基于多元輕量材料的概念車

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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際公司和福特汽車公司共同承擔美國能源部DEEE0005574項目所開發的。該項目旨在保證一輛5座轎車性能和乘員安全的基礎上，利用多元材料對該車進行輕量化處理。制造了原型車并對原型車進行整車測試。利用市場現有材料以及通用生產流程設計制造了多材料輕量化Mach-I車輛，相比原車，該車整車質量減輕364kg，約為原車的23.5%，使得該車可使用排量為1.0L的3缸發動機，有效降低了燃油消耗量。介紹了輕量化設計及其研究過程，尤其對自動變速器的相關組件進行了分析。

通過分析自動變速器和驅動橋的相關部件，最終確定3個部件作為多材料輕量化研究重點。第1部分為離合器后蓋和齒輪組件；第2部分為發動機支架；第3部分為自動變速器箱體。

（1）離合器后蓋和齒輪組件。同時考慮減輕質量和降低轉動慣量，選擇離合器后蓋和齒輪組件進行輕量化處理是顯而易見的。常用鋼制離合器后蓋質量為0.71kg，替換成鋁制件后蓋后的質量減輕了0.39kg。經過分析，以7075-T6鋁取代原低合金高強度鋼后需要對后蓋和齒輪組件的幾何形狀和加工程序進行重新設計。過去，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不同，因而不能使用激光焊接。使用摩擦焊接可以解決該問題，摩擦焊接會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）發動機支架。由于鑄鐵發動機支架質量較大，因而將其長期作為汽車輕量化的主要目標。由于發動機支架是高負荷的結構件，因而限制了人們對其進行輕量化的做法。由于多材料輕量化汽車使用一個小排量發動機，因而產生的負荷較小，傳遞到發動機支架上的負荷也隨之降低，這樣就可以對發動機支架進行輕量化處理。傳統的發動機支架材料為JIS G5502 FCD 450-10球墨鑄鐵，其質量為3.57kg。將其材料替換為T6態390鋁合金后，其質量減輕了1.83kg。此外，發動機支架使用22個M6型緊固螺釘，將其由鋼制改為鋁制，質量還可減輕0.3kg。

（3）自動變速器。自動變速器是傳動系統中另一個大質量的部件，是汽車輕量化的主要目標。將其零部件由鑄造鋁合金改為鑄造鎂合金，質量減輕1/3。自動變速器原由上下兩個鑄造380鋁構件組成，質量為2.52kg，改為AZ91D鎂合金后則為1.66kg，減輕了0.86kg。自動變速器中包含22個連接不同長度傳動裝置的緊固件和2個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，質量還將減輕0.2kg。

利用有限元分析方法對改進后的組件及整車進行多種試驗驗證，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現汽車的輕量化。

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

編譯：王祥