アルミニウム高圧ダイカストのリアフレームレールへの応用

本要約は、['European Mechanical Science'] に掲載された ['アルミニウム高圧ダイカストのリアフレームレールへの応用 (Aluminium High Pressure Die Casting Application on Rear Frame Rails)'] 論文に基づいて作成されました。

1. 概要：

• タイトル：アルミニウム高圧ダイカストのリアフレームレールへの応用 (Aluminium High Pressure Die Casting Application on Rear Frame Rails)
• 著者：イブラヒム・オズバイ、タメル・アイディナー、ギュルカン・イルマズオール、ハフィゼ・セリク、レベント・アクセル、ハルン・イェニ、メテハン・バイラムオール、エルデム・アイドムス (Ibrahim Ozbay, Tamer Aydiner, Gürkan Yilmazoglu, Hafize Celik, Levent Aksel, Harun Yeni, Metehan Bayramoglu, Erdem Aydogmus)
• 発行年：2019年
• 発行ジャーナル/学会：ヨーロピアン・メカニカル・サイエンス (European Mechanical Science)
• キーワード：リアレール強化サポートブラケット (Rear Rail Reinforcement Support Bracket)、Al合金 (Al Alloy)、高圧ダイカスト (High Pressure Die Casting)、車体 (Body In White, BIW)

2. 概要または序論

自動車産業における競争の激化と環境規制の強化により、自動車メーカーは従来の鋼鉄などの構造材料の代わりに、より高い機械的特性と軽量化性能を備えた材料を使用する傾向にあります。アルミニウム合金は鋼鉄よりも3倍軽量であるため、この用途の良い例です。アルミニウムは優れた耐久性能を持つため、車体構造設計への使用が提案されており、適切な形状と熱処理を適用することで、機械的特性は構造部品に有効となります。鋳造プロセスは、トポロジー最適化を可能にし、板金プレスに比べて強度と重量の比率が優れる、より複雑な形状を作成できます。リアレール強化サポートブラケットは、トポロジー最適化されたアルミニウムダイカスト部品を適用できる車体構造 (Body In White) の最も適切な部品の1つです。従来の強化サポートブラケットでは、必要な剛性と耐久性を確保するために複数の鋼板プレス部品が使用されており、設計、成形性、および組立の観点から、より複雑な構造となっています。本研究では、既存のソリューションと同等の性能を得るために、高圧鋳造法によって設計および製造された新しい部品を研究します。さらに、より優れた機械的特性を得るために、さまざまな熱処理をテストし、最適な熱処理サイクルを決定しました。新しい設計は、仮想検証ツールを使用して既存の設計と比較され、比較結果が提示されています。

3. 研究背景：

研究テーマの背景：

自動車産業における安全基準の強化により、新世代の車両の車体構造は、衝突時の構造的完全性とエネルギー吸収能力を向上させる必要があります。同時に、新たな環境規制により、炭素排出量も削減する必要があります。エンジンとトランスミッションの効率、車両重量、空気力学、転がり抵抗は、炭素排出量と燃料消費量に影響を与える主要な要因です。車両重量を100kg削減すると、kmあたり9gのCO₂削減効果が得られます。したがって、車両重量の削減は、CO₂排出量削減のための最も効果的な手段であり、同時に安全性、走行品質、および全体的な性能を維持するために不可欠です。自動車構造は車両総重量の約40％を占めるため、車体構造の軽量化は、燃費向上、有害排出物の削減、および原材料の節約を達成するための重要な方法です。

既存研究の現状：

車体重量の削減のために、アルミニウム、マグネシウム、複合材料などのさまざまな設計手法と革新的な材料オプションが模索されています。アルミニウムは、コスト効率、加工性、耐食性、リサイクル性、および自動車産業での広範な使用により、車体重量の削減に最も適した材料として強調されています。アルミニウム合金は、自動車用途において鋼鉄よりも、低密度（鋼鉄の7.87 gr/cm³に対して2.7g/cm³）、単位重量あたりのより高い衝撃エネルギー吸収、およびラジエーターコアや熱交換器の用途に役立つ優れた熱伝導率など、いくつかの利点を提供します。

研究の必要性：

現在の車両設計では、リアサスペンションサポートブラケットは通常、総重量2.7kgの3枚の鋼板で構成されています。これらの部品は、多数のスポット溶接と構造用接着剤で接合されており、車両重量と製造コストの増加につながっています。性能と安全性を維持または向上させながら、重量とコストを削減するための代替材料と製造プロセスの探求が必要です。

4. 研究目的と研究課題：

研究目的：

本研究の主な目的は、構造性能と安全性を損なうことなく、軽量化とコスト効率を達成するために、アルミニウム合金と高圧ダイカストを使用してリアレールサスペンションサポートブラケットを再設計することです。

主要な研究課題：

主要な研究課題は、以下の点に焦点を当てています。

• アルミニウム合金と高圧ダイカストを使用した一体型リアサスペンションサポートブラケットの設計。
• 剛性を最大化し、重量を最小化するためのトポロジー最適化による設計の最適化。
• 望ましい機械的特性を得るためのアルミニウムダイカストブラケットの最適な熱処理の決定。
• 新しいアルミニウムダイカストブラケットの性能を仮想解析によって検証し、耐衝撃性、耐久性、およびNVH（騒音、振動、ハーシュネス）特性の点で既存の鋼鉄ブラケットソリューションと比較。

研究仮説：

本研究では、以下の仮説を設定します。

• アルミニウム高圧ダイカストリアサスペンションサポートブラケットは、既存の多部品鋼鉄ブラケットと同等またはそれ以上の構造性能を達成できる。
• 再設計されたアルミニウムブラケットは、鋼鉄ブラケットと比較して大幅な軽量化をもたらすだろう。
• 最適化された熱処理は、アルミニウムダイカストブラケットの機械的特性を向上させ、構造用自動車用途に適したものにするだろう。

5. 研究方法：

研究デザイン：

本研究では、設計と検証のアプローチを採用しています。当初は、サスペンション接続部の荷重条件に基づいてアルミニウムブラケットの最適な設計を生成するために、トポロジー最適化を利用しました。最適化のための設計空間は、U字型断面部材内で定義されました。有限要素法（FEM）は、サスペンションジョイントポイントにX、Y、Z方向に単位荷重を印加してトポロジー最適化に使用されました。

データ収集方法：

本研究では、主に性能評価のために仮想検証ツールを利用しています。Silafont-36アルミニウム合金の材料特性とさまざまな熱処理に関する実験データを使用して、仮想シミュレーションを実行しました。

分析方法：

以下の仮想分析手法を使用しました。

• 鋳造解析： 金型充填および凝固シミュレーションを実施して、多孔性や変形などの潜在的な鋳造欠陥を特定し、ゲートおよび冷却システム設計を最適化しました。
• 仮想検証：
  • 後方衝突性能（TRIAS 33）： TRIAS 33後方衝突シナリオに従ってシミュレーションを実施し、鋼鉄ブラケットと比較してアルミニウムブラケットの構造的完全性と変形挙動を評価しました。
  • 疲労性能： 反復衝撃荷重下でのアルミニウムブラケットの疲労寿命を評価するために疲労解析を実施しました。
  • モーダル解析性能： アルミニウムブラケットを装着した車両のNVH特性、特に固有振動数と動的剛性を評価するためにモーダル解析を実施しました。
  • ねじり-曲げ剛性性能： アルミニウムブラケットを装着した車両のねじりおよび曲げ剛性を評価し、鋼鉄ブラケットと比較しました。

研究対象と範囲：

本研究は、乗用車のリアサスペンションサポートブラケットに焦点を当てています。研究対象の材料は、高圧ダイカストで加工されたSilafont-36（AlSi10MnMg）アルミニウム合金です。範囲は、設計、材料選択、熱処理最適化、およびアルミニウムダイカストブラケットの仮想検証を含みます。

6. 主な研究成果：

主要な研究成果：

• 軽量化： アルミニウムダイカストリアサスペンションサポートブラケットは、鋼鉄ブラケットアセンブリと比較して、車両あたり約3.0kgの軽量化を達成しました。
• スポット溶接の削減： 新しい設計は、既存の鋼鉄ブラケットと比較して、約35％のスポット溶接接合部を削減しました。
• 材料選定と熱処理： Silafont-36アルミニウム合金とT6熱処理が、強度と伸びのバランスを提供する最適な材料および熱処理の組み合わせとして選定されました。T6熱処理には、520℃での溶体化処理、急冷、および180℃での人工時効硬化が含まれます。
• 鋳造解析： 鋳造シミュレーションは、多孔性および変形のリスクを軽減するための設計変更、追加の冷却ラインと複数のゲートを備えた金型設計の最適化に貢献しました。
• 仮想検証：
  • 後方衝突性能（TRIAS 33）： TRIAS 33シミュレーションは、アルミニウムブラケットに対して満足のいく後方衝突性能を示し、鋼鉄ブラケットと比較して否定的な結果は示されませんでした（FIG.11 Rear impact virtual analysis result - bottom view）。
  • 疲労性能： 疲労解析は、重要な領域での設計最適化により、アルミニウムブラケットの疲労寿命性能が向上したことを実証しました（FIG.12 Fatigue Life Analysis）。
  • モーダル解析性能： モーダル解析の結果、アルミニウムブラケットを使用した場合、車両のねじりモードがわずかに増加（〜0.5 Hz）し、この点でNVH特性が向上したことを示しています（Fig.13 NVH analysis for suspension joint point）。
  • ねじり-曲げ剛性性能： アルミニウムブラケットを使用した場合、車両のねじりモードが3〜5％増加し、ねじり剛性が向上したことを示唆しています。

提示されたデータの分析：

図とグラフに提示されたデータは、アルミニウムダイカストブラケットの効果を実証しています。図6は、さまざまな熱処理条件下でのSilafont-36の降伏強度と伸びを示しており、T6条件が適切な選択であることを強調しています。図7は、T6熱処理サイクルの概略図を示しています。図8と9は、それぞれ多孔性および変形解析と金型充填および凝固解析を示す鋳造解析の結果を示しています。図11、12、13は、後方衝突、疲労寿命、およびNVH性能に関する仮想検証の結果を示しており、アルミニウムブラケットが鋼鉄製の対応部品と比較して同等または向上した性能を示すことを示しています。チャート1は、Silafont-36の化学組成を詳細に示し、チャート2は、さまざまな熱処理に関する実験的研究のパラメータと結果を要約しています。

図のリスト：

• FIG.1 リアサスペンションと車体接続の実験手順 (Connection of Rear Suspension to Body experimental procedure)
• FIG.2 リアサスペンションサポートブラケットの表示と組立の詳細 (Rear Suspension Support Brackets Display and Assembling Details)
• FIG.3 トポロジー最適化と最終設計 (The Topology Optimization and Final Design)
• FIG.4 U字型車体アームとサスペンションジョイントポイントの現在のモデル、設計空間モデル (Current model, design space model in U-section body arm and Suspension Joint Point.)
• FIG.5 固定方法と断面図 (Fixing Method and Section View)
• FIG.6 さまざまな熱処理状態におけるSilafont-36の降伏強度と伸び [6] (Silafont-36 Yield strength and elongation in various heat treatment states [6])
• FIG.7 T6熱処理の概略図（温度と時間は、材料、設計、および要件の種類によって異なる場合があります） (T6 heat treatment schematic representation (temperatures and durations may vary depending on the type of material, design and requirements))
• FIG.8 多孔性と変形解析および設計 (Porosity and Distortion Analysis and of Design)
• FIG.9 金型充填と凝固解析および設計 (Mold Filling and Solidification Analysis and of Design)
• FIG.10 TRIAS 33検証のための車両後方衝突条件 (Rear Impact Condition of the Vehicle for TRIAS 33 Validation)
• FIG.11 後方衝突仮想解析結果 - 下面図 (Rear impact virtual analysis result - bottom view)
• FIG.12 疲労寿命解析 (Fatigue Life Analysis)
• FIG.13 サスペンションジョイントポイントNVH解析 (NVH analysis for suspension joint point)
• FIG. 14 BIWモデルのねじり-曲げ剛性解析 (Torsional- Bending Stiffness Analysis in BIW model)

7. 結論：

主な調査結果の要約：

本研究は、自動車BIW構造のリアサスペンションサポートブラケットの製造にアルミニウム高圧ダイカストを使用することの実現可能性を実証することに成功しました。Silafont-36合金で作られ、T6熱処理を施された再設計されたアルミニウムブラケットは、従来の鋼鉄アセンブリと比較して、車両あたり3.0kgの大幅な軽量化と35％のスポット溶接削減を達成しました。仮想検証により、アルミニウムブラケットは、耐衝撃性、疲労寿命、およびNVH特性の点で鋼鉄ブラケットの性能を満たすか、またはそれを上回ることが確認されました。

研究の学術的意義：

本研究は、自動車工学における軽量化に関する知識基盤を拡大することに貢献し、特に構造部品へのアルミニウム高圧ダイカストの応用を実証しています。高性能ダイカスト部品を設計および検証する上でのトポロジー最適化と仮想検証の有効性を強調しています。また、本研究は、構造用自動車用途におけるアルミニウム合金の材料選択と熱処理最適化に関する貴重な洞察を提供します。

実用的な意味合い：

本研究の結果は、自動車産業に大きな実用的な意味合いを持っています。アルミニウム高圧ダイカストリアサスペンションサポートブラケットの成功した実装は、以下につながる可能性があります。

• 車両重量の削減、燃費の向上とCO₂排出量の削減に貢献。
• 一体型設計とスポット溶接の削減による組立プロセスの簡素化と製造コストの削減。
• 向上した車両性能とNVH特性。
• 自動車構造におけるリサイクル可能なアルミニウム合金の利用増加、持続可能性の促進。

研究の限界と今後の研究分野：

本研究は主に仮想検証に依存しています。今後の研究では、実際の条件下でのアルミニウムダイカストブラケットの性能をさらに検証するために、物理的なプロトタイプ作成と実験的テストを含める必要があります。設計および製造プロセスをさらに最適化するために、さまざまなアルミニウム合金、鋳造プロセスパラメータ、および接合技術に関するさらなる調査も検討できます。使用条件下でのアルミニウムブラケットの長期的な耐久性と耐食性については、さらなる調査が必要です。

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9. 著作権：

• 本資料は、「イブラヒム・オズバイ、タメル・アイディナー、ギュルカン・イルマズオール、ハフィゼ・セリク、レベント・アクセル、ハルン・イェニ、メテハン・バイラムオール、エルデム・アイドムス」の論文：「アルミニウム高圧ダイカストのリアフレームレールへの応用」に基づいています。
• 論文ソース：https://doi.org/10.26701/ems.422299

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