德國作為歐洲最大的經(jīng)濟體在整個歐洲中的CO₂排放量占到約20%，是溫室氣體的排放大戶。盡管德國在減排方面已經(jīng)獲得了部分成效，但是對于進一步減少排放還要承擔很大的責任。

       為了實現(xiàn)節(jié)能目的，德國必須更加有效的生產(chǎn)并繼續(xù)減少汽車的CO₂排放量。為了推進減少有害廢氣的排放，歐洲議會規(guī)定了所有汽車企業(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：

       在轎車中采用輕質化結構的設計非常有助于達到歐盟氣候保護目的。達到該目的的基礎是，不僅要采用輕質化的材料，還要持續(xù)采用輕質化結構。通過該方式不僅能夠大幅度的減輕車身重量，還能最大限度的提高部件載荷，同時大幅縮短工藝環(huán)節(jié)。目前可采用一種高強度輕質一體式壓鑄鎂合金靠背結構代替多部件組成的鋼制座椅靠背，從而實現(xiàn)減重的可能性。

       在本文研究框架內提供了一種優(yōu)化方案，可代替原來使用的鋼板靠背結構，通過一種多變化設計方案進一步達到減重和提高強度的目的。使用個性化鑄造系統(tǒng)進行鑄造工藝分析，能夠發(fā)現(xiàn)鑄造過程中的薄弱點，并針對薄弱點進行優(yōu)化。該方法為設計理念到實現(xiàn)可鑄造部件的整體開發(fā)指明了方向，成為汽車工業(yè)輕質化部件持續(xù)開發(fā)的主導思想。

       汽車供應商也需滿足環(huán)境保護要求，電動汽車每公里的CO₂排放量為0g。雖然降低了整體汽車行業(yè)中的排放量，但是根據(jù)目前的情況來看，電動汽車和混合動力汽車到2020年只能增加到3百萬輛，，與此同時，傳統(tǒng)的燃油汽車將增加3千萬輛，甚至超過一億輛。（圖1）。

       為了實現(xiàn)歐盟的目標，在轎車中采用輕質化結構是保證滿足前提條件的關鍵所在。根據(jù)McKinsy的研究發(fā)現(xiàn)，雖然可通過節(jié)能的發(fā)動機技術或電驅動裝置彌補車身重量的增加，但同時也必須將汽車中輕質化元件的比例從2013年的30%提高到2030年的70%。蓄電池驅動汽車因為蓄電池重量較大的原因將增加約250公斤。汽車底盤和制動將會承受更大的載荷，所以部件必須更加堅固，而且能夠承受更重的載荷。

       汽車座椅的輕質化結構潛力是一個非常有趣的話題。雖然在部分汽車中已經(jīng)采用了鎂材質的座椅結構，例如梅賽德斯SLK，但是鋼板結構所占比例還很大。因此在本研究中還要加大開發(fā)輕質結構潛力的力度。目的是通過一種高強度輕質化一體式壓鑄鎂材靠背結構代替多組件構成的鋼制座椅靠背。最后制造一種強度可與原部件媲美的輕質化鎂合金部件。

鎂合金壓鑄件的理念和設計

       在下圖靠背（圖2a）的設計中介紹了開發(fā)重點。這是一種應用在量產(chǎn)高級汽車中的座椅結構。此種座椅已經(jīng)作為V8機動化的皮革材質包裹的標準配置，而且還具備頭枕電動調節(jié)功能。

      首先將靠背的真實結構導入到CAD模塊中。連接件與頭枕支架以及座椅后部結構的連接方式均與原型完全一致，從而能夠盡可能真實模擬。

       原鋼板結構包括六個單件，其中四個單件經(jīng)過沖壓和壓制加工。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_到3.24公斤。 

       第一個目標是，將6個部件組成的座椅靠背，包括通過鎂合金壓鑄工藝重新進行設計和構造。該部件采用合金AM60（EN-MC MgAl6Mn），從而能夠滿足可鑄性、延伸率和抗拉強度的綜合要求。制造部件至少能夠符合標準檢查規(guī)定的強度要求。鎂制部件不僅能夠吸收致壞變形能量，還能實現(xiàn)原板式結構。最后采用模擬分析軟年對幾何結構進行鑄造模擬，并評估可操作性。本文開頭通過對應的FEM分析（FEM-有限元建模）對原板式結構進行了評估，并獲得了參考值，通過該參考值作為分析的載荷參數(shù)。在與行車方向相反的方向上對頭枕施加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行FEM模擬。第一種設計（圖3）是適合壓鑄工藝的帶拔模角度的幾何結構。座椅結構和頭枕的連接位置，以及皮革和其他重要鏤空結構的鉤子設置在板式結構的原來位置上。組件重1.45公斤，比鋼板靠背的一半重量還輕。在橫撐到側壁的過渡段中設置了不夠堅固的邊緣，該部件只能承受325N的力，因此該結構未通過檢查。

       對第2代靠背結構首先進行了結構優(yōu)化，并對結構進行了剛度優(yōu)化。也就是說，在整個后壁的上部橫撐中增加了翻邊，強化了側壁和橫撐之間的邊緣，同時在橫撐的背面設置了肋條（圖4）。此種相對簡單但是非常有效的措施將可承受載荷大大提高到了1406N。通過此種改變，與第1代相比部件重量僅增加到了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，而且只需要進行適當?shù)母膭樱▓D5）。

       在上一個FEM模擬和有效增加剛度卷邊設計的基礎上開發(fā)了第3代優(yōu)化設計。卷邊設計橫貫整個部件，進一步提高了高度。此外從減重的目的出發(fā)，進一步增加了鏤空面積。這代版本（圖6）完全采用了一種新設計結構。橫撐中的過渡段采用了新結構，取消了此前容易出現(xiàn)應力集中的尖銳邊緣。通過FEM分析的結果表明，此部件可承受1691N（+81%）的載荷，剛度與原來相比大大增加。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。在該薄弱點位置上出現(xiàn)了損壞，因為不同的卷邊形成了彎折邊緣（圖7）。

       在第4代鎂制靠背結構的開發(fā)階段中通過特殊肋條設計對剛度進行了優(yōu)化。部件的基本結構采用了與第3代相同的側壁和橫撐。側壁和橫撐上邊緣位置的壁厚從2mm增大到3mm。另一個主要的改變就是整個部件的前側和后側增加了肋條結構（圖8）。采取措施之后，與原鋼板結構相比，剛度提高了270%，可承受載荷增加到了3462N。該結構為目前具有最大剛度的結構，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構的量產(chǎn)靠背。在上一代壓鑄件的基礎上基于輕質化目的開發(fā)了第5代鎂制靠背結構。在該結構中取消了對于妥協(xié)剛度和重量優(yōu)化來說并不重要的肋條結構（圖9）。盡管存在鑄造工藝技術難題，也將壁厚進一步降低到了1mm，并進一步增加了鏤空面積。通過上述改動減少了70%的重量，重量下降到0.96公斤。所承受的載荷仍然遠遠高于載荷極限目標值1299N。

通過軟件進行鑄造模擬分析

       為了驗證經(jīng)過重量優(yōu)化的第5代鎂制靠背結構能夠通過鑄造技術生產(chǎn)制造，通過分析軟件進行了鑄造模擬分析。首先要開發(fā)適用于該結構的鑄造流程系統(tǒng)。需要特別注意的是，要避免不適合的斷裂幾何結構造成熔液渦流。圖10a展示了一種密封式的充填過程。通過特別設置的溢流口進行排氣，減少氣孔（圖10b）。

       總結和討論

       根據(jù)開發(fā)的鎂制鑄件靠背研究發(fā)現(xiàn)，輕質鑄件在汽車工業(yè)中具有非常大的應用潛力。除了能夠通過采用輕質化材料形成輕質化結構，還具有非常大的應用價值。目的是通過高剛度和輕質化一體式鎂合金壓鑄件取代6個部件構成的鋼板結構靠背，通過對各個方面的模擬分析證明了可行性。同時還顯示，在原條件下通過肋條結構可大大增強部件的剛度�？勘车牟煌�評估階段可通過符合EU/ECE規(guī)則（UN/ECE-聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會）的有限元分析法進行檢查和評估。

       開發(fā)的鎂壓鑄件符合標準要求，甚至在某些方面遠遠超過了標準要求，如圖11所示。一體式鑄件的其他優(yōu)點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，通過該研究工作開發(fā)的輕質靠背結構不僅能夠滿足本文開頭提出的目的以及要求，在汽車行業(yè)中還有很大的應用可行性。不僅大大減輕了車重，還會持續(xù)降低CO2的排放。本研究的經(jīng)濟性方面目前尚未展開，在下一步工作中將會仔細觀察其他節(jié)能的鑄造工藝和流程。