隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會的迅猛發(fā)展，人們對汽車的使用越來越多，因此對汽車的安全性、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【干貨】汽車輕量化之路，鎂合金在車身上的應(yīng)用研究。

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

除此之外，汽車的輕量化還可使得車輛操縱穩(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)在汽車工業(yè)的發(fā)展中起著重要作用。

汽車的輕量化是指應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，在確保汽車的強(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)到減輕車身質(zhì)量的目的，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

目前，汽車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)，來優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車的結(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)材料來替代鋼結(jié)構(gòu)，達(dá)到汽車輕量化的目的。

一、鎂合金材料及其在汽車車身上的應(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，鎂合金對振動，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)，相對于其他的材料，鎂合金可吸收更多的振動沖擊，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身上使用，從而達(dá)到輕量化的目的。

從車身的整個(gè)結(jié)構(gòu)來考慮，采用鋼結(jié)構(gòu)的前車身結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，因?yàn)槠嚨那败嚿硎前l(fā)動機(jī)的機(jī)倉，為了匹配發(fā)動機(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)動機(jī)的特殊工作環(huán)境，前車身的剛度、強(qiáng)度和疲勞性能等都要滿足一定的要求。

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

車身輕量化貢獻(xiàn)率計(jì)算如式(1)。

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

因此車身輕量化貢獻(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：

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)來生產(chǎn)鎂合金制件，這些制造工藝給鎂合金應(yīng)用于車身提供了技術(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，對冷卻凝固過程中的金屬熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪動，待熔體達(dá)到一定固相分?jǐn)?shù)時(shí)對其進(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

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)前車身時(shí)，替代部分的零件數(shù)量就由原來的89個(gè)降為50個(gè)，因?yàn)槎鄠€(gè)零件可由一個(gè)壓鑄零件來替代，如圖2所示，這樣零件數(shù)量就會減少，從而優(yōu)化了加工工藝，簡化了車身加工的加工工序。

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價(jià)比上也占有了較大的優(yōu)勢。

三、鎂合金車身在疲勞耐久性上的優(yōu)勢：

1）試驗(yàn)方法

對于車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：在車身臺架試驗(yàn)的試驗(yàn)臺上設(shè)置4個(gè)附著點(diǎn)，共4個(gè)通道，然后通過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)行虛擬車身扭轉(zhuǎn)，循環(huán)次數(shù)為50000次，通過疲勞損傷累積法則計(jì)算車身疲勞損傷。

2）分析結(jié)果對比

1、鎂合金替代區(qū)域以外疲勞損傷值對比

由于試驗(yàn)過程中，有些區(qū)域的疲勞損傷值較小，省略對比，只進(jìn)行損傷值大于0.1區(qū)域的對比，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，使用鎂合金并不會對汽車車身其他部位在疲勞耐久性上造成影響。

2、鎂合金替代區(qū)域的疲勞損傷值對比

同樣選取損傷值大的區(qū)域進(jìn)行對比，對比結(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，在使用后的車身疲勞耐久性上具有很大的優(yōu)勢，這就給鎂合金在汽車車身上應(yīng)用提供了很大支持，使得鎂合金在車身輕量化的道路上具有更好的發(fā)展前景。

目前，各國已有諸多針對汽車安全性能和排放標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)，強(qiáng)制規(guī)范汽車的安全和環(huán)保性能。因此，汽車車身的輕量化技術(shù)成為現(xiàn)代汽車開發(fā)技術(shù)的一個(gè)重要課題。這篇文章主要經(jīng)過從材料、工藝方面的對比，可知，鎂合金能給汽車車身帶來了輕量化，并且簡化了車身制造工藝，減小了生產(chǎn)制造成本。在性能方面，鎂合金的使用也給車身的疲勞耐久性帶來了很大優(yōu)勢。但是，鎂合金車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，所以很難通過傳統(tǒng)鈑金定型，來進(jìn)行局部維修，如果強(qiáng)行修復(fù)會導(dǎo)致骨架斷裂，只能進(jìn)行分段切割整體更換。因此，鎂合金車身主要還是用于豪車身上。相信隨著科技的進(jìn)步，能克服鎂合金的材料缺陷，使得維修起來成本降低。

　　來源：焉知汽車輕量化

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