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长安汽车轻量化与镁合金应用

浏览:440 发表时间:2019-08-01 09:22:40
核心提示:随着汽车技术发展思路更新和节能环保理念深入人心,国产车在轻量化方面投入越来越大,推动着轻量化技术的不断进步。长安汽车在“十五”镁合金研发的基础上,在2006~2009年期间,除在新车型开发中进行镁合金零部件同步集成开发外,还对镁合金在汽车前端上的应用进行了系统深入的可行性研究(见图1)。除显著的节能减排效果外,轻量化还能提高车辆的驾乘动力学性能(如加速、制动、过弯稳定性、NVH性能、碰撞惯性等),而这类性能的改善一直是车辆设计者、制造商和用户孜孜追求的目标

长安汽车轻量化与镁合金应用

重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心/龙思远 徐绍勇 曹韩学 查吉利

长安汽车研究院/刘波 蔡军 马季

汽车节能减排与轻量化

随着汽车技术发展思路更新和节能环保理念深入人心,国产车在轻量化方面投入越来越大,推动着轻量化技术的不断进步。长安汽车在“十五”镁合金研发的基础上,在2006~2009年期间,除在新车型开发中进行镁合金零部件同步集成开发外,还对镁合金在汽车前端上的应用进行了系统深入的可行性研究(见图1)。除显著的节能减排效果外,轻量化还能提高车辆的驾乘动力学性能(如加速、制动、过弯稳定性、NVH性能、碰撞惯性等),而这类性能的改善一直是车辆设计者、制造商和用户孜孜追求的目标。

 

除国内独特的碰撞安全利己思维外,汽车轻量化已在西方发达国家广为接受。目前市场公认具有竞争优势的汽车轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金和有机基纤维复合材料等,但其具体的选用则主要取决于材料的使用性能、成形工艺特性和构件的性价比。减重的“优先次序”及性价比

1.减重的“优先次序”

对常见的“前置前驱”和“前置后驱”车辆,在其轻量化中需要顾及维持和提升驾乘性能。因此,轻量化需要有选择地进行,即遵守“自上而下、从前到后、先动后静”的轻量化原则。

(1)自上而下 对于一个强调动态特性的四轮车,在驾乘过程中需要频繁转弯、加速和制动。因此,在车辆轻量化过程中,保持“自上而下”的优先次序,利于维持或降低整车重心,对于提高车辆在侧向和直线加速下的驾乘动态性能,防止制动“点头”都极其有利。因此,车身减重的目标目前主要集中在舱盖、门框和车顶框等上部车身结构,以及座椅骨架等安装位置较高的部件上。

(2)从前到后 众所周知,四轮车辆前后轴荷重的均衡性决定着车辆在起动、制动、弯道循迹动态品质。对发动机前置的车辆,前轴荷重较大。因此,在车辆轻量化时,优先选择降低前轴荷重的减重方案,以获取更加理想的轴荷均衡分配(50%︰50%)。故常见的汽车减重实例均集中在前端构件上,如发动机、油底壳、变速器壳体、离合器壳体、仪表板支架、中控支架、水箱支架、发动机舱盖、车身前端等;只有在发动机中置或后置的车型上,才可以看到尾部的轻量化。

(3)先动后静 在车辆驾乘过程中,燃油能量主要用于克服车辆行驶的各种内部阻力(克服运动部件的惯性、零件间相对运动摩擦)、外部阻力(风阻、行驶阻力)和车辆变速惯性(加速时赋予车辆动能或减速时耗散车辆动能)。显然,减重可有效降低改变车辆速度(加速和减速)所需要的能量。

值得注意的是,车辆的惯性分为随车辆移动的平动惯量和运动构件自身运行所储备的附加运动惯量。对车辆运动构件,车辆使用时,动力系统不仅要通过功率输出将运动构件加速到要求的运动状态,在制动时还需要耗能将其已拥有的平动惯量和附加运动惯量耗散掉,才能实现减速制动。因此,车辆运动部件的减重,能起到事半功倍的“节能”效果,并同时提高车辆的驾乘性__能。根据公开的试验数据,轮毂如减重25%(约占车重的2%~3%),则车辆百公里油耗可降低10%。可见,车辆高速运动部件的减重所产生的“节能”效果是车身等静态构件单位减重“节能”效果的数倍。

2.轻量化的性价比

汽车轻量化的性价比与材料价格、成形加工成本和由材料比性能决定的减重潜力有关。表1给出了汽车轻量化常用金属结构材料的参考现价、(比)弹性模量、(比)屈服强度对照。通常认为,材料的价格较大程度上决定着轻量化构件的性价比,但是将原材料转换为可供装配的零部件,不同材料因成形工艺特性的差异,工艺成本差异显著;且构件的本体材料性能因工艺不同也与标准试样性能存在显著差异,进而影响材料可能达成的减重效果。

 

因此,在汽车轻量化设计中,在满足使用性能要求的前提下,需要综合考量材料价格和材料工艺(包括成形、机加、涂装、连接、腐蚀防护、装配等)成本,才能科学评价高比性能材料应用可能带来的轻量化效果和技术经济竞争力。欢迎关注《汽车工艺师》。另外,在集成化、模块化设计制造的技术经济优势被汽车产业广泛认知和采用的今天,材料的成形工艺特性决定着构件的集成设计制造程度,最终影响零部件的制作成本和价格竞争力,因而越来越受到设计人员的重视。

镁合金的性能特征

1.使用性能的优点与劣势 与传统汽车结构材料相比,作为汽车轻量化材料之一的镁合金,除拥有相对优异的比强度外,还具有诱人的减振降噪性能。如图2所示,AZ91镁合金在14MPa应力水平下的减振系数(振动波传递能耗)是公认的工程减振材料——铸铁的3~4倍,是常用的356铝合金的30倍,特别适用于运动构件的制造,以获得良好的减振降噪效果。但是,也应该客观地注意到,镁合金活泼的化学性质和较强的电偶腐蚀趋向,使得镁合金应用时需要较严格的腐蚀防护措施,最终增加其生产应用成本,消弱了竞争力。

 

2.工艺性能优势与缺点

镁合金中的α-M g基体相为密排六方晶体结构,主滑移系较少,次滑移系只能在较高温度下才能激活启动,使得材料的室温塑性变形能力偏弱,导致其变形加工工艺成本偏高,在与铝合金的性价比竞争中处于劣势,但其熔体突出的强制流动充型和高压补缩能力,使那些用铝合金难以生产的大型、复杂、薄壁构件的高压铸造生产成为可能。这为汽车轻量化构件的集成化设计制造创造了条件。

理论上讲,因比重较低,同吨位镁合金锭可比铝合金多生产近1/3的压铸件,在现行原材料价格体系下镁合金压铸件应该具有显著的性价比优势。但是,在传统的压铸生产流程中,镁合金铸件仍难以获得直接的价格竞争优势。因为,铝合金的压铸废料可直接回炉重熔,经简单精炼,甚至不经任何精炼,就可再次用于压铸生产,实现了工艺废料的现场廉价再生。而镁合金的压铸废料因所含固态夹杂,需要用熔剂才能精炼清除,其化学成分的恢复性调整(尤其是降铁)也需要特殊的工艺环境。该技术现状导致占投料量50%左右的工艺废料需长途送返镁合金冶炼厂精炼再生,使材料成本大幅度升高,镁合金压铸件失去性价比优势,最终将镁合金在汽车上的应用限制在能发挥镁合金性能特性的优势领域,难以拓展应用空间和规模。

值得庆幸的是,基于无熔剂物理精炼方法的废镁现场重熔精炼技术与装备已成熟,并在镁合金压铸企业中逐渐获得推广应用,消除了废镁异地再生的成本压力,使镁压铸件重新获得了性价比优势,为镁合金凭借其自身的工艺和使用性能优势拓展应用空间创造了条件。镁合金在汽车上的应用目前镁合金在构成汽车的发动机、动力传动、行驶与转向系统、内装和车身等几大系统上均有应用。

1.发动机应用

在发动机领域,镁合金应用涉及发动机缸体、曲轴箱、油底壳、齿轮室及罩盖等。目前国内外镁合金在发动机上的商业应用主要集中在油底壳、齿轮室及罩盖等构件上。例如,长安汽车在“十五”期间完成了发动机罩盖的研发并实现了规模应用,“十一五”期间又完成了油底壳研发并通过了台架试验,但因镁原材料价格异常波动而没有批量应用。

作为汽车发动机核心构件的缸体,除宝马镁直六发动机一直代表着镁合金在发动机应用领域的最高水准并一直在批量销售外,美国通用前几年致力于铸造V6镁合金发动机缸体的研制外,目前尚未见到更多相关研发与应用的报道。宝马镁合金直六发动机(见图3a)和该款发动机为克服镁材料耐热耐蚀性能不足而采用嵌铸式铝合金构件(图3b中蓝色和红色)的镁合金复合缸体以及曲轴箱体(图3c)见图3。

2.动力传动应用

汽车动力传动系统是镁合金应用最早、最彻底、最广泛的领域,涉及变速器壳体、离合器壳体、分动器、轴变速器等诸多构件。其中,奔驰的七速镁合金变速器壳体,一直是镁合金在该领域应用的代表。国内,“十五”期间,长安汽车就完成了镁合金变速器壳体组件的开发和性能检测(见图4),国内其他汽车厂也在动力传动系统的镁合金应用开发上做了大量工作。但因镁合金价格的巨幅波动和国产车对零部件价格的高度敏感而未能持续批量应用。

 

3.行驶与转向应用

在行驶与转向系统中,镁质方向盘骨架的生产应用技术已成熟,并逐渐成为全价格系列汽车的标准配置。镁合金在转向器壳体、支架上也在逐渐推广应用。而最具节能减排潜力的锻造镁合金轮毂轻量化应用,则因现存变形加工技术的高成本特征,应用仅限于高端轿跑和赛车,而只有无强制性安全要求的电动助力车、沙滩车和卡丁车等四轮车的轮毂才用压铸方法生产。因此,开发低成本、高品质的镁合金轮毂生产应用技术,才能为镁合金在汽车轮毂上的规模应用奠定技术经济基础,如图5所示。另外,镁合金在车轮控制臂、转向臂、副车架等对性能要求极高的应用开发也在进行之中,但其批量生产应用还存在技术和价格的双重瓶颈,需要假以时日逐渐突破。

 

4.内装应用

镁合金在车辆内装系统上的应用开发由来已久,主要集中在仪表板支架、座椅框架、门内框等大型构件和扶手饰板等内饰件上。镁合金在仪表板支架上应用起步最早、最广泛。镁支架主要有整体压铸和型材铸件组合两种结构形式。整体支架的最大优势在于在实现轻量化的同时,大幅度提升构件的集成设计制造水平和刚度,但制造成本较高。目前,该类支架主要用于对整体性能要求较高的轿跑、SUV及越野车;而组合式支架则主要用于对支架刚度要求不苛刻的各型轿车。随着仪表板塑料模块整体性能的提升和嵌入仪表的轻量化,对支架的性能(刚度和NVH)要求日渐放松,为组合式支架的应用创造了条件(见图6a)。目前,座椅骨架(见图6b)和门内框等镁合金压铸构件主要用于对整体性能和轻量化要求较高的高端车型。相信随着压铸生产成本的降低,该类铸件应用会向中低端车型扩张。

 

5.车身应用

车身系统一直是钢材的阵地,但随着铝合金车身在高端轿车和碳纤维树脂基复合材料在超级跑车上的应用成功开拓,国际上开始了车身轻量化浪潮,如奥迪A8的铝合金整体框架、宝马5系列的铝合金前端构架等。就镁合金而言,目前还没有镁合金车身商业应用的先例。2006年起,中、美、加三国携手开始了镁合金在车身前端上应用的技术基础研究,以期用镁合金轻质优势平衡汽车前后轴荷,同时提高前端构件的设计制造集成度、降低车辆总重,进而拓展镁合金在汽车上的应用领域。

我国的长安汽车也联合研究院所,尝试进行了镁质汽车前端的研发(见图7)。三年多的研究表明:镁合金在车身前端的应用,会在碰撞安全、腐蚀防护、异质材料连接和损伤修复等诸多方面会遇到挑战,要实现镁合金在该部位的商业应用还有很长的路要走。

 

最后,作为示范,图8集中展示了目前已经开发并投入商业应用的各种镁合金压铸构件。如果将这些镁合金零部件集中在一个车型上应用,则单车镁合金用量可达到80~100kg。综上所述,镁合金在汽车上的应用技术日趋成熟,已具备产业化基础。镁合金迄今未能得到大规模应用的关键在于:镁合金构件在与其他轻量化材料进行的市场竞争中还没有体现出性价比优势。

 

值得注意的是,面对迫切的减重压力,新能源汽车的兴起为镁合金的应用提供了一个全新的领域。除因能源和驱动方式变化带来的汽车结构设计变化外,还涉及到新能源储藏、能量转换和动力传递机构等诸多领域的创新。在传统内燃汽车结构设计和材料应用的技术束缚消失后,新能源汽车应该会为镁合金提供一个更理想的应用开发平台。

结语

镁合金作为一个具有独特使用性能和工艺特性的轻量化金属结构材料,用于替代传统材料时须坚持科学的态度,尊重其工艺和服役性能特征,将“合适的材料以合适的方式用到合适的部位”,满足汽车应用对服役性能和性价比的双重要求。图9给出了以材料科学替代为基础的镁合金应用开发技术流程。

10年来的应用实践表明:只要坚持弄清应用对象对轻量化结构性能及性价比要求,坚持弄清构件服役工况和失效方式,坚持在设计中兼顾构件服役和成形性能,就能够在尊重镁合金特性的基础上,实现科学筹划、优化设计、扬长避短,最终达成用镁合金的优势性能改善车辆驾乘性能、提高产品市场竞争力的目的。

本文是龙教授五年前发表在《现代零部件》上的一篇文章,龙教授是重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心副主任,他在实施国家和各地政府镁合金项目和推动产业化的进程中,与相关院所和企业合作,联合开发了“镁合金概念摩托车”、无SF6绿色保护气体、保护(载流)气体在线发生、镁合金连续熔化与定量浇注、镁合金新型挤压铸造、镁合金复合高效加工技术、废镁无熔剂现场精炼回收、粗镁环保高效精炼、高危劣质废镁蒸馏再生等专利技术与装备,形成了国际认可的特色和优势。

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