá 900°C (1.650°F) và chu trình nhiệt nhanh. Gang - đặc biệt là các loại molypden silicon (SiMo) cao - là vật liệu chủ yếu, được sản xuất thông qua công nghệ xanh đúc cát . Một số ứng dụng hiệu suất cao sử dụng thép không gỉ đúc hoặc gang kháng Ni để có khả năng chống oxy hóa vượt trội.

Chảo dầu và nắp hẹn giờ

Chảo dầu động cơ trên xe tải lớn hơn và xe hiệu suất cao thường được đúc từ nhôm, mang lại độ cứng và khả năng tích hợp các vách ngăn và khay gió. Vỏ định thời thường được đúc bằng nhôm để bịt kín mặt trước của khối động cơ và chứa phốt trục khuỷu.

Bộ phận truyền động và truyền động

Vỏ và hộp truyền động

Vỏ hộp số tự động và số tay là một trong những vật đúc phức tạp nhất về mặt hình học trên ô tô. Họ phải xác định chính xác vị trí các lỗ ổ trục, đường hầm trục và mặt lắp thân van với dung sai của ±0,05 mm hoặc chặt hơn . Đúc khuôn nhôm là quy trình chủ yếu, với các hộp truyền động điển hình dành cho xe khách có trọng lượng 10–18 kg . Đúc khuôn áp suất cao (HPDC) cho phép thời gian chu kỳ dưới 2 phút cho mỗi bộ phận, rất cần thiết cho sản xuất khối lượng lớn.

Trường hợp vi phân và sóng mang

Hộp vi sai (vỏ bánh răng nhện) và giá đỡ được đúc từ sắt dạng nốt hoặc hợp kim nhôm trong các ứng dụng xe nhẹ hơn. Các bộ phận này phải chịu được tải trọng mô-men xoắn và lực phản ứng bánh răng đáng kể trong khi vẫn duy trì hình dạng ổ trục chính xác. Hộp vi sai bằng sắt dạng nốt trong xe tải dẫn động cầu sau thường được đúc bằng cát và được đánh giá có công suất mô-men xoắn vượt quá 500 Nm .

Trường hợp chuyển nhượng nhà ở

Xe dẫn động bốn bánh và tất cả các bánh cần có hộp chuyển số để phân chia mô-men xoắn giữa trục trước và trục sau. Vỏ hộp chuyển được đúc khuôn từ hợp kim nhôm, tích hợp mặt bích lắp, ổ trục và đường hầm trục đầu ra thành một khối duy nhất - hợp nhất những gì nếu không sẽ cần nhiều bộ phận được gia công và hàn.

Linh kiện đúc hệ thống phanh

Kẹp phanh

Kẹp phanh được đúc từ gang xám hoặc hợp kim nhôm (đúc khuôn A380). Thước kẹp bằng gang là tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe sản xuất do chi phí thấp và khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Kẹp phanh bằng nhôm - được sử dụng trên các loại xe hiệu suất cao và xe sang trọng - cung cấp Giảm 40–50% trọng lượng hơn chất sắt tương đương, giảm trọng lượng không có lò xo và cải thiện cảm giác phanh. Lỗ khoan piston bên trong và các đường chất lỏng được hình thành trong quá trình đúc và được hoàn thiện bằng cách gia công để đạt được dung sai lỗ khoan ±0,013 mm .

Trống phanh

Trống phanh cho hệ thống phanh tang trống phía sau được đúc từ sắt xám (ASTM A159 Cấp G3000 hoặc G3500), được chọn nhờ đặc tính giảm chấn tuyệt vời giúp giảm tiếng kêu của phanh và khả năng phân phối nhiệt ma sát trên thành trống. Trống phanh sau điển hình của xe tải nhẹ có trọng lượng 7–12 kg và được sản xuất thông qua quá trình đúc cát xanh nằm ngang.

Rôto phanh (đĩa)

Rôto phanh hầu như chỉ được đúc từ gang xám, với hình dạng cánh bên trong (đối với rôto thông gió) được hình thành bởi lõi cát trong quá trình đúc. Cấu trúc vi mô than chì của sắt xám mang lại khả năng dẫn nhiệt và giảm ma sát tuyệt vời. Một số rôto hiệu suất sử dụng các biến thể bằng hỗn hợp gốm-cacbon hoặc gang được khoan/có rãnh, nhưng vật liệu cơ bản vẫn là vật liệu đúc trong hầu hết các trường hợp.

Thân xi lanh chính

Thân xi lanh phanh chính, có tác dụng chuyển lực bàn đạp thành áp suất thủy lực, được đúc khuôn từ nhôm. Lỗ khoan, ông chủ lắp bình chứa và các lối đi cổng đều được hình thành trong quá trình đúc, sau đó được gia công hoàn thiện theo dung sai chính xác thủy lực.

Bộ phận đúc và hệ thống lái

tay lái

Khớp lái (bộ phận mang trục chính) kết nối trục bánh xe với hệ thống treo và hệ thống lái. Nó phải chịu được tải trọng đa trục phức tạp do phanh, vào cua và va chạm trên đường. Theo truyền thống đúc từ sắt dẻo , đốt ngón tay hiện đại ngày càng được sử dụng nhiều khuôn nhôm cố định hoặc đúc khuôn áp suất thấp để tiết kiệm trọng lượng lên tới 40% . Các thương hiệu sang trọng như BMW và Audi đã sử dụng tay nắm bằng nhôm từ đầu những năm 2000; việc áp dụng chính thống đã tăng tốc trong những năm 2010.

Kiểm soát cánh tay và xương đòn

Tay điều khiển trên và dưới trong các loại xe hiệu suất và hạng sang được đúc từ hợp kim nhôm sử dụng phương pháp đúc khuôn trọng lực hoặc đúc ép. Đúc ép tạo ra các đặc tính cơ học gần như rèn bằng cách tạo áp suất trong quá trình hóa rắn, loại bỏ độ xốp - rất quan trọng đối với các bộ phận an toàn của hệ thống treo. Xe hạng phổ thông thường sử dụng cần điều khiển bằng thép có tem; nhôm đúc là cao cấp.

Vỏ bánh lái

Vỏ bánh răng và giá lái trợ lực được đúc khuôn từ nhôm, tích hợp lỗ khoan thanh răng, điểm lắp đầu thanh giằng và các bộ phận lắp động cơ điện hoặc thủy lực. Lỗ khoan phải được gia công để đạt được dung sai gần nhất sau khi đúc để đảm bảo thanh răng di chuyển trơn tru.

Trục bánh xe và giá đỡ vòng bi

Trục bánh xe - mang ổ trục, rôto và bánh xe - được đúc từ sắt dạng nốt trên hầu hết các phương tiện sản xuất, cung cấp độ bền cần thiết để xử lý tải trọng hướng tâm và hướng trục của bánh xe. Một số loại xe hiệu suất cao sử dụng trục nhôm được rèn hoặc đúc để giảm trọng lượng không có lò xo.

Các thành phần kết cấu và thân đúc

Nút kết cấu nhôm và tháp sốc

Một xu hướng ngày càng tăng trong kiến trúc xe hiện đại là việc sử dụng khuôn đúc nhôm lớn làm nút cấu trúc thay thế nhiều thành phần thép được dập và hàn. Phương pháp "Gigacasting" của Tesla, được giới thiệu với Model Y vào năm 2020, sử dụng một khung đúc gầm phía sau duy nhất thay thế 70 bộ phận được đóng dấu riêng lẻ và bị loại bỏ 700 mối hàn . Vật đúc thu được nặng khoảng 66 kg và giảm chi phí sản xuất gầm xe phía sau ước tính 40% . Các nhà sản xuất ô tô khác bao gồm Volvo, Toyota và General Motors cũng đã công bố các chiến lược đúc kết lớn tương tự.

Khung phụ và Giá đỡ

Khung phụ phía trước và phía sau trên các loại xe sang trọng và hiệu suất cao đôi khi được đúc từ nhôm thay vì chế tạo từ ống thép. Các khung phụ bằng nhôm đúc cho phép hình học gân bên trong phức tạp giúp tối ưu hóa tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng và chúng có thể tích hợp các trùm gắn động cơ, điểm đón hệ thống treo và giá đỡ lái trong một bộ phận duy nhất.

Quy trình đúc được sử dụng trong sản xuất ô tô

Các quy trình đúc khác nhau được lựa chọn dựa trên độ phức tạp của bộ phận, tính chất cơ học cần thiết, khối lượng sản xuất và vật liệu. Ngành công nghiệp ô tô sử dụng một số phương pháp đúc riêng biệt:

Vật liệu được sử dụng trong đúc ô tô

Việc lựa chọn vật liệu đúc quyết định trọng lượng, độ bền, khả năng chịu nhiệt và giá thành của bộ phận. Ngành công nghiệp ô tô sử dụng bốn vật liệu đúc chính:

• Gang xám - được sử dụng rộng rãi nhất cho rôto phanh, tang trống, ống xả; giảm xóc tuyệt vời và khả năng gia công; mật độ ~7,2 g/cm³
• Sắt dạng nốt (dẻo) - dùng cho trục khuỷu, hộp vi sai, tay lái; độ bền kéo lên đến 800 MPa ; vượt trội so với sắt xám về khả năng chống va đập
• Hợp kim nhôm (A380, A319, A356, A357) - chiếm ưu thế ở khối động cơ, đầu xi lanh, hộp truyền động, các nút kết cấu; mật độ ~2,7 g/cm³ so với 7,8 g/cm³ đối với thép - cho phép Tiết kiệm trọng lượng 65% trên các bộ phận sắt tương đương
• Hợp kim magiê (AZ91D, AM60B) - được sử dụng cho khung bảng điều khiển, vỏ hộp chuyển, nắp van; Nhẹ hơn 33% so với nhôm ; giới hạn chi phí cao cấp áp dụng rộng rãi
• Hợp kim kẽm (dòng Zamak) - đối với các bộ phận nhỏ, chính xác: tay nắm cửa, vỏ khóa, thân bộ chế hòa khí; khả năng chi tiết cực kỳ tốt trong đúc khuôn

Tham khảo đầy đủ: Các bộ phận đúc chính của ô tô theo hệ thống

Tại sao quá trình đúc lại chiếm ưu thế trong sản xuất phụ tùng ô tô

Đúc vẫn là quy trình chủ đạo cho các bộ phận kim loại ô tô vì nó đáp ứng duy nhất một số yêu cầu kỹ thuật đồng thời:

• Hình học bên trong phức tạp — các đường dẫn chất làm mát, các đường dẫn dầu và các kết cấu rỗng không thể đạt được bằng cách rèn hoặc gia công từ vật liệu rắn
• Hợp nhất một phần - một lần đúc có thể thay thế các cụm gồm 10–70 bộ phận được đóng dấu và hàn riêng lẻ, giảm trọng lượng, chi phí và thời gian lắp ráp
• Hiệu quả vật liệu — vật đúc gần dạng lưới giúp giảm việc loại bỏ vật liệu gia công xuống còn 5–20% khối lượng bộ phận so với lên tới 80% đối với một số thành phần được gia công từ phôi
• Kinh tế khối lượng lớn — chi phí dụng cụ đúc khuôn từ $200.000–$2.000.000 cho mỗi công cụ được khấu hao trên hàng trăm nghìn bộ phận, đưa chi phí mỗi bộ phận xuống thấp hơn bất kỳ quy trình cạnh tranh nào về số lượng
• Linh hoạt lựa chọn vật liệu — mục đích thiết kế tương tự có thể được thực hiện bằng sắt, nhôm, magie hoặc kẽm bằng cách thay đổi hợp kim và quy trình, cho phép tối ưu hóa nền tảng trên các phân khúc xe

Sự chuyển đổi của ngành sang xe điện đang thúc đẩy sự đổi mới về đúc thay vì làm giảm đi nó. Vỏ pin EV, vỏ động cơ và vỏ biến tần hiện được sản xuất dưới dạng khuôn đúc nhôm lớn, áp dụng các nguyên tắc tương tự đã chi phối việc đúc hệ thống truyền động trong hơn một thế kỷ cho kiến trúc mới của phương tiện giao thông điện khí hóa.