長安汽車輕量化與鎂合金應(yīng)用

　　重慶大學(xué)國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心/龍思遠(yuǎn) 徐紹勇 曹韓學(xué) 查吉利

　　長安汽車研究院/劉波 蔡軍 馬季

　　汽車節(jié)能減排與輕量化

　　隨著汽車技術(shù)發(fā)展思路更新和節(jié)能環(huán)保理念深入人心，國產(chǎn)車在輕量化方面投入越來越大，推動著輕量化技術(shù)的不斷進(jìn)步。長安汽車在“十五”鎂合金研發(fā)的基礎(chǔ)上，在2006～2009年期間，除在新車型開發(fā)中進(jìn)行鎂合金零部件同步集成開發(fā)外，還對鎂合金在汽車前端上的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)深入的可行性研究(見圖1)。除顯著的節(jié)能減排效果外，輕量化還能提高車輛的駕乘動力學(xué)性能(如加速、制動、過彎穩(wěn)定性、NVH性能、碰撞慣性等)，而這類性能的改善一直是車輛設(shè)計者、制造商和用戶孜孜追求的目標(biāo)。

　　除國內(nèi)獨特的碰撞安全利己思維外，汽車輕量化已在西方發(fā)達(dá)國家廣為接受。目前市場公認(rèn)具有競爭優(yōu)勢的汽車輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、鎂合金和有機基纖維復(fù)合材料等，但其具體的選用則主要取決于材料的使用性能、成形工藝特性和構(gòu)件的性價比。減重的“優(yōu)先次序”及性價比

　　1.減重的“優(yōu)先次序”

　　對常見的“前置前驅(qū)”和“前置后驅(qū)”車輛，在其輕量化中需要顧及維持和提升駕乘性能。因此，輕量化需要有選擇地進(jìn)行，即遵守“自上而下、從前到后、先動后靜”的輕量化原則。

　　(1)自上而下 對于一個強調(diào)動態(tài)特性的四輪車，在駕乘過程中需要頻繁轉(zhuǎn)彎、加速和制動。因此，在車輛輕量化過程中，保持“自上而下”的優(yōu)先次序，利于維持或降低整車重心，對于提高車輛在側(cè)向和直線加速下的駕乘動態(tài)性能，防止制動“點頭”都極其有利。因此，車身減重的目標(biāo)目前主要集中在艙蓋、門框和車頂框等上部車身結(jié)構(gòu)，以及座椅骨架等安裝位置較高的部件上。

　　(2)從前到后 眾所周知，四輪車輛前后軸荷重的均衡性決定著車輛在起動、制動、彎道循跡動態(tài)品質(zhì)。對發(fā)動機前置的車輛，前軸荷重較大。因此，在車輛輕量化時，優(yōu)先選擇降低前軸荷重的減重方案，以獲取更加理想的軸荷均衡分配(50%︰50%)。故常見的汽車減重實例均集中在前端構(gòu)件上，如發(fā)動機、油底殼、變速器殼體、離合器殼體、儀表板支架、中控支架、水箱支架、發(fā)動機艙蓋、車身前端等;只有在發(fā)動機中置或后置的車型上，才可以看到尾部的輕量化。

　　(3)先動后靜 在車輛駕乘過程中，燃油能量主要用于克服車輛行駛的各種內(nèi)部阻力(克服運動部件的慣性、零件間相對運動摩擦)、外部阻力(風(fēng)阻、行駛阻力)和車輛變速慣性(加速時賦予車輛動能或減速時耗散車輛動能)。顯然，減重可有效降低改變車輛速度(加速和減速)所需要的能量。

　　值得注意的是，車輛的慣性分為隨車輛移動的平動慣量和運動構(gòu)件自身運行所儲備的附加運動慣量。對車輛運動構(gòu)件，車輛使用時，動力系統(tǒng)不僅要通過功率輸出將運動構(gòu)件加速到要求的運動狀態(tài)，在制動時還需要耗能將其已擁有的平動慣量和附加運動慣量耗散掉，才能實現(xiàn)減速制動。因此，車輛運動部件的減重，能起到事半功倍的“節(jié)能”效果，并同時提高車輛的駕乘性__能。根據(jù)公開的試驗數(shù)據(jù)，輪轂如減重25%(約占車重的2%～3%)，則車輛百公里油耗可降低10%。可見，車輛高速運動部件的減重所產(chǎn)生的“節(jié)能”效果是車身等靜態(tài)構(gòu)件單位減重“節(jié)能”效果的數(shù)倍。

　　2.輕量化的性價比

　　汽車輕量化的性價比與材料價格、成形加工成本和由材料比性能決定的減重潛力有關(guān)。表1給出了汽車輕量化常用金屬結(jié)構(gòu)材料的參考現(xiàn)價、(比)彈性模量、(比)屈服強度對照。通常認(rèn)為，材料的價格較大程度上決定著輕量化構(gòu)件的性價比，但是將原材料轉(zhuǎn)換為可供裝配的零部件，不同材料因成形工藝特性的差異，工藝成本差異顯著;且構(gòu)件的本體材料性能因工藝不同也與標(biāo)準(zhǔn)試樣性能存在顯著差異，進(jìn)而影響材料可能達(dá)成的減重效果。

　　因此，在汽車輕量化設(shè)計中，在滿足使用性能要求的前提下，需要綜合考量材料價格和材料工藝(包括成形、機加、涂裝、連接、腐蝕防護(hù)、裝配等)成本，才能科學(xué)評價高比性能材料應(yīng)用可能帶來的輕量化效果和技術(shù)經(jīng)濟競爭力。歡迎關(guān)注《汽車工藝師》。另外，在集成化、模塊化設(shè)計制造的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢被汽車產(chǎn)業(yè)廣泛認(rèn)知和采用的今天，材料的成形工藝特性決定著構(gòu)件的集成設(shè)計制造程度，最終影響零部件的制作成本和價格競爭力，因而越來越受到設(shè)計人員的重視。

　　鎂合金的性能特征

　　1.使用性能的優(yōu)點與劣勢

　　與傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)材料相比，作為汽車輕量化材料之一的鎂合金，除擁有相對優(yōu)異的比強度外，還具有誘人的減振降噪性能。如圖2所示，AZ91鎂合金在14MPa應(yīng)力水平下的減振系數(shù)(振動波傳遞能耗)是公認(rèn)的工程減振材料——鑄鐵的3～4倍，是常用的356鋁合金的30倍，特別適用于運動構(gòu)件的制造，以獲得良好的減振降噪效果。但是，也應(yīng)該客觀地注意到，鎂合金活潑的化學(xué)性質(zhì)和較強的電偶腐蝕趨向，使得鎂合金應(yīng)用時需要較嚴(yán)格的腐蝕防護(hù)措施，最終增加其生產(chǎn)應(yīng)用成本，消弱了競爭力。

　　2.工藝性能優(yōu)勢與缺點

　　鎂合金中的α-M g基體相為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，主滑移系較少，次滑移系只能在較高溫度下才能激活啟動，使得材料的室溫塑性變形能力偏弱，導(dǎo)致其變形加工工藝成本偏高，在與鋁合金的性價比競爭中處于劣勢，但其熔體突出的強制流動充型和高壓補縮能力，使那些用鋁合金難以生產(chǎn)的大型、復(fù)雜、薄壁構(gòu)件的高壓鑄造生產(chǎn)成為可能。這為汽車輕量化構(gòu)件的集成化設(shè)計制造創(chuàng)造了條件。

　　理論上講，因比重較低，同噸位鎂合金錠可比鋁合金多生產(chǎn)近1/3的壓鑄件，在現(xiàn)行原材料價格體系下鎂合金壓鑄件應(yīng)該具有顯著的性價比優(yōu)勢。但是，在傳統(tǒng)的壓鑄生產(chǎn)流程中，鎂合金鑄件仍難以獲得直接的價格競爭優(yōu)勢。因為，鋁合金的壓鑄廢料可直接回爐重熔，經(jīng)簡單精煉，甚至不經(jīng)任何精煉，就可再次用于壓鑄生產(chǎn)，實現(xiàn)了工藝廢料的現(xiàn)場廉價再生。而鎂合金的壓鑄廢料因所含固態(tài)夾雜，需要用熔劑才能精煉清除，其化學(xué)成分的恢復(fù)性調(diào)整(尤其是降鐵)也需要特殊的工藝環(huán)境。該技術(shù)現(xiàn)狀導(dǎo)致占投料量50%左右的工藝廢料需長途送返鎂合金冶煉廠精煉再生，使材料成本大幅度升高，鎂合金壓鑄件失去性價比優(yōu)勢，最終將鎂合金在汽車上的應(yīng)用限制在能發(fā)揮鎂合金性能特性的優(yōu)勢領(lǐng)域，難以拓展應(yīng)用空間和規(guī)模。

　　值得慶幸的是，基于無熔劑物理精煉方法的廢鎂現(xiàn)場重熔精煉技術(shù)與裝備已成熟，并在鎂合金壓鑄企業(yè)中逐漸獲得推廣應(yīng)用，消除了廢鎂異地再生的成本壓力，使鎂壓鑄件重新獲得了性價比優(yōu)勢，為鎂合金憑借其自身的工藝和使用性能優(yōu)勢拓展應(yīng)用空間創(chuàng)造了條件。鎂合金在汽車上的應(yīng)用目前鎂合金在構(gòu)成汽車的發(fā)動機、動力傳動、行駛與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、內(nèi)裝和車身等幾大系統(tǒng)上均有應(yīng)用。

　　1.發(fā)動機應(yīng)用

　　在發(fā)動機領(lǐng)域，鎂合金應(yīng)用涉及發(fā)動機缸體、曲軸箱、油底殼、齒輪室及罩蓋等。目前國內(nèi)外鎂合金在發(fā)動機上的商業(yè)應(yīng)用主要集中在油底殼、齒輪室及罩蓋等構(gòu)件上。例如，長安汽車在“十五”期間完成了發(fā)動機罩蓋的研發(fā)并實現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用，“十一五”期間又完成了油底殼研發(fā)并通過了臺架試驗，但因鎂原材料價格異常波動而沒有批量應(yīng)用。

　　作為汽車發(fā)動機核心構(gòu)件的缸體，除寶馬鎂直六發(fā)動機一直代表著鎂合金在發(fā)動機應(yīng)用領(lǐng)域的最高水準(zhǔn)并一直在批量銷售外，美國通用前幾年致力于鑄造V6鎂合金發(fā)動機缸體的研制外，目前尚未見到更多相關(guān)研發(fā)與應(yīng)用的報道。寶馬鎂合金直六發(fā)動機(見圖3a)和該款發(fā)動機為克服鎂材料耐熱耐蝕性能不足而采用嵌鑄式鋁合金構(gòu)件(圖3b中藍(lán)色和紅色)的鎂合金復(fù)合缸體以及曲軸箱體(圖3c)見圖3。

　　2.動力傳動應(yīng)用

　　汽車動力傳動系統(tǒng)是鎂合金應(yīng)用最早、最徹底、最廣泛的領(lǐng)域，涉及變速器殼體、離合器殼體、分動器、軸變速器等諸多構(gòu)件。其中，奔馳的七速鎂合金變速器殼體，一直是鎂合金在該領(lǐng)域應(yīng)用的代表。國內(nèi)，“十五”期間，長安汽車就完成了鎂合金變速器殼體組件的開發(fā)和性能檢測(見圖4)，國內(nèi)其他汽車廠也在動力傳動系統(tǒng)的鎂合金應(yīng)用開發(fā)上做了大量工作。但因鎂合金價格的巨幅波動和國產(chǎn)車對零部件價格的高度敏感而未能持續(xù)批量應(yīng)用。

　　3.行駛與轉(zhuǎn)向應(yīng)用

　　在行駛與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，鎂質(zhì)方向盤骨架的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)已成熟，并逐漸成為全價格系列汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。鎂合金在轉(zhuǎn)向器殼體、支架上也在逐漸推廣應(yīng)用。而最具節(jié)能減排潛力的鍛造鎂合金輪轂輕量化應(yīng)用，則因現(xiàn)存變形加工技術(shù)的高成本特征，應(yīng)用僅限于高端轎跑和賽車，而只有無強制性安全要求的電動助力車、沙灘車和卡丁車等四輪車的輪轂才用壓鑄方法生產(chǎn)。因此，開發(fā)低成本、高品質(zhì)的鎂合金輪轂生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)，才能為鎂合金在汽車輪轂上的規(guī)模應(yīng)用奠定技術(shù)經(jīng)濟基礎(chǔ)，如圖5所示。另外，鎂合金在車輪控制臂、轉(zhuǎn)向臂、副車架等對性能要求極高的應(yīng)用開發(fā)也在進(jìn)行之中，但其批量生產(chǎn)應(yīng)用還存在技術(shù)和價格的雙重瓶頸，需要假以時日逐漸突破。

　　4.內(nèi)裝應(yīng)用

　　鎂合金在車輛內(nèi)裝系統(tǒng)上的應(yīng)用開發(fā)由來已久，主要集中在儀表板支架、座椅框架、門內(nèi)框等大型構(gòu)件和扶手飾板等內(nèi)飾件上。鎂合金在儀表板支架上應(yīng)用起步最早、最廣泛。鎂支架主要有整體壓鑄和型材鑄件組合兩種結(jié)構(gòu)形式。整體支架的最大優(yōu)勢在于在實現(xiàn)輕量化的同時，大幅度提升構(gòu)件的集成設(shè)計制造水平和剛度，但制造成本較高。目前，該類支架主要用于對整體性能要求較高的轎跑、SUV及越野車;而組合式支架則主要用于對支架剛度要求不苛刻的各型轎車。隨著儀表板塑料模塊整體性能的提升和嵌入儀表的輕量化，對支架的性能(剛度和NVH)要求日漸放松，為組合式支架的應(yīng)用創(chuàng)造了條件(見圖6a)。目前，座椅骨架(見圖6b)和門內(nèi)框等鎂合金壓鑄構(gòu)件主要用于對整體性能和輕量化要求較高的高端車型。相信隨著壓鑄生產(chǎn)成本的降低，該類鑄件應(yīng)用會向中低端車型擴張。

　　5.車身應(yīng)用

　　車身系統(tǒng)一直是鋼材的陣地，但隨著鋁合金車身在高端轎車和碳纖維樹脂基復(fù)合材料在超級跑車上的應(yīng)用成功開拓，國際上開始了車身輕量化浪潮，如奧迪A8的鋁合金整體框架、寶馬5系列的鋁合金前端構(gòu)架等。就鎂合金而言，目前還沒有鎂合金車身商業(yè)應(yīng)用的先例。2006年起，中、美、加三國攜手開始了鎂合金在車身前端上應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)研究，以期用鎂合金輕質(zhì)優(yōu)勢平衡汽車前后軸荷，同時提高前端構(gòu)件的設(shè)計制造集成度、降低車輛總重，進(jìn)而拓展鎂合金在汽車上的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　我國的長安汽車也聯(lián)合研究院所，嘗試進(jìn)行了鎂質(zhì)汽車前端的研發(fā)(見圖7)。三年多的研究表明：鎂合金在車身前端的應(yīng)用，會在碰撞安全、腐蝕防護(hù)、異質(zhì)材料連接和損傷修復(fù)等諸多方面會遇到挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)鎂合金在該部位的商業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走。

　　最后，作為示范，圖8集中展示了目前已經(jīng)開發(fā)并投入商業(yè)應(yīng)用的各種鎂合金壓鑄構(gòu)件。如果將這些鎂合金零部件集中在一個車型上應(yīng)用，則單車鎂合金用量可達(dá)到80～100kg。綜上所述，鎂合金在汽車上的應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，已具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。鎂合金迄今未能得到大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵在于：鎂合金構(gòu)件在與其他輕量化材料進(jìn)行的市場競爭中還沒有體現(xiàn)出性價比優(yōu)勢。

　　值得注意的是，面對迫切的減重壓力，新能源汽車的興起為鎂合金的應(yīng)用提供了一個全新的領(lǐng)域。除因能源和驅(qū)動方式變化帶來的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計變化外，還涉及到新能源儲藏、能量轉(zhuǎn)換和動力傳遞機構(gòu)等諸多領(lǐng)域的創(chuàng)新。在傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料應(yīng)用的技術(shù)束縛消失后，新能源汽車應(yīng)該會為鎂合金提供一個更理想的應(yīng)用開發(fā)平臺。

　　結(jié)語

　　鎂合金作為一個具有獨特使用性能和工藝特性的輕量化金屬結(jié)構(gòu)材料，用于替代傳統(tǒng)材料時須堅持科學(xué)的態(tài)度，尊重其工藝和服役性能特征，將“合適的材料以合適的方式用到合適的部位”，滿足汽車應(yīng)用對服役性能和性價比的雙重要求。圖9給出了以材料科學(xué)替代為基礎(chǔ)的鎂合金應(yīng)用開發(fā)技術(shù)流程。

　　10年來的應(yīng)用實踐表明：只要堅持弄清應(yīng)用對象對輕量化結(jié)構(gòu)性能及性價比要求，堅持弄清構(gòu)件服役工況和失效方式，堅持在設(shè)計中兼顧構(gòu)件服役和成形性能，就能夠在尊重鎂合金特性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)科學(xué)籌劃、優(yōu)化設(shè)計、揚長避短，最終達(dá)成用鎂合金的優(yōu)勢性能改善車輛駕乘性能、提高產(chǎn)品市場競爭力的目的。

　　本文是龍教授五年前發(fā)表在《現(xiàn)代零部件》上的一篇文章，龍教授是重慶大學(xué)國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心副主任，他在實施國家和各地政府鎂合金項目和推動產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中，與相關(guān)院所和企業(yè)合作，聯(lián)合開發(fā)了“鎂合金概念摩托車”、無SF6綠色保護(hù)氣體、保護(hù)(載流)氣體在線發(fā)生、鎂合金連續(xù)熔化與定量澆注、鎂合金新型擠壓鑄造、鎂合金復(fù)合高效加工技術(shù)、廢鎂無熔劑現(xiàn)場精煉回收、粗鎂環(huán)保高效精煉、高危劣質(zhì)廢鎂蒸餾再生等專利技術(shù)與裝備，形成了國際認(rèn)可的特色和優(yōu)勢?？上【帥]能聯(lián)系上他，也無法知道現(xiàn)在鎂合金在長安汽車上的應(yīng)用情況，由于價格和切削變形的影響，鎂合金的應(yīng)用并不普遍，在媒體上報道也不多。但作為汽車輕量化中的重要材料，鎂合金的應(yīng)用沒有止步，《汽車工藝師》也將繼續(xù)關(guān)注這方面的情況，也希望廣大讀者能提高這方面的信息。