隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的使用越來(lái)越多，因此對(duì)汽車(chē)的安全性、舒適性和環(huán)保性提出了更高要求。本文興迪源機(jī)械帶來(lái)【干貨】汽車(chē)輕量化之路，鎂合金在車(chē)身上的應(yīng)用研究。

這就使得更多的附加設(shè)備加入到汽車(chē)上，相應(yīng)的，汽車(chē)的總質(zhì)量也就增加了很多。而研究數(shù)據(jù)表明，汽車(chē)總質(zhì)量每減輕l0%，油耗可降低6%～7%。對(duì)空載而言，約70%的油耗是用在車(chē)身質(zhì)量上的，因此車(chē)身的輕量化不僅減輕了汽車(chē)質(zhì)量，而且提高了整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了污染。

除此之外，汽車(chē)的輕量化還可使得車(chē)輛操縱穩(wěn)定性和得到提升，使其更加穩(wěn)定。因此，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，輕量化技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展中起著重要作用。

汽車(chē)的輕量化是指應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，在確保汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，提高材料的利用率，減少冗余材料，以達(dá)到減輕車(chē)身質(zhì)量的目的，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

目前，汽車(chē)輕量化的主要途徑有兩個(gè)：一是采用輕量化材料，如鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等重量更輕、強(qiáng)度更高的新材料；二是采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，如有限元分析，局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化，以及對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等，從而最大限度減輕零部件的質(zhì)量。

鑒于此，本文采用鎂合金這種輕質(zhì)材料來(lái)替代鋼結(jié)構(gòu)，達(dá)到汽車(chē)輕量化的目的。

一、鎂合金材料及其在汽車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用：

鎂合金材料是現(xiàn)在機(jī)械工業(yè)上發(fā)展前景較好的金屬材料，因?yàn)殒V合金材料密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高，并且具有良好的加工和鑄造性能，加工后的尺寸可保持良好的穩(wěn)定性，具有良好的導(dǎo)熱性能。此外，鎂合金對(duì)振動(dòng)，沖擊的吸收性能好。將鎂合金、鋁合金、塑料以及鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能作對(duì)比，如表1。

由表1可知，鎂合金材料與其他幾種材料相比，它是屬于最輕的材料，并且其彈性模量較低，因此，在受到相同力的作用時(shí)，相對(duì)于其他的材料，鎂合金可吸收更多的振動(dòng)沖擊，起到減振、降噪的作用。

由于鎂合金比鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕，并且具有良好的力學(xué)性能，所以鎂合金適合在車(chē)身上使用，從而達(dá)到輕量化的目的。

從車(chē)身的整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)考慮，采用鋼結(jié)構(gòu)的前車(chē)身結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，因?yàn)槠?chē)的前車(chē)身是發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)倉(cāng)，為了匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)性能要求，它必須有合理的空間布置。

而且由于發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊工作環(huán)境，前車(chē)身的剛度、強(qiáng)度和疲勞性能等都要滿(mǎn)足一定的要求。

因此，使得采用鋼結(jié)構(gòu)的前車(chē)身結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，而這種復(fù)雜化必然會(huì)導(dǎo)致車(chē)身的工藝變得復(fù)雜，最終加重了前車(chē)身的質(zhì)量。所以，本文采用鎂合金替代前車(chē)身的鋼結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到整個(gè)車(chē)身輕量化的目的，如圖1所示。

替代之后，所替代部分鋼結(jié)構(gòu)的原始質(zhì)量為85.6kg，替代為鎂合金結(jié)構(gòu)后，其質(zhì)量降為35.4kg，質(zhì)量降低了50.2kg，因此其替代部分質(zhì)量降低百分比為58.6%。

車(chē)身輕量化貢獻(xiàn)率計(jì)算如式(1)。

式中：η為車(chē)身輕量化貢獻(xiàn)率；m1為替代部分的原始質(zhì)量；m2為替代后質(zhì)量；m總為替代后白車(chē)身的總質(zhì)量。

因此車(chē)身輕量化貢獻(xiàn)率為14.7%，具體如表2所示。

二、鎂合金制造技術(shù)與制造工藝優(yōu)勢(shì)：

1）鎂合金的制造加工技術(shù)

目前，鎂合金可采用壓鑄、擠壓鑄造、固態(tài)成型、半固態(tài)鑄造、注射成型等多種鑄造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)鎂合金制件，這些制造工藝給鎂合金應(yīng)用于車(chē)身提供了技術(shù)支持。

鎂合金的壓鑄技術(shù)主要包括真空壓鑄和充氧壓鑄兩種方式。

真空壓鑄是指在壓鑄過(guò)程中，利用鑄造金屬消除型內(nèi)空氣，以消除或減少壓鑄件內(nèi)的氣孔或孔隙，來(lái)提高壓鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量。

充氧壓鑄是指充型前將活性氣體沖入型腔來(lái)交換型腔內(nèi)的空氣，充型時(shí)利用活性氣體與金屬液反應(yīng)來(lái)消除鑄件內(nèi)氣體和氣孔。

鎂合金的擠壓鑄造是指采用較低的充型速度以及最小的擾動(dòng)使金屬液在高壓下凝固，從而獲得可進(jìn)行熱處理的高致密度鑄件的鑄造工藝。

鎂合金的半固態(tài)鑄造，對(duì)冷卻凝固過(guò)程中的金屬熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪動(dòng)，待熔體達(dá)到一定固相分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)其進(jìn)行壓鑄或擠壓成形，包括流變成型、觸變成型和注射成型。

2）鎂合金材料在工藝上的優(yōu)勢(shì)

由于鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，鑄件及加工尺寸精度高，可以壓鑄薄壁件以及比鋼鐵件更復(fù)雜的零件。因此，當(dāng)使用鎂合金材料代替鋼結(jié)構(gòu)前車(chē)身時(shí)，替代部分的零件數(shù)量就由原來(lái)的89個(gè)降為50個(gè)，因?yàn)槎鄠€(gè)零件可由一個(gè)壓鑄零件來(lái)替代，如圖2所示，這樣零件數(shù)量就會(huì)減少，從而優(yōu)化了加工工藝，簡(jiǎn)化了車(chē)身加工的加工工序。

在鎂合金的生產(chǎn)加工成本上，以前是處于較高的位置，因?yàn)殒V合金在使用壓鑄技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量廢料，而廢料中含有固液兩種形態(tài)，所以必須使用熔劑才能清理干凈，并且這個(gè)清理工藝也很復(fù)雜，這樣就大大加重了生產(chǎn)成本。然而，現(xiàn)在，利用無(wú)熔劑物理精煉方法，就消除了異地生產(chǎn)的困擾，從而使得鎂合金在性?xún)r(jià)比上也占有了較大的優(yōu)勢(shì)。

三、鎂合金車(chē)身在疲勞耐久性上的優(yōu)勢(shì)：

1）試驗(yàn)方法

對(duì)于車(chē)身的疲勞耐久性試驗(yàn)，采用影響最大的扭轉(zhuǎn)工況，利用臺(tái)架進(jìn)行虛擬耐久性試驗(yàn)，然后進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度分析?；驹囼?yàn)方法是：在車(chē)身臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置4個(gè)附著點(diǎn)，共4個(gè)通道，然后通過(guò)MSC/NASTRAN軟件在4個(gè)通道上施加扭轉(zhuǎn)力，再在分析軟件FEMFAT中進(jìn)行虛擬車(chē)身扭轉(zhuǎn)，循環(huán)次數(shù)為50000次，通過(guò)疲勞損傷累積法則計(jì)算車(chē)身疲勞損傷。

2）分析結(jié)果對(duì)比

1、鎂合金替代區(qū)域以外疲勞損傷值對(duì)比

由于試驗(yàn)過(guò)程中，有些區(qū)域的疲勞損傷值較小，省略對(duì)比，只進(jìn)行損傷值大于0.1區(qū)域的對(duì)比，其結(jié)果如表3所示。

從以上結(jié)果可知，當(dāng)使用了鎂合金之后，疲勞損傷最嚴(yán)重的位置是一致的，并且損傷值比之前大了0.008左右。因此，使用鎂合金并不會(huì)對(duì)汽車(chē)車(chē)身其他部位在疲勞耐久性上造成影響。

2、鎂合金替代區(qū)域的疲勞損傷值對(duì)比

同樣選取損傷值大的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

從以上結(jié)果可知，在使用了鎂合金之后，替代之后的結(jié)構(gòu)的疲勞損傷值小了很多，并且最大的損傷區(qū)域也是一致的。

因此，鎂合金的使用不僅達(dá)到了輕量化目的，而且，在使用后的車(chē)身疲勞耐久性上具有很大的優(yōu)勢(shì)，這就給鎂合金在汽車(chē)車(chē)身上應(yīng)用提供了很大支持，使得鎂合金在車(chē)身輕量化的道路上具有更好的發(fā)展前景。

目前，各國(guó)已有諸多針對(duì)汽車(chē)安全性能和排放標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)，強(qiáng)制規(guī)范汽車(chē)的安全和環(huán)保性能。因此，汽車(chē)車(chē)身的輕量化技術(shù)成為現(xiàn)代汽車(chē)開(kāi)發(fā)技術(shù)的一個(gè)重要課題。這篇文章主要經(jīng)過(guò)從材料、工藝方面的對(duì)比，可知，鎂合金能給汽車(chē)車(chē)身帶來(lái)了輕量化，并且簡(jiǎn)化了車(chē)身制造工藝，減小了生產(chǎn)制造成本。在性能方面，鎂合金的使用也給車(chē)身的疲勞耐久性帶來(lái)了很大優(yōu)勢(shì)。但是，鎂合金車(chē)身后期維修成本就比較高了。因?yàn)槠鋸椥员容^小、熔點(diǎn)較低，所以很難通過(guò)傳統(tǒng)鈑金定型，來(lái)進(jìn)行局部維修，如果強(qiáng)行修復(fù)會(huì)導(dǎo)致骨架斷裂，只能進(jìn)行分段切割整體更換。因此，鎂合金車(chē)身主要還是用于豪車(chē)身上。相信隨著科技的進(jìn)步，能克服鎂合金的材料缺陷，使得維修起來(lái)成本降低。

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