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基于多元輕量材料的概念車

多元材料輕量化汽車是由麥格納國(guó)際公司和福特汽車公司共同承擔(dān)美國(guó)能源部DEEE0005574項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的。該項(xiàng)目旨在保證一輛5座轎車性能和乘員安全的基礎(chǔ)上，利用多元材料對(duì)該車進(jìn)行輕量化處理。制造了原型車并對(duì)原型車進(jìn)行整車測(cè)試。利用市場(chǎng)現(xiàn)有材料以及通用生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)制造了多材料輕量化Mach-I車輛，相比原車，該車整車質(zhì)量減輕364kg，約為原車的23.5%，使得該車可使用排量為1.0L的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)，有效降低了燃油消耗量。介紹了輕量化設(shè)計(jì)及其研究過(guò)程，尤其對(duì)自動(dòng)變速器的相關(guān)組件進(jìn)行了分析。

通過(guò)分析自動(dòng)變速器和驅(qū)動(dòng)橋的相關(guān)部件，最終確定3個(gè)部件作為多材料輕量化研究重點(diǎn)。第1部分為離合器后蓋和齒輪組件；第2部分為發(fā)動(dòng)機(jī)支架；第3部分為自動(dòng)變速器箱體。

（1）離合器后蓋和齒輪組件。同時(shí)考慮減輕質(zhì)量和降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇離合器后蓋和齒輪組件進(jìn)行輕量化處理是顯而易見(jiàn)的。常用鋼制離合器后蓋質(zhì)量為0.71kg，替換成鋁制件后蓋后的質(zhì)量減輕了0.39kg。經(jīng)過(guò)分析，以7075-T6鋁取代原低合金高強(qiáng)度鋼后需要對(duì)后蓋和齒輪組件的幾何形狀和加工程序進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。過(guò)去，采用激光焊接連接離合器后蓋與齒輪組件，由于鋁制后蓋和鋼制齒輪熔點(diǎn)不同，因而不能使用激光焊接。使用摩擦焊接可以解決該問(wèn)題，摩擦焊接會(huì)引起后蓋和齒輪輕微的尺寸變化，部分齒輪軸的軸肩被移除，以保證其與鋁殼有較大的接觸面積。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)支架。由于鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)支架質(zhì)量較大，因而將其長(zhǎng)期作為汽車輕量化的主要目標(biāo)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)支架是高負(fù)荷的結(jié)構(gòu)件，因而限制了人們對(duì)其進(jìn)行輕量化的做法。由于多材料輕量化汽車使用一個(gè)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，因而產(chǎn)生的負(fù)荷較小，傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)支架上的負(fù)荷也隨之降低，這樣就可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行輕量化處理。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)支架材料為JIS G5502 FCD 450-10球墨鑄鐵，其質(zhì)量為3.57kg。將其材料替換為T6態(tài)390鋁合金后，其質(zhì)量減輕了1.83kg。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)支架使用22個(gè)M6型緊固螺釘，將其由鋼制改為鋁制，質(zhì)量還可減輕0.3kg。

（3）自動(dòng)變速器。自動(dòng)變速器是傳動(dòng)系統(tǒng)中另一個(gè)大質(zhì)量的部件，是汽車輕量化的主要目標(biāo)。將其零部件由鑄造鋁合金改為鑄造鎂合金，質(zhì)量減輕1/3。自動(dòng)變速器原由上下兩個(gè)鑄造380鋁構(gòu)件組成，質(zhì)量為2.52kg，改為AZ91D鎂合金后則為1.66kg，減輕了0.86kg。自動(dòng)變速器中包含22個(gè)連接不同長(zhǎng)度傳動(dòng)裝置的緊固件和2個(gè)附加的連接上下兩部分的緊固件，將這些緊固件由鋼改為鋁，質(zhì)量還將減輕0.2kg。

利用有限元分析方法對(duì)改進(jìn)后的組件及整車進(jìn)行多種試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了在不影響汽車性能和安全性的前提下，采用多材料制件可以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。

James Kearns et al. SAE 2015-01-1240.

編譯：王祥