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见证未来 揭秘通用汽车前瞻研发中心



[汽车 技术]
这里是禁区,即便是被允许进入参观的人也会受到严格的限制,所有人的手机摄像头都被贴了“封条”,就连去卫生间也要有专人引路。这里是位于上海的通用汽车中国前瞻技术科研中心,虽然地处中国,但这个科研中心所面对的是通用汽车全球的业务。这里就像是个孕育未来的温床,里面有各种用于探究新技术、将新想法进行实践的车间和尖端设备。

汽车轻量化和智能化已成为全球汽车产业技术发展新趋势。近年来,随着全球节能减排压力和发展趋势,各国纷纷制定严格的乘用车燃料消耗量标准法规,对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出更加严格的要求,汽车的轻量化更是世界汽车的发展趋势。尤其是中国,到2020年汽车燃油消耗降幅明显大于其他国家,燃油排放压力更大,降低汽车整车重量是汽车轻量化最有效途径。

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汽车轻量化就是为汽车“瘦身”,在确保稳定提升性能的基础上,节能化设计各零部件,持续优化车型。实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%;汽车整备重量每减少100千克,百公里油耗可降低0.3~0.6升。

新材料:将推广镁合金材料

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就目前汽车的发展趋势来看,轻量化的设计和研发得到了越来越多的重视,更轻的车身重量对燃油经济性、操控性都有着积极的作用。理论上,重量每减轻10%,油耗就可降低7%左右。

汽车的轻量化趋势

车身上的一些部件由传统的钢制材料改为铝制材料,通过制造工艺的改进使其在减轻重量的同时仍能满足相关使用需求。而一些定位高端的车型,为了能让铝的优势发挥的更极致,他们索性用铝打造出了整个车身,比如奥迪A8、捷豹XJ以及最近备受关注的TESLA
MODEL
S等等。除此之外,也有一些厂商把目光瞄向了碳纤维材质,但这种材料本身以及制造工艺所需要的成本并非是每个汽车厂商都能承受的,至少在短期之内,它不可能被广泛投入使用。

清华大学欧阳明高等教授代表节能与新能源汽车发展战略咨询委员会曾对节能和新能源汽车技术路线图的内容进行了发布,该路线图提出的轻量化技术发展思路,主要分三个阶段实现汽车逐年减重。

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第一阶段为2016年~2020年,实现整车较2015年减重10%。重点发展超高强度钢和先进高强度钢技术,包括材料性能开发、轻量化设计方法、成型技术、焊接工艺和测试评价方法等,实现高强度钢在汽车应用比例达到50%以上,开展铝合金板材冲压制作技术研究并在车身实践,研究不同材料的连接技术。

通用汽车技术科研中心把轻量化的需求寄希望于镁合金,这种材料的重量与碳纤维相近,但制造成本却能有效控制,这对于投入量产至关重要。在原材料价格方面,目前,全球80%的镁矿开采都在中国,这样的开采量决定了它的价格不会高的离谱,考虑到产量变化导致的价格波动,镁的价格大致比铝稍高10%~20%。

第二阶段为2021年~2025年,实现整车较2015年减重20%。以第三代汽车钢和铝合金技术为主线,实现钢铝等多种材料混合车身,全铝车身的大范围应用,实现铝合金覆盖件和铝合金零部件的批量生产和产业化应用,同时加大对镁合金和碳纤维复合材料零部件生产制造技术的开发,增加镁合金和碳纤维零部件的应用比例,单车用铝量达到350kg。

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第三阶段为2026年~2030年,实现整车较2015年减重35%。重点发展镁合金和碳纤维复合材料技术,解决镁合金及复合材料循环再利用问题,实现碳纤维复合材料混合车身及碳纤维零部件的大范围应用,突破复杂零件成型技术和异种零件连接技术。单车用镁合金达到45kg,碳纤维使用量占车重5%。

尽管如此,最终成型的镁合金部件的成本还是要比铝合金部件高出不少,这样的差异主要出现在后续的表面处理环节。我们都知道,镁是一种较为活跃的金属,为了保证它的稳定性,需要采用特殊的涂层材料以及表面处理工艺,这就会导致镁合金部件的成本变高。

据统计,2016年,在中国生产的单车镁合金用量只有7.3kg,与2030年单车镁合金用量目标45kg还有巨大差距,镁合金在未来汽车轻量化应用市场广阔,潜力无限。

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镁合金性能及优点

为了提高研究效率,实验室特意引入了一台立式的镁合金挤压铸造机,相比传统的卧式镁合金铸造机,这套设备将铸造工序进行了优化,它可将融化后的镁水直接打压至铸造机,而为保证材料的稳定性,整个制造过程在一个全封闭的空间进行,节省工序的同时,制造质量也有所提高。

密度低

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压铸镁合金的密度仅为铝合金的2/3,钢铁的1/4,比强度和比刚度均优于钢和铝合金,远高于工程塑料,因此压铸镁合金是一种优良的在许多应用领域内可与上述材料竞争的轻质结构材料。

随着制造工艺的提升,部件的集成度也越来越高,比如一个仪表台支架,原先需要由30个部件焊接成型,现在完全可以做到一体化。在强度方面,根据不同部位的具体情况,可以适当增加板件厚度或搭建相应结构确保整体强度满足需求,事实上,不用担心加厚的部件会提高整体重量,别忘了,镁的密度只有铝的3分之2。

吸振性好

有利于减振和降噪,例如在35MPa的应力水平下,镁合金AZ91D的衰减系数为25%,铝合金A380仅为1%。在100MP应力水平下,镁合金AZ91D、AM60、AS41分别为53%、72%和70%,铝合金A380则仅为4%。

尺寸稳定性高

使镁合金压铸件因环境温度和时间变化所造成的尺寸不稳定减小。

热导率高

镁合金热导率(60~70W/m-1 K-1),仅次于铝合金(约100~70W m-1
K-1),故热扩散性良好。

无磁性,可用于电磁屏蔽。

耐磨性好

镁合金还具有良好的阻尼系数,减振量大于铝合金和铸铁,用于壳体可以降低噪声,用于座椅、轮毂可以减少振动,提高了汽车的安全性和舒适性。镁合金重量轻、吸震性能强、铸造性能好,自动化生产能力和模具寿命高、尺寸稳定,作为最轻的工程材料,镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料,也是最有效的汽车轻量化材料。

镁合金汽车压铸件行业现状

汽车轻量化发展,使镁铝等轻合金铸件的需求量逐年增加。自1990年以来,汽车用镁正以年均20%的增长速度迅速发展,镁合金已成为汽车材料技术发展的一个重要领域。压铸镁合金材料以其可循环利用和少无切屑工艺的先进性,特别适合循环经济和节能低碳及清洁生产要求,在汽车向轻量化发展的进程中占主导地位。各大汽车零部件制造商积极把握发展时机,纷纷投入到镁合金汽车压铸件的生产研发中来。据《中国镁合金汽车压铸件行业分析报告》数据显示,2015年,中国镁合金汽车压铸件行业需求量达到14.9万吨,同比增长23.12%。目前,国内外各汽车企业正致力于研究占车重比例大的车身、发动机、传动系统、行走系统、车轮等钢或铝零部件的镁合金化。

结合我国生产的单车镁合金使用量来看,2017年我国镁合金汽车压铸件行业市场容量将达22.9万吨,到2022年市场容量将达66万吨,年均复合增长率将达到23.5%。

全球汽车单车用镁量较低,汽车用镁合金需求扩张潜力强劲。一直以来,高强度钢、铝合金、工程塑料等轻量化材料广泛应用于汽车及汽车零部件制造的各个方面,而镁合金鉴于种种原因没有得到大力推广和使用,镁合金目前主要应用在仪表盘支架,转向支架,发动机罩盖、方向盘、座椅支架、车内门板、变速器外壳等方面。目前,北美地区每辆汽车使用镁合金3.8kg,日本为9.3kg,欧洲PASSAT和Audi
A4上每辆车使用镁合金达到 14kg,而国产汽车每辆用量平均仅 1.5kg。

镁合金在汽车轻量化中具体应用

汽车内部构造

虽然镁合金耐腐蚀性差,但是对于汽车内部构造来说,防腐不是主要考虑的问题,因此镁合金在汽车内部构造得到了比较广泛的应用,尤其是在仪表盘和转向结构中。据悉,第一支镁合金仪表盘支柱是由通用公司在1961年压铸生产,比使用锌合金压铸生产的同样部件节省了4kg材料。过去十多年间,采用镁合金压铸的仪表盘支柱取得了极大进展。

镁合金在座椅上应用始于1990年代的德国,主要是奔驰公司在 SL
Roadster中使用了镁压铸生产的带有三点安全带的座椅结构。与镁合金在仪表盘上的应用情况相似,近几年,采用镁合金设计、制造的座椅也经历了一个明显提高的过程。现在采用镁合金的座椅结构最薄可以达到2mm,大大减轻了重量。虽然其他材料如高强度钢、铝、复合材料等也得到使用,但是专家预测,镁合金未来将会成为汽车座椅部件轻量化和具有成本效益的一个主要材料。

车身

镁合金在车身应用中受限,但是也得到了整车厂的应用。通用汽车在1997年引进C-5
Corvette时,使用了整片镁合金压铸的车顶框架,此外,镁合金也被应用在凯迪拉克XLR敞篷车的可伸缩硬顶敞篷车顶和顶部框架,福特F-150卡车和SUV也使用了有涂层镁铸件作为散热器的支架。在欧洲,大众汽车公司和奔驰已率先实现了薄壁镁合金铸件在车身面板中的应用。

底盘

当前,铸造或锻造镁合金车轮已被用于许多高价位的赛车或高性能跑车。然而,相对较高的成本和镁合金车轮潜在的腐蚀问题阻止其在大批量生产车辆上的应用。

未来,轻量化、低成本的镁合金底盘部件,如轮毂、发动机悬架以及控制臂等零部件的生产将依赖镁合金铸造工艺的大力提高,已经在铝合金轮毂和底盘部件上开发的各种铸造工艺经过改造后可以成功适用于镁合金。此外,低成本、耐腐蚀图层和新的具有抗疲劳和高冲击强度的镁合金开发也都将加速镁合金在底盘上的应用。

动力总成

动力总成的大部分铸造件如发动机缸体、汽缸盖、传动箱、油底壳等是由铝合金制成。目前,北美生产的皮卡和SUV已经镁合金变速器,大众和奥迪的镁合金手动变速器也在欧洲和中国大批量生产。

当前,通过对镁强化的发动机原型进行的测功仪试验已经取得了有效的进展,这就意味着未来在动力系统中会有更多镁合金得到应用。

镁合金在推广应用中主要挑战

耐腐蚀性差、成本和废品率高是镁合金普及“拦路虎”。

镁合金制造汽车零部件确实存在压铸成本高、废品率高、存在安全生产隐患等问题。中国汽车工业协会顾问杜芳慈说,镁是一种很活泼的元素,耐腐蚀性很差,我国在镁合金零部件抗腐蚀性方面的技术能力要差一些。另外镁在加工过程中,容易发生燃烧和爆炸,存在安全生产问题。生产现场需要严格的管理来保证安全生产。

随着城市化进程的加快,能源变得越来越短缺、环境污染越来越严重,节能减排成为关乎国计民生的重要事件。无论是传统汽车,还是新兴的新能源汽车都十分注重车身轻量化设计,以达到节能环保的目的。

汽车用镁合金蓬勃崛起,同时镁合金压铸工艺日渐成熟,应用范围不断扩大,大型镁合金压铸汽车零部件将推动汽车轻量化的进程。

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