鎂合金車輪的性能分析

程大慶，韓衛(wèi)強(qiáng)，王 碩

Cheng Daqing，Han Weiqiang，Wang Shuo

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

0 引 言

車輪承載整車質(zhì)量、傳遞力和力矩，車輪慣性力大小直接影響整車的加速性能及能耗。車輪工作環(huán)境嚴(yán)苛，既承受路面及各種飛石沖擊，又伴隨高溫、高濕、高鹽侵蝕，要求車輪具有良好的安全性和耐腐蝕性。

20世紀(jì)30年代鋁合金車輪開(kāi)始應(yīng)用在普通汽車上，但在我國(guó)起步較晚，2002 年我國(guó)轎車鋁合金車輪裝車率接近45%[1]，2018 年我國(guó)轎車鋁合金車輪裝車率達(dá)到70%。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，鋁合金車輪越來(lái)越不能滿足輕量化要求。鎂合金作為常見(jiàn)金屬材料中最輕的金屬材料[2]，具有比強(qiáng)度和比剛度高、熱傳導(dǎo)性好、對(duì)振動(dòng)和沖擊吸收性能好、抗凹陷性能好以及焊接和鑄造性能良好等特點(diǎn)。因此，鎂合金車輪有可能成為輕量化車輪的發(fā)展方向。

鋼制車輪及鋁合金車輪在實(shí)際應(yīng)用中已被證實(shí)滿足強(qiáng)度和耐腐蝕性要求，且鋁合金車輪相比鋼制車輪可以較明顯地改善整車能耗，鎂合金車輪由于應(yīng)用較少，其安全性、耐腐蝕性以及對(duì)整車能耗的影響等方面需要進(jìn)一步研究。

本文通過(guò)臺(tái)架測(cè)試和道路實(shí)車測(cè)試，分析鎂合金車輪在強(qiáng)度、防腐性能以及對(duì)整車能耗的影響方面是否滿足大眾車型使用。

1 鎂合金車輪強(qiáng)度

使用已有車型規(guī)格的鎂合金車輪進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和整車道路試驗(yàn)，驗(yàn)證鎂合金車輪強(qiáng)度是否滿足開(kāi)發(fā)要求，試驗(yàn)條件嚴(yán)苛度不低于量產(chǎn)鋁合金車輪，試驗(yàn)結(jié)束后，鎂合金車輪未出現(xiàn)裂紋、變形等現(xiàn)象則判斷合格。

1.1 鎂合金車輪臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)的項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及結(jié)論見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)要求及結(jié)論

由表1 可知，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果顯示，鎂合金車輪的強(qiáng)度滿足整車開(kāi)發(fā)要求。

1.2 鎂合金車輪整車道路耐久試驗(yàn)

實(shí)車搭載鎂合金車輪按照整車結(jié)構(gòu)道路可靠性試驗(yàn)方法，在江蘇鹽城試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行純壞路整車耐久綜合試驗(yàn)，整車滿載狀態(tài)下進(jìn)行250 個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)約30 km。

圖1 為整車耐久試驗(yàn)結(jié)束后放大200 倍的鎂合金車輪不同部位金相組織切片，結(jié)果顯示，鎂合金內(nèi)部析出晶粒細(xì)小，且均勻地分布于晶體的晶界處，金相組織沒(méi)有出現(xiàn)聚集偏析現(xiàn)象。

圖1 放大200 倍的鎂合金車輪不同部位金相組織

試驗(yàn)結(jié)束后鎂合金車輪未出現(xiàn)裂紋、變形等現(xiàn)象，采用鍛壓及輕量化機(jī)加工工藝生產(chǎn)的鎂合金車輪[3]強(qiáng)度滿足整車開(kāi)發(fā)要求。

2 鎂合金車輪防腐能力

使用已有車型規(guī)格鎂合金車輪進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和整車腐蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證鎂合金車輪防腐能力是否滿足整車開(kāi)發(fā)要求，試驗(yàn)條件嚴(yán)苛度不低于量產(chǎn)鋁合金車輪，試驗(yàn)結(jié)束后鎂合金車輪未出現(xiàn)氣泡、涂層脫落、周邊零部件連接區(qū)域及螺母安裝孔區(qū)域掉塊或車輪螺母無(wú)法拆卸的現(xiàn)象則判斷合格。

2.1 鎂合金車輪臺(tái)架防腐試驗(yàn)

鎂合金車輪與輪轂法蘭、緊固件等配接零部件按照整車裝配要求進(jìn)行連接，之后放置在鹽霧箱中進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，每周進(jìn)行一次拆解，記錄鎂合金車輪與輪轂法蘭接觸面的腐蝕情況，試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行，并持續(xù)1 000 h。

中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)束后鎂合金車輪表面腐蝕情況見(jiàn)表2。

表2 鎂合金車輪中性鹽霧臺(tái)架試驗(yàn)表面腐蝕情況

試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)第1 周鎂合金車輪安裝面和車輪螺栓孔腐蝕比較明顯，試驗(yàn)進(jìn)行840 h后，安裝面邊緣和螺栓孔周邊掉塊十分嚴(yán)重，因?yàn)楦g程度嚴(yán)重所以試驗(yàn)終止，鎂合金車輪防腐性能未達(dá)到開(kāi)發(fā)要求。

2.2 鎂合金車輪整車腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)車輛前輪使用原車鋁合金車輪，后輪使用鎂合金車輪，整車腐蝕試驗(yàn)在海南汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，共100 個(gè)循環(huán)，分別在第10 個(gè)循環(huán)、第30個(gè)循環(huán)、第60 個(gè)循環(huán)及試驗(yàn)完成后記錄鋁合金車輪和鎂合金車輪的腐蝕情況。

整車腐蝕試驗(yàn)的車輪腐蝕情況見(jiàn)表3。

表3 整車腐蝕試驗(yàn)車輪腐蝕情況

試驗(yàn)結(jié)果顯示，整車腐蝕試驗(yàn)完成10 個(gè)循環(huán)后，對(duì)比鎂合金車輪與鋁合金車輪，二者涂裝面、安裝法蘭盤及螺栓孔周圍狀態(tài)一致，基本無(wú)腐蝕現(xiàn)象，鎂合金車輪正面輪輻涂裝位置幾乎無(wú)腐蝕，但安裝面和螺母孔位置存在輕微腐蝕掉塊現(xiàn)象；完成60 個(gè)循環(huán)后，鋁合金車輪幾乎無(wú)腐蝕現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)表面防腐處理的鎂合金車輪[4]，輪輻正面幾乎無(wú)腐蝕，背面存在輕微腐蝕，安裝面和螺母孔位置腐蝕掉塊現(xiàn)象加劇，出于安全考慮，終止鎂合金車輪整車腐蝕試驗(yàn)。

3 鎂合金車輪對(duì)整車能耗的影響

3.1 鎂合金車輪對(duì)燃油車油耗的影響

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和整車路試對(duì)比鋁合金車輪與鎂合金車輪對(duì)整車百公里油耗的影響。

某款燃油車的4 個(gè)原裝配鋁合金車輪總質(zhì)量為47.2 kg，4 個(gè)同規(guī)格鎂合金車輪總質(zhì)量為26.0 kg，替換后實(shí)現(xiàn)整車減重21.2 kg。分別對(duì)配備鋁合金和鎂合金車輪的此款燃油車按照 GB/T 18352.3—2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法》[5]進(jìn)行NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）油耗臺(tái)架測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中加載阻力完全一致，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。表4 顯示，燃油車配備鎂合金車輪相比配備鋁合金車輪，市區(qū)工況百公里油耗降低1.1%、郊區(qū)高速工況百公里油耗降低2.5%、百公里綜合油耗降低2.0%。

表4 燃油車臺(tái)架試驗(yàn)油耗測(cè)試結(jié)果

對(duì)采用原裝配鋁合金車輪的燃油車和更換為同規(guī)格鎂合金車輪的燃油車進(jìn)行實(shí)車路試，在市區(qū)測(cè)試6 天累計(jì)運(yùn)行2 800 km，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，后者相比前者百公里油耗降低10.36%。

表5 燃油車路試油耗測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 鎂合金車輪對(duì)純電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程的影響

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和整車路試，對(duì)比鋁合金車輪與鎂合金車輪對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程和整車能量消耗的影響。

分別對(duì)配備鋁合金和鎂合金車輪的某款純電動(dòng)車按照GB/T 18386—2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[6]進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，每次試驗(yàn)前車輛均處于滿電狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。表6顯示，純電動(dòng)車配備鎂合金車輪相比配備鋁合金車輪，在60 km/h 等速行駛工況下續(xù)駛里程提升3.59%、能量消耗降低4.13%，在NEDC 測(cè)試工況下續(xù)駛里程提升6.57%、能量消耗降低2.10%。

表6 純電動(dòng)車臺(tái)架測(cè)試結(jié)果

對(duì)分別配備鋁合金和鎂合金車輪的另一款純電動(dòng)車進(jìn)行實(shí)車路試，在市區(qū)測(cè)試7 天，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，后者相比前者整車減重16 kg，平均百公里耗電量降低16.67%。

表7 純電動(dòng)車路試結(jié)果

4 結(jié) 論

對(duì)鋁合金、鎂合金車輪分別進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車路試，得到如下結(jié)論：（1）強(qiáng)度方面，鎂合金車輪與鋁合金車輪強(qiáng)度性能一致，滿足整車開(kāi)發(fā)要求；（2）整車能耗方面，同規(guī)格鎂合金車輪可有效降低整車質(zhì)量，進(jìn)而降低整車能耗；（3）防腐方面，鎂合金車輪輪輻正面的防腐性能與鋁合金車輪相差不大，但受電化學(xué)腐蝕影響，車輪安裝面、車輪螺栓孔等處的防腐性能遠(yuǎn)低于鋁合金車輪。可以看出，除了鎂合金車輪成本較高外，電化學(xué)腐蝕是制約其應(yīng)用的重要因素。