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UN/ECE-在反向行車方向上對頭枕施加890N載荷的測試-左圖：出現不穩定性時的變形，右圖：過載時的彎折情況（第3代）。

歐盟于2007年制定了環境保護計劃，預計至2020年實現該目標。目標規定，與1990年相比，在歐洲范圍內的能源消耗和溫室氣體排放要下降約20%，同時歐盟內的新能源占比率要提高到20%。

德國作為歐洲最大的經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。

為了實現節能目的，德國必須更加有效的生產并繼續減少汽車的CO2排放量。為了推進減少有害廢氣的排放，歐洲議會規定了所有汽車企業在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，生產企業將被處以高額罰款。

在本文研究框架內提供了一種優化方案，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進行鑄造工藝分析，能夠發現鑄造過程中的薄弱點，并有目的的針對薄弱點進行優化。該方法為設計理念到實現可鑄造部件的整體開發點燃了一盞明燈，從而成為汽車工業輕質化部件持續開發的主導思想。

汽車供應商也需滿足環境保護要求，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中的排放量，但是根據目前的分析來看，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，傳統的燃油汽車將增加3千萬輛，總量超過一億輛。（圖1）。

為了實現歐盟的目標，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McKinsy的研究發現，雖然可通過節能的發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重要的課題。雖然在部分汽車中已經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。

鎂壓鑄件的理念和設計

在后續靠背（圖2a）的設計中介紹了開發重點。這是一種應用在量產高級汽車中的座椅結構。此種座椅已經作為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）。總重達到3.24公斤。

第一個目標是，將6個部件組成的座椅靠背，包括通過鎂材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、斷裂延伸量、延伸極限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定的強度要求。鎂制部件不僅能夠吸收致壞變形能，還能實現原板式結構。最后采用MAGMA5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。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，直至部件中出現裂紋或不穩定的情況。

同樣的，鎂制壓鑄也要進行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化，并對結構進行了剛度優化。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故障模擬對比可以發現，此種量產靠背能夠承受比890N更高的載荷，而且只需要進行適當的改動（圖5）。

在上一個FEM模擬和有效增加剛度卷邊設計的基礎上開發了第3代優化設計。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，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現了新增卷邊的薄弱點。在該薄弱點位置上出現了損壞，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階段中通過特殊肋條設計對剛度進行了優化。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）。采取以上措施之后，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靠背。在上一代壓鑄件的基礎上基于輕質化目的開發了第5代鎂制靠背結構。在該結構中取消了對于妥協剛度和重量優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。

通過模擬軟件進行鑄造模擬分析

為了驗證經過重量優化的第5代鎂制靠背結構能夠通過鑄造技術生產制造，通過Magmasoft進行了鑄造模擬分析。首先要開發適用于該結構的鑄造流程系統。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展示了壓鑄填充過程。通過設置的溢流口進行排氣，減少氣孔（圖10b）。

在模擬分析中首先將模擬的鑄件交聯，通過有限元法在一個單元中分成具有鑄流流道系統和空腔的一半模型。在交聯狀態中通過約20000萬個有限元計算無缺陷部件。由于目前的計算能力有限，因此使用單元數作為交聯質量和計算時間的折中量值。

總結和討論

根據開發的鎂制鑄件靠背研究發現，輕質鑄件在汽車工業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。靠背的不同評估階段可通過符合EU/ECE規則（UN/ECE-聯合國歐洲經濟委員會）的有限元分析法進行檢查和評估。

開發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），從而縮短了工藝環節。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，在汽車行業中還有很大的應用可行性。不僅大大減輕了車重，還會持續降低CO2的排放。本研究的經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能的鑄造工藝和流程。