镁铝合金材料在汽车方向盘中的应用研究

摘 要：随着人们节能环保意识的提高，汽车设计逐步倾向轻量化，其中镁铝合金材料在汽车零件轻量化的设计中得到广泛应用。本文介绍了镁铝合金的性能和特点，镁铝合金的物理性能特点符合方向盘的性能需求，要将镁铝合金材料应用到方向盘结构中去，就必须从方向盘骨架结构设计和骨架成型工艺两个方面来考虑，骨架结构的设计应该同时满足方向盘的强度要求和镁铝合金压铸成型的要求，所以镁铝合金要在方向盘中应用就必须合理设计骨架结构和提供相应的压铸成型条件参数，镁铝合金材料特性的研究工作有利于对方向盘轻量化设计工作的进一步深入研究。

关键词：镁铝合金材料;结构;性能;工艺;应用

0 引言

汽车的轻量化对于环保和节能尤为重要，有试验证明，汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%，使用轻质材料是降低汽车重量的重要途径，因此方向盘骨架采用镁铝合金材料以代替原来的钢结构骨架，可以在保证方向盘安全性能的前提下大大降低方向盘的重量，为汽车的轻量化设计做出应有的贡献，因此大力推广镁铝合金在方向盘的应用非常必要。

镁合金材料是在纯镁的基础上添加其他元素组成的合金，添加的元素有铝、锌、锰和稀土等，镁和镁合金具有很多良好的物性和机械特性：

（1）密度小。纯镁的密度很小，大概是铝的2/3，铁的1/4，它几乎是实用金属中最轻的金属。相对以往的铝合金骨架和钢板焊接的骨架，同样一个骨架重量分别可以减少400g和2000g左右，这个对于那些要求方向盘转动惯量小于30gm2的车型有很大帮助;

（2）比強度和比刚度大。镁合金的比强度高于铝合金;比重上的刚性镁合金也是比较优异，可以满足整车碰撞中对方向盘刚度的要求，这点也有利于保证固有频率大于60Hz，降低方向盘由于共振而产生抖动的可能性;

（3）机械加工性能和热成型性能都比较优异;

（4）铸造性能优良，由于镁合金具有良好的压铸成型性能，因此骨架的结构可以设计的空间更大，以往铝合金和铁骨架的轮缘是环形的钢圆框骨，在PU发泡前要针对轮缘部位进行浸胶处理，目的是防止使用方向盘过程中握把产生转动，可将镁骨架轮缘设计为U型截面的结构，肉厚基本在4mm左右，利用U型的凹槽卡住PU防止转动，这样发泡前可以不用浸胶处理，既减少了浸胶工艺，同时也有环保和降低成本的作用;

（5）阻尼性能优良，镁合金之比阻尼容量大于铝合金和锌合金，镁合金的延伸率优于铝合金，吸收冲击能量的性能更佳，能够承受较大的冲击，另外镁合金对于震动能量的吸收也比较优异，可以减小方向盘抖动得风险，良好的吸能和减震特性，有利于满足法规要求的人体冲击试验中冲击力小于11123N的要求，减少了驾驶员在发生碰撞中承受的冲击力，从而能够更好地保护人身安全;

（6）良好的回收利用特性，方向盘骨架一般使用的材料是AM50A、AM60B（USASTM），一般可以将废弃的压铸边角料和废弃的骨架，通过原材料供应商回收后，再进行再融化变成镁锭，在成本和环保方面比一般的塑料材料都有优势。

1 镁铝合金材料骨架结构设计

骨架结构设计是否合理与汽车发生碰撞后方向盘对人体的伤害程度具有很大的相关性，合理的骨架结构必须满足汽车对方向盘强度的要求和骨架压铸可行性的要求，方向盘强度要求一般是从静态强度和动态强度两方面去验证，静态的试验一般有方向盘12点钟位置的静态弯曲强度试验、6点钟位置的静态弯曲强度试验、静态扭转强度试验等;动态试验一般有人体冲击试验和头部冲击试验;因此在做方向盘骨架结构设计的时候要考虑是否可以满足试验的要求：比如12点钟的静态弯曲强度试验（见试验设置图1），试验主要模拟乘员头部撞击在轮缘12点最弱的位置时静态的力和位移的关系、目的是保证12点位置的强度设计必须满足人体头部撞击12点位置时受伤指数最低、这就要求力和位移的曲线在一个合理的范围内（见曲线图2）另外还要满足：250N时的永久变形≤0.5mm;350N时的永久变形量≤1mm;490N时永久变形量≤5mm;980N时无裂纹或破坏，因此一般轮缘的结构设计成U型的结构（见图3），厚度4mm，为了节省开发周期和降低成本、要先做仿真分析、根据仿真模拟试验的结果，再对轮缘结构进行调整，调整的方式基本有两种：第一，如果强度太弱可以在U型槽内部增加筋条（见图4）来增加刚性;第二，如果强度太强可以局部降低U型槽的高度（见图5），但是如果轮缘太弱也可以局部增加U型槽的高度，不过这时要考虑保证PU至少有5mm的厚度，正是因为镁合金良好的压铸性能的特点，才给骨架结构的设计更大的空间，满足各主机厂对方向盘标准差异的要求，钢结构的骨架轮缘是由φ14的圆管弯成圆环而成的，对于强度的调整就比较局限;6点钟位置的静态弯曲强度试验（见试验设置图6）、此位置主要是模拟人体的胸部撞击到方向盘6点钟位置静态的力和位移曲线关系、为了保证人体胸部撞击方向盘后受伤指数最低、这里力和位移的曲线也要在一个合理的范围内（见曲线图7）、6点钟位置的强度主要是受3、9点钟的辐条和6点钟辐条强度的影响、根据客户提供的方向盘A面的造型、一般骨架设计有2辐条、3辐条、4辐条的结构。3、9点钟的辐条形状一般设计为半工字型的形状（见图8），对于W的设计值：2辐条一般设计为36mm左右，3辐条和4辐条一般设计25mm左右，H值一般设计为8mm～10mm之间，T一般设计为3.5～6mm;6点钟或5、7点钟辐条的形状一般设计为长方形（见图9），W一般要求大于10mm、T一般设计为3.5～6mm;为了满足力和位移曲线的要求，可以根据仿真分析的结果对辐条的结构进行调整，调整目的除了要满足力和位移曲线要求外，还要充分考虑压铸模具的可行性和骨架与周边零件装配关系;静态扭转试验的效果也是主要受3、9点钟辐条和6点钟辐条的结构影响，所以在调整6点钟静态弯曲试验的同时要考虑一下对静态扭转强度的影响，但是骨架轮毂部分结构的形状也会影响静态弯曲试验的结果，为了保证轮毂部分的强度，一般将轮毂部分的厚度设计为10mm（见图10），另外扭转强度主要还受花键部位强度的影响，如果辐条的强度足够但是花键部位的强度不够也会影响静态扭转强度的结构，所以花键部位的结构设计尤为重要，花键部位设计一般有两种形式：第一，单独设计一个钢结构的花键套，在骨架压铸前将花键套镶嵌在模具轮毂部分，压铸完花键被包覆在骨架轮毂中间，然后再对骨架的花键部位进行拉削，产生与转向管柱配合的渐开线齿（也有花键压铸前已经锻造成齿的）;第二，取消钢结构花键，直接在轮毂部位压铸成型花键，压铸后花键和管柱配合部分的尺寸和原来钢结构的花键一样，同样齿形采用拉削刀具拉削成型，取消钢结构花键好处是，降低了骨架的整体重量，成本上也有所降低，最主要是利用了镁合金良好的机械加工性能和良好的比刚度性能，保证骨架花键部位齿形的精度同时满足静态扭转强度的需求;目前第一种方式在市场上用的比较多，第二种主要用在宝马、奥迪、通用的项目上，随着国内自主研发能力的增强，现在自主品牌的项目也开始在用第二种方式，比如吉利博瑞，长城H6等。骨架的轮缘、轮辐、轮毂不是独立存在的，轮缘和轮辐连接，轮辐和轮毂连接，在连接的部位应该特意增大R角尺寸并使其平滑过渡，必要时增加筋条进行加强，因为往往试验都在连接的部位发生断裂，所以设计时要避免连接部位应力集中。可见镁合金的良好的物理特性在方向盘骨架的结构设计上得到充分的利用。

2 镁铝合金的压铸成型工艺设计

镁铝合金骨架成型采用了冷式压铸机压铸成型工艺，压力铸造是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填铸型的型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件的方法。压力铸造要求在短时间内和高压和高速条件下，将模具的型腔填充满，从而使铸件具有自己特征;尺寸精度高;铸件的强度和表面硬度高。

骨架强度的要求比较高，所以压铸的工艺参数对于骨架的成型尤为重要，一般骨架采用的镁合金材料型号为AM50A和AM60B，骨架压铸成型后一般会对骨架做落槌试验，模拟静态6点钟的弯曲试验，快速检测骨架强度是否满足设计要求，如果落槌试验有问题，会做骨架的X-RAY试验，检查骨架内部是否有缺陷，通过X-RAY的检查可以指导工艺人员调整工艺参数。

工艺工程师通过反复地X-RAY检测和调整压铸参数，从而确定了合格骨架的工艺参数，并将其设定保存在压铸机上，这样保证产品生产的一致性，同时保证了骨架性能的一致性。

3 结论与展望

本文主要阐述了镁铝合金材料的物理特性以及如何将其特性应用方向盘骨架结构设计研究中，以下结论体现了镁合金在方向盘中得到充分的应用：

（1）利用镁合金的低密度特性，实现了方向盘的轻量化和低转动惯量设计;

（2）利用镁合金的高比刚度特性，提高了方向盘的固有频率，减少方向盘共振产生抖动的可能性;

（3）利用鎂合金良好的机械加工特性，实现骨架花键一体压铸后拉齿成型;

（4）利用镁合金良好的压铸特性，在保证压铸工艺可行的前提下，可以充分调整骨架结构使其满足方向盘强度的标准;

（5）利用镁合金的良好的比阻尼容量，保证了方向盘在受到人体冲击的时 候可以吸收更多的能量，减少人体受伤的风险。

由于镁合金具备良好的特性及我国镁资源储量世界首位，在汽车零部件的应用上具备很大的潜力，它应该是汽车工业最有发展前途的轻金属结构材料。

参考文献：

[1]李隆盛.铸造合金及熔炼[M].机械工业出版社，1989.

[2]齐薇.镁合金的性能与铸造方法应用[J].中国科技信息，2007（10）.

[3]袁序弟.镁合金在汽车工业的应用前景[J].汽车科技，2002：1-3.

作者简介：孙剑平（1981-），男，福建漳州人，本科，初级，研究方向：机械电子。