德國(guó)作為歐洲最大的經(jīng)濟(jì)體在整個(gè)歐洲中的CO₂排放量占到約20%，是溫室氣體的排放大戶(hù)。盡管德國(guó)在減排方面已經(jīng)獲得了部分成效，但是對(duì)于進(jìn)一步減少排放還要承擔(dān)很大的責(zé)任。

       為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，德國(guó)必須更加有效的生產(chǎn)并繼續(xù)減少汽車(chē)的CO₂排放量。為了推進(jìn)減少有害廢氣的排放，歐洲議會(huì)規(guī)定了所有汽車(chē)企業(yè)在2020年之前保證CO₂排放量95g/km的極限值。該極限值是指約每100公里消耗約4升汽油或約3.5升柴油。如果超過(guò)了最大極限值，生產(chǎn)企業(yè)將被處以高額罰款。

節(jié)本：

       在轎車(chē)中采用輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常有助于達(dá)到歐盟氣候保護(hù)目的。達(dá)到該目的的基礎(chǔ)是，不僅要采用輕質(zhì)化的材料，還要持續(xù)采用輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)。通過(guò)該方式不僅能夠大幅度的減輕車(chē)身重量，還能最大限度的提高部件載荷，同時(shí)大幅縮短工藝環(huán)節(jié)。目前可采用一種高強(qiáng)度輕質(zhì)一體式壓鑄鎂合金靠背結(jié)構(gòu)代替多部件組成的鋼制座椅靠背，從而實(shí)現(xiàn)減重的可能性。

       在本文研究框架內(nèi)提供了一種優(yōu)化方案，可代替原來(lái)使用的鋼板靠背結(jié)構(gòu)，通過(guò)一種多變化設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步達(dá)到減重和提高強(qiáng)度的目的。使用個(gè)性化鑄造系統(tǒng)進(jìn)行鑄造工藝分析，能夠發(fā)現(xiàn)鑄造過(guò)程中的薄弱點(diǎn)，并針對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。該方法為設(shè)計(jì)理念到實(shí)現(xiàn)可鑄造部件的整體開(kāi)發(fā)指明了方向，成為汽車(chē)工業(yè)輕質(zhì)化部件持續(xù)開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)思想。

       汽車(chē)供應(yīng)商也需滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)要求，電動(dòng)汽車(chē)每公里的CO₂排放量為0g。雖然降低了整體汽車(chē)行業(yè)中的排放量，但是根據(jù)目前的情況來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)到2020年只能增加到3百萬(wàn)輛，，與此同時(shí)，傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)將增加3千萬(wàn)輛，甚至超過(guò)一億輛。（圖1）。

       為了實(shí)現(xiàn)歐盟的目標(biāo)，在轎車(chē)中采用輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)是保證滿(mǎn)足前提條件的關(guān)鍵所在。根據(jù)McKinsy的研究發(fā)現(xiàn)，雖然可通過(guò)節(jié)能的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)或電驅(qū)動(dòng)裝置彌補(bǔ)車(chē)身重量的增加，但同時(shí)也必須將汽車(chē)中輕質(zhì)化元件的比例從2013年的30%提高到2030年的70%。蓄電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)因?yàn)樾铍姵刂亓枯^大的原因?qū)⒃黾蛹s250公斤。汽車(chē)底盤(pán)和制動(dòng)將會(huì)承受更大的載荷，所以部件必須更加堅(jiān)固，而且能夠承受更重的載荷。

       汽車(chē)座椅的輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)潛力是一個(gè)非常有趣的話題。雖然在部分汽車(chē)中已經(jīng)采用了鎂材質(zhì)的座椅結(jié)構(gòu)，例如梅賽德斯SLK，但是鋼板結(jié)構(gòu)所占比例還很大。因此在本研究中還要加大開(kāi)發(fā)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)潛力的力度。目的是通過(guò)一種高強(qiáng)度輕質(zhì)化一體式壓鑄鎂材靠背結(jié)構(gòu)代替多組件構(gòu)成的鋼制座椅靠背。最后制造一種強(qiáng)度可與原部件媲美的輕質(zhì)化鎂合金部件。

鎂合金壓鑄件的理念和設(shè)計(jì)

       在下圖靠背（圖2a）的設(shè)計(jì)中介紹了開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。這是一種應(yīng)用在量產(chǎn)高級(jí)汽車(chē)中的座椅結(jié)構(gòu)。此種座椅已經(jīng)作為V8機(jī)動(dòng)化的皮革材質(zhì)包裹的標(biāo)準(zhǔn)配置，而且還具備頭枕電動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

      首先將靠背的真實(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到CAD模塊中。連接件與頭枕支架以及座椅后部結(jié)構(gòu)的連接方式均與原型完全一致，從而能夠盡可能真實(shí)模擬。

       原鋼板結(jié)構(gòu)包括六個(gè)單件，其中四個(gè)單件經(jīng)過(guò)沖壓和壓制加工。所有部件一共需要十六條焊縫組裝在一起，最后噴上防銹漆（圖2b）�？傊剡_(dá)到3.24公斤。 

       第一個(gè)目標(biāo)是，將6個(gè)部件組成的座椅靠背，包括通過(guò)鎂合金壓鑄工藝重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)造。該部件采用合金AM60（EN-MC MgAl6Mn），從而能夠滿(mǎn)足可鑄性、延伸率和抗拉強(qiáng)度的綜合要求。制造部件至少能夠符合標(biāo)準(zhǔn)檢查規(guī)定的強(qiáng)度要求。鎂制部件不僅能夠吸收致壞變形能量，還能實(shí)現(xiàn)原板式結(jié)構(gòu)。最后采用模擬分析軟年對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑄造模擬，并評(píng)估可操作性。本文開(kāi)頭通過(guò)對(duì)應(yīng)的FEM分析（FEM-有限元建模）對(duì)原板式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估，并獲得了參考值，通過(guò)該參考值作為分析的載荷參數(shù)。在與行車(chē)方向相反的方向上對(duì)頭枕施加890N的力。該力值為歐盟/ECE審核中規(guī)定的部件所能承受的最小力值。如果靠背能夠承受該載荷，再逐步提高力值，直至部件中出現(xiàn)裂紋或不穩(wěn)定的情況。

       同樣的，鎂合金壓鑄件也要進(jìn)行FEM模擬。第一種設(shè)計(jì)（圖3）是適合壓鑄工藝的帶拔模角度的幾何結(jié)構(gòu)。座椅結(jié)構(gòu)和頭枕的連接位置，以及皮革和其他重要鏤空結(jié)構(gòu)的鉤子設(shè)置在板式結(jié)構(gòu)的原來(lái)位置上。組件重1.45公斤，比鋼板靠背的一半重量還輕。在橫撐到側(cè)壁的過(guò)渡段中設(shè)置了不夠堅(jiān)固的邊緣，該部件只能承受325N的力，因此該結(jié)構(gòu)未通過(guò)檢查。

       對(duì)第2代靠背結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛度優(yōu)化。也就是說(shuō)，在整個(gè)后壁的上部橫撐中增加了翻邊，強(qiáng)化了側(cè)壁和橫撐之間的邊緣，同時(shí)在橫撐的背面設(shè)置了肋條（圖4）。此種相對(duì)簡(jiǎn)單但是非常有效的措施將可承受載荷大大提高到了1406N。通過(guò)此種改變，與第1代相比部件重量?jī)H增加到了1.52公斤。板式靠背與第2代鎂制鑄造靠背的FEM模擬對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，此種量產(chǎn)靠背能夠承受比890N更高的載荷，而且只需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)（圖5）。

       在上一個(gè)FEM模擬和有效增加剛度卷邊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了第3代優(yōu)化設(shè)計(jì)。卷邊設(shè)計(jì)橫貫整個(gè)部件，進(jìn)一步提高了高度。此外從減重的目的出發(fā)，進(jìn)一步增加了鏤空面積。這代版本（圖6）完全采用了一種新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。橫撐中的過(guò)渡段采用了新結(jié)構(gòu)，取消了此前容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的尖銳邊緣。通過(guò)FEM分析的結(jié)果表明，此部件可承受1691N（+81%）的載荷，剛度與原來(lái)相比大大增加。盡管如此，在載荷分析中還是發(fā)現(xiàn)了新增卷邊的薄弱點(diǎn)。在該薄弱點(diǎn)位置上出現(xiàn)了損壞，因?yàn)椴煌�的卷邊形成了彎折邊緣（圖7）。

       在第4代鎂制靠背結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)階段中通過(guò)特殊肋條設(shè)計(jì)對(duì)剛度進(jìn)行了優(yōu)化。部件的基本結(jié)構(gòu)采用了與第3代相同的側(cè)壁和橫撐。側(cè)壁和橫撐上邊緣位置的壁厚從2mm增大到3mm。另一個(gè)主要的改變就是整個(gè)部件的前側(cè)和后側(cè)增加了肋條結(jié)構(gòu)（圖8）。采取措施之后，與原鋼板結(jié)構(gòu)相比，剛度提高了270%，可承受載荷增加到了3462N。該結(jié)構(gòu)為目前具有最大剛度的結(jié)構(gòu)，重量增加到了2.23公斤。雖然重量有所增加，但是仍然大大低于鋼板結(jié)構(gòu)的量產(chǎn)靠背。在上一代壓鑄件的基礎(chǔ)上基于輕質(zhì)化目的開(kāi)發(fā)了第5代鎂制靠背結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中取消了對(duì)于妥協(xié)剛度和重量?jī)?yōu)化來(lái)說(shuō)并不重要的肋條結(jié)構(gòu)（圖9）。盡管存在鑄造工藝技術(shù)難題，也將壁厚進(jìn)一步降低到了1mm，并進(jìn)一步增加了鏤空面積。通過(guò)上述改動(dòng)減少了70%的重量，重量下降到0.96公斤。所承受的載荷仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于載荷極限目標(biāo)值1299N。

通過(guò)軟件進(jìn)行鑄造模擬分析

       為了驗(yàn)證經(jīng)過(guò)重量?jī)?yōu)化的第5代鎂制靠背結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)鑄造技術(shù)生產(chǎn)制造，通過(guò)分析軟件進(jìn)行了鑄造模擬分析。首先要開(kāi)發(fā)適用于該結(jié)構(gòu)的鑄造流程系統(tǒng)。需要特別注意的是，要避免不適合的斷裂幾何結(jié)構(gòu)造成熔液渦流。圖10a展示了一種密封式的充填過(guò)程。通過(guò)特別設(shè)置的溢流口進(jìn)行排氣，減少氣孔（圖10b）。

       總結(jié)和討論

       根據(jù)開(kāi)發(fā)的鎂制鑄件靠背研究發(fā)現(xiàn)，輕質(zhì)鑄件在汽車(chē)工業(yè)中具有非常大的應(yīng)用潛力。除了能夠通過(guò)采用輕質(zhì)化材料形成輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)，還具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。目的是通過(guò)高剛度和輕質(zhì)化一體式鎂合金壓鑄件取代6個(gè)部件構(gòu)成的鋼板結(jié)構(gòu)靠背，通過(guò)對(duì)各個(gè)方面的模擬分析證明了可行性。同時(shí)還顯示，在原條件下通過(guò)肋條結(jié)構(gòu)可大大增強(qiáng)部件的剛度�？勘车牟煌�評(píng)估階段可通過(guò)符合EU/ECE規(guī)則（UN/ECE-聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)）的有限元分析法進(jìn)行檢查和評(píng)估。

       開(kāi)發(fā)的鎂壓鑄件符合標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至在某些方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖11所示。一體式鑄件的其他優(yōu)點(diǎn)還包括減少了工藝步驟（壓制，沖壓，焊接，清理和噴漆等），從而縮短了工藝環(huán)節(jié)。因此大大減少能源消耗，并增加回收潛力以及提高了資源利用率。

       可以確定，通過(guò)該研究工作開(kāi)發(fā)的輕質(zhì)靠背結(jié)構(gòu)不僅能夠滿(mǎn)足本文開(kāi)頭提出的目的以及要求，在汽車(chē)行業(yè)中還有很大的應(yīng)用可行性。不僅大大減輕了車(chē)重，還會(huì)持續(xù)降低CO2的排放。本研究的經(jīng)濟(jì)性方面目前尚未展開(kāi)，在下一步工作中將會(huì)仔細(xì)觀察其他節(jié)能的鑄造工藝和流程。