鎂鋁合金材料在汽車方向盤中的應用研究

摘 要：隨著人們節能環保意識的提高，汽車設計逐步傾向輕量化，其中鎂鋁合金材料在汽車零件輕量化的設計中得到廣泛應用。本文介紹了鎂鋁合金的性能和特點，鎂鋁合金的物理性能特點符合方向盤的性能需求，要將鎂鋁合金材料應用到方向盤結構中去，就必須從方向盤骨架結構設計和骨架成型工藝兩個方面來考慮，骨架結構的設計應該同時滿足方向盤的強度要求和鎂鋁合金壓鑄成型的要求，所以鎂鋁合金要在方向盤中應用就必須合理設計骨架結構和提供相應的壓鑄成型條件參數，鎂鋁合金材料特性的研究工作有利于對方向盤輕量化設計工作的進一步深入研究。

關鍵詞：鎂鋁合金材料;結構;性能;工藝;應用

0 引言

汽車的輕量化對于環保和節能尤為重要，有試驗證明，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%，使用輕質材料是降低汽車重量的重要途徑，因此方向盤骨架采用鎂鋁合金材料以代替原來的鋼結構骨架，可以在保證方向盤安全性能的前提下大大降低方向盤的重量，為汽車的輕量化設計做出應有的貢獻，因此大力推廣鎂鋁合金在方向盤的應用非常必要。

鎂合金材料是在純鎂的基礎上添加其他元素組成的合金，添加的元素有鋁、鋅、錳和稀土等，鎂和鎂合金具有很多良好的物性和機械特性：

（1）密度小。純鎂的密度很小，大概是鋁的2/3，鐵的1/4，它幾乎是實用金屬中最輕的金屬。相對以往的鋁合金骨架和鋼板焊接的骨架，同樣一個骨架重量分別可以減少400g和2000g左右，這個對于那些要求方向盤轉動慣量小于30gm2的車型有很大幫助;

（2）比強度和比剛度大。鎂合金的比強度高于鋁合金;比重上的剛性鎂合金也是比較優異，可以滿足整車碰撞中對方向盤剛度的要求，這點也有利于保證固有頻率大于60Hz，降低方向盤由于共振而產生抖動的可能性;

（3）機械加工性能和熱成型性能都比較優異;

（4）鑄造性能優良，由于鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，因此骨架的結構可以設計的空間更大，以往鋁合金和鐵骨架的輪緣是環形的鋼圓框骨，在PU發泡前要針對輪緣部位進行浸膠處理，目的是防止使用方向盤過程中握把產生轉動，可將鎂骨架輪緣設計為U型截面的結構，肉厚基本在4mm左右，利用U型的凹槽卡住PU防止轉動，這樣發泡前可以不用浸膠處理，既減少了浸膠工藝，同時也有環保和降低成本的作用;

（5）阻尼性能優良，鎂合金之比阻尼容量大于鋁合金和鋅合金，鎂合金的延伸率優于鋁合金，吸收沖擊能量的性能更佳，能夠承受較大的沖擊，另外鎂合金對于震動能量的吸收也比較優異，可以減小方向盤抖動得風險，良好的吸能和減震特性，有利于滿足法規要求的人體沖擊試驗中沖擊力小于11123N的要求，減少了駕駛員在發生碰撞中承受的沖擊力，從而能夠更好地保護人身安全;

（6）良好的回收利用特性，方向盤骨架一般使用的材料是AM50A、AM60B（USASTM），一般可以將廢棄的壓鑄邊角料和廢棄的骨架，通過原材料供應商回收后，再進行再融化變成鎂錠，在成本和環保方面比一般的塑料材料都有優勢。

1 鎂鋁合金材料骨架結構設計

骨架結構設計是否合理與汽車發生碰撞后方向盤對人體的傷害程度具有很大的相關性，合理的骨架結構必須滿足汽車對方向盤強度的要求和骨架壓鑄可行性的要求，方向盤強度要求一般是從靜態強度和動態強度兩方面去驗證，靜態的試驗一般有方向盤12點鐘位置的靜態彎曲強度試驗、6點鐘位置的靜態彎曲強度試驗、靜態扭轉強度試驗等;動態試驗一般有人體沖擊試驗和頭部沖擊試驗;因此在做方向盤骨架結構設計的時候要考慮是否可以滿足試驗的要求：比如12點鐘的靜態彎曲強度試驗（見試驗設置圖1），試驗主要模擬乘員頭部撞擊在輪緣12點最弱的位置時靜態的力和位移的關系、目的是保證12點位置的強度設計必須滿足人體頭部撞擊12點位置時受傷指數最低、這就要求力和位移的曲線在一個合理的范圍內（見曲線圖2）另外還要滿足：250N時的永久變形≤0.5mm;350N時的永久變形量≤1mm;490N時永久變形量≤5mm;980N時無裂紋或破壞，因此一般輪緣的結構設計成U型的結構（見圖3），厚度4mm，為了節省開發周期和降低成本、要先做仿真分析、根據仿真模擬試驗的結果，再對輪緣結構進行調整，調整的方式基本有兩種：第一，如果強度太弱可以在U型槽內部增加筋條（見圖4）來增加剛性;第二，如果強度太強可以局部降低U型槽的高度（見圖5），但是如果輪緣太弱也可以局部增加U型槽的高度，不過這時要考慮保證PU至少有5mm的厚度，正是因為鎂合金良好的壓鑄性能的特點，才給骨架結構的設計更大的空間，滿足各主機廠對方向盤標準差異的要求，鋼結構的骨架輪緣是由φ14的圓管彎成圓環而成的，對于強度的調整就比較局限;6點鐘位置的靜態彎曲強度試驗（見試驗設置圖6）、此位置主要是模擬人體的胸部撞擊到方向盤6點鐘位置靜態的力和位移曲線關系、為了保證人體胸部撞擊方向盤后受傷指數最低、這里力和位移的曲線也要在一個合理的范圍內（見曲線圖7）、6點鐘位置的強度主要是受3、9點鐘的輻條和6點鐘輻條強度的影響、根據客戶提供的方向盤A面的造型、一般骨架設計有2輻條、3輻條、4輻條的結構。3、9點鐘的輻條形狀一般設計為半工字型的形狀（見圖8），對于W的設計值：2輻條一般設計為36mm左右，3輻條和4輻條一般設計25mm左右，H值一般設計為8mm～10mm之間，T一般設計為3.5～6mm;6點鐘或5、7點鐘輻條的形狀一般設計為長方形（見圖9），W一般要求大于10mm、T一般設計為3.5～6mm;為了滿足力和位移曲線的要求，可以根據仿真分析的結果對輻條的結構進行調整，調整目的除了要滿足力和位移曲線要求外，還要充分考慮壓鑄模具的可行性和骨架與周邊零件裝配關系;靜態扭轉試驗的效果也是主要受3、9點鐘輻條和6點鐘輻條的結構影響，所以在調整6點鐘靜態彎曲試驗的同時要考慮一下對靜態扭轉強度的影響，但是骨架輪轂部分結構的形狀也會影響靜態彎曲試驗的結果，為了保證輪轂部分的強度，一般將輪轂部分的厚度設計為10mm（見圖10），另外扭轉強度主要還受花鍵部位強度的影響，如果輻條的強度足夠但是花鍵部位的強度不夠也會影響靜態扭轉強度的結構，所以花鍵部位的結構設計尤為重要，花鍵部位設計一般有兩種形式：第一，單獨設計一個鋼結構的花鍵套，在骨架壓鑄前將花鍵套鑲嵌在模具輪轂部分，壓鑄完花鍵被包覆在骨架輪轂中間，然后再對骨架的花鍵部位進行拉削，產生與轉向管柱配合的漸開線齒（也有花鍵壓鑄前已經鍛造成齒的）;第二，取消鋼結構花鍵，直接在輪轂部位壓鑄成型花鍵，壓鑄后花鍵和管柱配合部分的尺寸和原來鋼結構的花鍵一樣，同樣齒形采用拉削刀具拉削成型，取消鋼結構花鍵好處是，降低了骨架的整體重量，成本上也有所降低，最主要是利用了鎂合金良好的機械加工性能和良好的比剛度性能，保證骨架花鍵部位齒形的精度同時滿足靜態扭轉強度的需求;目前第一種方式在市場上用的比較多，第二種主要用在寶馬、奧迪、通用的項目上，隨著國內自主研發能力的增強，現在自主品牌的項目也開始在用第二種方式，比如吉利博瑞，長城H6等。骨架的輪緣、輪輻、輪轂不是獨立存在的，輪緣和輪輻連接，輪輻和輪轂連接，在連接的部位應該特意增大R角尺寸并使其平滑過渡，必要時增加筋條進行加強，因為往往試驗都在連接的部位發生斷裂，所以設計時要避免連接部位應力集中。可見鎂合金的良好的物理特性在方向盤骨架的結構設計上得到充分的利用。

2 鎂鋁合金的壓鑄成型工藝設計

鎂鋁合金骨架成型采用了冷式壓鑄機壓鑄成型工藝，壓力鑄造是在高壓作用下，使液態或半液態金屬以較高的速度充填鑄型的型腔，并在壓力作用下凝固而獲得鑄件的方法。壓力鑄造要求在短時間內和高壓和高速條件下，將模具的型腔填充滿，從而使鑄件具有自己特征;尺寸精度高;鑄件的強度和表面硬度高。

骨架強度的要求比較高，所以壓鑄的工藝參數對于骨架的成型尤為重要，一般骨架采用的鎂合金材料型號為AM50A和AM60B，骨架壓鑄成型后一般會對骨架做落槌試驗，模擬靜態6點鐘的彎曲試驗，快速檢測骨架強度是否滿足設計要求，如果落槌試驗有問題，會做骨架的X-RAY試驗，檢查骨架內部是否有缺陷，通過X-RAY的檢查可以指導工藝人員調整工藝參數。

工藝工程師通過反復地X-RAY檢測和調整壓鑄參數，從而確定了合格骨架的工藝參數，并將其設定保存在壓鑄機上，這樣保證產品生產的一致性，同時保證了骨架性能的一致性。

3 結論與展望

本文主要闡述了鎂鋁合金材料的物理特性以及如何將其特性應用方向盤骨架結構設計研究中，以下結論體現了鎂合金在方向盤中得到充分的應用：

（1）利用鎂合金的低密度特性，實現了方向盤的輕量化和低轉動慣量設計;

（2）利用鎂合金的高比剛度特性，提高了方向盤的固有頻率，減少方向盤共振產生抖動的可能性;

（3）利用鎂合金良好的機械加工特性，實現骨架花鍵一體壓鑄后拉齒成型;

（4）利用鎂合金良好的壓鑄特性，在保證壓鑄工藝可行的前提下，可以充分調整骨架結構使其滿足方向盤強度的標準;

（5）利用鎂合金的良好的比阻尼容量，保證了方向盤在受到人體沖擊的時 候可以吸收更多的能量，減少人體受傷的風險。

由于鎂合金具備良好的特性及我國鎂資源儲量世界首位，在汽車零部件的應用上具備很大的潛力，它應該是汽車工業最有發展前途的輕金屬結構材料。

參考文獻：

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作者簡介：孫劍平（1981-），男，福建漳州人，本科，初級，研究方向：機械電子。