錫鉛釬料檢測機構-廣東分析檢測中心

    隨著現代經濟社會的迅猛發展，人們對汽車的使用越來越多，因此對汽車的安全性、舒適性和環保性提出了更高要求。這就使得更多的附加設備加入到汽車上，相應的，汽車的總質量也就增加了很多。而研究數據表明，汽車總質量每減輕l0%，油耗可降低6%～7%。對空載而言，約70%的油耗是用在車身質量上的，因此車身的輕量化不僅減輕了汽車質量，而且提高了整車的燃油經濟性，減少了污染。除此之外，汽車的輕量化還可使得車輛操縱穩定性和沖撞安全性得到提升，使其更加穩定。因此，在當前經濟環境下，輕量化技術在汽車工業的發展中起著重要作用。

    汽車的輕量化是指應用優化設計的方法，在確保汽車的強度和安全性能的前提下，提高材料的利用率，減少冗余材料，以達到減輕車身質量的目的，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：一是采用輕量化材料，如鋁合金、鎂合金、塑料、復合材料等重量更輕、強度更高的新材料；二是采用先進的計算機結構設計技術，如有限元分析，局部加強設計，來優化設計汽車的結構，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化，以及對零部件進行結構和工藝改進等，從而限度減輕零部件的質量。鑒于此，本文采用鎂合金這種輕質材料來替代鋼結構，達到汽車輕量化的目的。

    1鎂合金材料及其在汽車車身上的應用

    鎂合金材料是現在機械工業上發展前景較好的金屬材料，因為鎂合金材料密度小、質量輕、比強度高，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定性，具有良好的導熱性能。此外，鎂合金對振動，沖擊的吸收性能好。將鎂合金、鋁合金、塑料以及鋼結構的力學性能作對比，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，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。

    由于鎂合金比鋼結構的質量輕，并且具有良好的力學性能，所以鎂合金適合在車身上使用，從而達到輕量化的目的。從車身的整個結構來考慮，采用鋼結構的前車身結構為復雜，因為汽車的前車身是發動機的機倉，為了匹配發動機的相關性能要求，它必須有合理的空間布置。而且由于發動機的特殊工作環境，前車身的剛度、強度和疲勞性能等都要滿足一定的要求。因此，使得采用鋼結構的前車身結構更加復雜化，而這種復雜化必然會導致車身的工藝變得復雜，加重了前車身的質量。所以，本文采用鎂合金替代前車身的鋼結構，從而達到整個車身輕量化的目的，如圖1所示。

    替代之后，所替代部分鋼結構的原始質量為85.6kg，替代為鎂合金結構后，其質量降為35.4kg，質量降低了50.2kg，因此其替代部分質量降低百分比為58.6%。

    車身輕量化貢獻率計算如式（1）。

    式中：η為車身輕量化貢獻率；m1為替代部分的原始質量；m2為替代后質量；m總為替代后白車身的總質量。

    因此車身輕量化貢獻率為14.7%，具體如表2所示。

    2鎂合金制造技術與制造工藝優勢

    2.1鎂合金的制造加工技術

    目前，鎂合金可采用壓鑄、擠壓鑄造、固態成型、半固態鑄造、注射成型等多種鑄造技術來生產鎂合金制件，這些制造工藝給鎂合金應用于車身提供了技術支持。

    鎂合金的壓鑄技術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空氣，以消除或減少壓鑄件內的氣孔或孔隙，來提高壓鑄件力學性能和表面質量。充氧壓鑄是指充型前將活性氣體沖入型腔來交換型腔內的空氣，充型時利用活性氣體與金屬液反應來消除鑄件內氣體和氣孔。鎂合金的擠壓鑄造是指采用較低的充型速度以及小的擾動使金屬液在高壓下凝固，從而獲得可進行熱處理的高致密度鑄件的鑄造工藝。鎂合金的半固態鑄造，對冷卻凝固過程中的金屬熔體進行強烈攪動，待熔體達到一定固相分數時對其進行壓鑄或擠壓成形，包括流變成型、觸變成型和注射成型。

    2.2鎂合金材料在工藝上的優勢

    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雜的零件。因此，當使用鎂合金材料代替鋼結構前車身時，替代部分的零件數量就由原來的89個降為50個，因為多個零件可由一個壓鑄零件來替代，如圖2所示，這樣零件數量就會減少，從而優化了加工工藝，簡化了車身加工的加工工序。

    在鎂合金的生產加工成本上，以前是處于較高的位置，因為鎂合金在使用壓鑄技術進行生產時會產生大量廢料，而廢料中含有固液兩種形態，所以必須使用熔劑才能清理干凈，并且這個清理工藝也很復雜，這樣就大大加重了生產成本。然而，現在，利用無熔劑物理精煉方法，就消除了異地生產的困擾，從而使得鎂合金在性價比上也占有了較大的優勢。

    3鎂合金車身在疲勞耐久性上的優勢

    3.1試驗方法

    對于車身的疲勞耐久性試驗，采用影響的扭轉工況，利用臺架進行虛擬耐久性試驗，然后進行扭轉疲勞強度分析。基本試驗方法是：在車身臺架試驗的試驗臺上設置4個附著點，共4個通道，然后通過MSC/NASTRAN軟件在4個通道上施加扭轉力，再在分析軟件FEMFAT中進行虛擬車身扭轉，循環次數為50000次，通過疲勞損傷累積法則計算車身疲勞損傷。

    3.2分析結果對比

    3.2.1鎂合金替代區域以外疲勞損傷值對比

    由于試驗過程中，有些區域的疲勞損傷值較小，省略對比，只進行損傷值大于0.1區域的對比，其結果如表3所示。

    從以上結果可知，當使用了鎂合金之后，疲勞損傷嚴重的位置是一致的，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。

    3.2.2鎂合金替代區域的疲勞損傷值對比

    同樣選取損傷值大的區域進行對比，對比結果如表4所示。

    從以上結果可知，在使用了鎂合金之后，替代之后的結構的疲勞損傷值小了很多，并且的損傷區域也是一致的。

    因此，鎂合金的使用不僅達到了輕量化目的，而且，在使用后的車身疲勞耐久性上具有很大的優勢，這就給鎂合金在汽車車身上應用提供了很大支持，使得鎂合金在車身輕量化的道路上具有更好的發展前景。

    結語

    經過從材料、工藝方面的對比，可知，鎂合金給汽車車身帶來了輕量化，并且簡化了車身制造工藝，減小了生產制造成本。在性能方面，鎂合金的使用給車身的疲勞耐久性帶來了很大優勢。因此，經過本文的探索研究，從各個方面體現了鎂合金材料的優勢和前景，這是汽車車身輕量化發展的一個很好選擇。 

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