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一体式镁合金压铸件=6件钢构件?看德国人如何给座椅靠背减负

时间:2019-02-07编辑: 点击率:

  在轿车中采用轻质化结构的设计非常有助于达到欧盟气候保护目的。达到该目的的基础是,不仅要采用轻质化的材料,还要持续采用轻质化结构。通过该方式不仅能够大幅度的减轻车身重量,还能最大限度的提高部件载荷,同时大幅缩短工艺环节。目前可采用一种高强度轻质一体式压铸合金靠背结构代替多部件组成的钢制座椅靠背,从而实现减重的可能性。

  在本文研究框架内提供了一种优化方案,可代替原来使用的钢板靠背结构,通过一种多变化设计方案进一步达到减重和提高强度的目的。使用个性化铸造系统进行铸造工艺分析,能够发现铸造过程中的薄弱点,并针对薄弱点进行优化。该方法为设计理念到实现可铸造部件的整体开发指明了方向,成为汽车工业轻质化部件持续开发的主导思想。

  汽车供应商也需满足环境保护要求,电动汽车每公里的CO2排放量为0g。虽然降低了整体汽车行业中的排放量,但是根据目前的情况来看,电动汽车和混合动力汽车到2020年只能增加到3百万辆,,与此同时,传统的燃油汽车将增加3千万辆,甚至超过一亿辆。(图1)。

  为了实现欧盟的目标,在轿车中采用轻质化结构是保证满足前提条件的关键所在。根据McKinsy的研究发现,虽然可通过节能的发动机技术或电驱动装置弥补车身重量的增加,但同时也必须将汽车中轻质化元件的比例从2013年的30%提高到2030年的70%。蓄电池驱动汽车因为蓄电池重量较大的原因将增加约250公斤。汽车底盘和制动将会承受更大的载荷,所以部件必须更加坚固,而且能够承受更重的载荷。

  汽车座椅的轻质化结构潜力是一个非常有趣的话题。虽然在部分汽车中已经采用了材质的座椅结构,例如梅赛德斯SLK,但是钢板结构所占比例还很大。因此在本研究中还要加大开发轻质结构潜力的力度。目的是通过一种高强度轻质化一体式压铸材靠背结构代替多组件构成的钢制座椅靠背。最后制造一种强度可与原部件媲美的轻质化合金部件。

  合金压铸件的理念和设计

  在下图靠背(图2a)的设计中介绍了开发重点。这是一种应用在量产高级汽车中的座椅结构。此种座椅已经作为V8机动化的皮革材质包裹的标准配置,而且还具备头枕电动调节功能。

  首先将靠背的真实结构导入到CAD模块中。连接件与头枕支架以及座椅后部结构的连接方式均与原型完全一致,从而能够尽可能真实模拟。

  原钢板结构包括六个单件,其中四个单件经过冲压和压制加工。所有部件一共需要十六条焊缝组装在一起,最后喷上防锈漆(图2b)。总重达到3.24公斤。

  第一个目标是,将6个部件组成的座椅靠背,包括通过合金压铸工艺重新进行设计和构造。该部件采用合金AM60(EN-MC MgAl6Mn),从而能够满足可铸性、延伸率和抗拉强度的综合要求。制造部件至少能够符合标准检查规定的强度要求。制部件不仅能够吸收致坏变形能量,还能实现原板式结构。最后采用模拟分析软年对几何结构进行铸造模拟,并评估可操作性。本文开头通过对应的FEM分析(FEM-有限元建模)对原板式结构进行了评估,并获得了参考值,通过该参考值作为分析的载荷参数。在与行车方向相反的方向上对头枕施加890N的力。该力值为欧盟/ECE审核中规定的部件所能承受的最小力值。如果靠背能够承受该载荷,再逐步提高力值,直至部件中出现裂纹或不稳定的情况。

  同样的,合金压铸件也要进行FEM模拟。第一种设计(图3)是适合压铸工艺的带拔模角度的几何结构。座椅结构和头枕的连接位置,以及皮革和其他重要镂空结构的钩子设置在板式结构的原来位置上。组件重1.45公斤,比钢板靠背的一半重量还轻。在横撑到侧壁的过渡段中设置了不够坚固的边缘,该部件只能承受325N的力,因此该结构未通过检查。

  对第2代靠背结构首先进行了结构优化,并对结构进行了刚度优化。也就是说,在整个后壁的上部横撑中增加了翻边,强化了侧壁和横撑之间的边缘,同时在横撑的背面设置了肋条(图4)。此种相对简单但是非常有效的措施将可承受载荷大大提高到了1406N。通过此种改变,与第1代相比部件重量仅增加到了1.52公斤。板式靠背与第2代制铸造靠背的FEM模拟对比可以发现,此种量产靠背能够承受比890N更高的载荷,而且只需要进行适当的改动(图5)。

  在上一个FEM模拟和有效增加刚度卷边设计的基础上开发了第3代优化设计。卷边设计横贯整个部件,进一步提高了高度。此外从减重的目的出发,进一步增加了镂空面积。这代版本(图6)完全采用了一种新设计结构。横撑中的过渡段采用了新结构,取消了此前容易出现应力集中的尖锐边缘。通过FEM分析的结果表明,此部件可承受1691N(+81%)的载荷,刚度与原来相比大大增加。尽管如此,在载荷分析中还是发现了新增卷边的薄弱点。在该薄弱点位置上出现了损坏,因为不同的卷边形成了弯折边缘(图7)。

  在第4代制靠背结构的开发阶段中通过特殊肋条设计对刚度进行了优化。部件的基本结构采用了与第3代相同的侧壁和横撑。侧壁和横撑上边缘位置的壁厚从2mm增大到3mm。另一个主要的改变就是整个部件的前侧和后侧增加了肋条结构(图8)。采取措施之后,与原钢板结构相比,刚度提高了270%,可承受载荷增加到了3462N。该结构为目前具有最大刚度的结构,重量增加到了2.23公斤。虽然重量有所增加,但是仍然大大低于钢板结构的量产靠背。在上一代压铸件的基础上基于轻质化目的开发了第5代制靠背结构。在该结构中取消了对于妥协刚度和重量优化来说并不重要的肋条结构(图9)。尽管存在铸造工艺技术难题,也将壁厚进一步降低到了1mm,并进一步增加了镂空面积。通过上述改动减少了70%的重量,重量下降到0.96公斤。所承受的载荷仍然远远高于载荷极限目标值1299N。

  通过软件进行铸造模拟分析

  为了验证经过重量优化的第5代制靠背结构能够通过铸造技术生产制造,通过分析软件进行了铸造模拟分析。首先要开发适用于该结构的铸造流程系统。需要特别注意的是,要避免不适合的断裂几何结构造成熔液涡流。图10a展示了一种密封式的充填过程。通过特别设置的溢流口进行排气,减少气孔(图10b)。

  总结和讨论

  根据开发的制铸件靠背研究发现,轻质铸件在汽车工业中具有非常大的应用潜力。除了能够通过采用轻质化材料形成轻质化结构,还具有非常大的应用价值。目的是通过高刚度和轻质化一体式合金压铸件取代6个部件构成的钢板结构靠背,通过对各个方面的模拟分析证明了可行性。同时还显示,在原条件下通过肋条结构可大大增强部件的刚度。靠背的不同评估阶段可通过符合EU/ECE规则(UN/ECE-联合国欧洲经济委员会)的有限元分析法进行检查和评估。

  开发的压铸件符合标准要求,甚至在某些方面远远超过了标准要求,如图11所示。一体式铸件的其他优点还包括减少了工艺步骤(压制,冲压,焊接,清理和喷漆等),从而缩短了工艺环节。因此大大减少能源消耗,并增加回收潜力以及提高了资源利用率。

  可以确定,通过该研究工作开发的轻质靠背结构不仅能够满足本文开头提出的目的以及要求,在汽车行业中还有很大的应用可行性。不仅大大减轻了车重,还会持续降低CO2的排放。本研究的经济性方面目前尚未展开,在下一步工作中将会仔细观察其他节能的铸造工艺和流程。

  连接技术 新能源 标签: 压铸镁合金 轻量化 座椅  
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