基于多元轻量材料的概念车



基于多元轻量材料的概念车

多元材料轻量化汽车是由麦格纳国际公司和福特汽车公司共同承担美国能源部DEEE0005574项目所开发的。该项目旨在保证一辆5座轿车性能和乘员安全的基础上，利用多元材料对该车进行轻量化处理。制造了原型车并对原型车进行整车测试。利用市场现有材料以及通用生产流程设计制造了多材料轻量化Mach-I车辆，相比原车，该车整车质量减轻364kg，约为原车的23.5%，使得该车可使用排量为1.0L的3缸发动机，有效降低了燃油消耗量。介绍了轻量化设计及其研究过程，尤其对自动变速器的相关组件进行了分析。

通过分析自动变速器和驱动桥的相关部件，最终确定3个部件作为多材料轻量化研究重点。第1部分为离合器后盖和齿轮组件；第2部分为发动机支架；第3部分为自动变速器箱体。

（1）离合器后盖和齿轮组件。同时考虑减轻质量和降低转动惯量，选择离合器后盖和齿轮组件进行轻量化处理是显而易见的。常用钢制离合器后盖质量为0.71kg，替换成铝制件后盖后的质量减轻了0.39kg。经过分析，以7075-T6铝取代原低合金高强度钢后需要对后盖和齿轮组件的几何形状和加工程序进行重新设计。过去，采用激光焊接连接离合器后盖与齿轮组件，由于铝制后盖和钢制齿轮熔点不同，因而不能使用激光焊接。使用摩擦焊接可以解决该问题，摩擦焊接会引起后盖和齿轮轻微的尺寸变化，部分齿轮轴的轴肩被移除，以保证其与铝壳有较大的接触面积。

（2）发动机支架。由于铸铁发动机支架质量较大，因而将其长期作为汽车轻量化的主要目标。由于发动机支架是高负荷的结构件，因而限制了人们对其进行轻量化的做法。由于多材料轻量化汽车使用一个小排量发动机，因而产生的负荷较小，传递到发动机支架上的负荷也随之降低，这样就可以对发动机支架进行轻量化处理。传统的发动机支架材料为JIS G5502 FCD 450-10球墨铸铁，其质量为3.57kg。将其材料替换为T6态390铝合金后，其质量减轻了1.83kg。此外，发动机支架使用22个M6型紧固螺钉，将其由钢制改为铝制，质量还可减轻0.3kg。

（3）自动变速器。自动变速器是传动系统中另一个大质量的部件，是汽车轻量化的主要目标。将其零部件由铸造铝合金改为铸造镁合金，质量减轻1/3。自动变速器原由上下两个铸造380铝构件组成，质量为2.52kg，改为AZ91D镁合金后则为1.66kg，减轻了0.86kg。自动变速器中包含22个连接不同长度传动装置的紧固件和2个附加的连接上下两部分的紧固件，将这些紧固件由钢改为铝，质量还将减轻0.2kg。

利用有限元分析方法对改进后的组件及整车进行多种试验验证，证明了在不影响汽车性能和安全性的前提下，采用多材料制件可以实现汽车的轻量化。

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

编译：王祥