輕量化材料在汽車制造的應(yīng)用
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摘要:目前在世界各國汽車的廣泛利用給人類帶來了生活上以及方方面面的諸多便利，可是不容忽視的是汽車工業(yè)的快速發(fā)展，交通安全、環(huán)保、能源消耗各方面所面臨的諸多問題也備受世界所關(guān)注，汽車產(chǎn)量和社會保有量也都在逐年增加。隨著人們對高品質(zhì)生活的需求，對汽車的依賴也是變得越來越離不開。在能耗、環(huán)境污染以及交通安全面臨著的巨大壓力和挑戰(zhàn)面前，汽車輕量化材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以有效應(yīng)對這些難題。既能有效降低尾氣排放量，又能降低材料和能源消耗，這也將成為汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要方向，對實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
1輕量化材料對汽車工業(yè)發(fā)展的意義
(1)有目共睹，整車質(zhì)量大大影響著汽車油耗與排放量。在行駛安全、舒適性不變的基礎(chǔ)上，輕量化材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用能夠有效的減輕車身重量，繼而有效提高汽車動力并明顯減少燃料消耗。實(shí)驗(yàn)表明，汽車整車質(zhì)量每降低100公斤，百公里油耗可降低0．3-0．6升。汽車質(zhì)量每減輕10%，油耗下降6%-8%，排放量下降4%，因此輕量化材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以有效直接降低汽車油耗與排放量。(2)安全行駛方面，輕量化材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用直接導(dǎo)致整車重量下降，碰撞時(shí)慣性與制動距離都得到相應(yīng)減小，可以提高汽車安全性能。
2輕量化材料
輕量化材料，一般通過采用輕量化的金屬以及非金屬材料才可以實(shí)現(xiàn)，其主要包括了工程塑料以及其他多種復(fù)合材料?，F(xiàn)在在整個(gè)汽車行業(yè)的材料輕量化已經(jīng)成為一種趨勢，在不影響車身強(qiáng)度的情況下，使用更多的鋁合金、鎂合金、工程塑料等有助于降低車身自重，從而帶來更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，行業(yè)里生產(chǎn)一輛一般家用普通轎車，真?zhèn)€車身的主要材料重量構(gòu)成比例為:鋼鐵占據(jù)65%-70%、有色金屬占據(jù)10%-15%、非金屬材料占據(jù)20%左右。母庸質(zhì)疑的是在輕量化趨勢的帶動下，如輕金屬材料、復(fù)合材料等多種新型材料將會越來越多的應(yīng)用到汽車上面去，并且這些新型材料還會占據(jù)一些傳統(tǒng)汽車材料的地位和比例。輕量化材料中，現(xiàn)在整個(gè)汽車行業(yè)中鋼鐵材料仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但不容置喙的是鋼鐵材料的應(yīng)用比例正在逐年下降和減少，工程塑料、鎂合金、鋁合金、復(fù)合材料等這些材料的應(yīng)用數(shù)量正在逐漸增多。鎂合金密度約為鋁的2/3，鋼的1/4，加上其具備比強(qiáng)度高、比彈性模量大等這些汽車工業(yè)必須的優(yōu)點(diǎn)，成為常用金屬結(jié)構(gòu)材料最受青睞的一種材料，并且在汽車中的應(yīng)用也在逐步上升。目前在離合器、車輪轂、齒輪箱、汽進(jìn)氣歧管、傳動外殼、等方面應(yīng)用較多，但是因?yàn)槭芗夹g(shù)和成本等方面的約束，目前在汽車工業(yè)中鎂合金用量還不算太大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)汽車平均用鎂量大概只有3kg，而北美的汽車平均用鎂量也同樣10kg都不到。作為包含多種優(yōu)異性能的輕量化材料里，碳纖維材料的前景極被看好，盡管目前階段還有諸多挑戰(zhàn)和科技難題等待攻克，其中最關(guān)鍵在于成本太高。
3輕量化材料
要安全也要低成本減重并不代表降低安全性。汽車的安全性主要取決于整體的設(shè)計(jì)和材質(zhì)的運(yùn)用，隨著輕量化的實(shí)現(xiàn)，眾多車型的用料逐漸高級，采用更高強(qiáng)度更輕重量的新型復(fù)合材料的運(yùn)用，例如碳纖維、鋁合金等材料。輕量化不只是單純的減重，重要的還有工藝、性能、成本等多重必要因素。如果說單一材料的話是很難滿足各種汽車零部件的硬性需求。所以汽車輕量化的發(fā)展趨勢其實(shí)就是多種新型材料的混合應(yīng)用。要恰當(dāng)?shù)牟课皇褂米詈线m的材料，工程人員有必要了解各種輕量化材料、加工工藝、相關(guān)的連接技術(shù)、以及優(yōu)化技術(shù)。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提出過輕量化技術(shù)的發(fā)展思路分三個(gè)階段主要來實(shí)現(xiàn)汽車的逐年減重。2016年-2020年，整車質(zhì)量比2015年減重10%;2021年-2025年，整車質(zhì)量比2015年減重20%;2026年-2030年，整車質(zhì)量比2015年減重35%。當(dāng)然多數(shù)輕質(zhì)材料的大量應(yīng)用都會不可避免的面臨成本問題這一因素的制約。在技術(shù)突破方面面前，輕量化所帶來的成本壓力也會更大。成本之外，還有一個(gè)絕對不容忽視的問題，就是汽車駕駛安全問題，大量實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)成果證明汽車重量與汽車駕駛安全性并不成正比，所以汽車輕量化新型材料的出現(xiàn)更是對于測試等這些環(huán)節(jié)提出了更高的要求。保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的基礎(chǔ)上，最大限度減輕各零部件質(zhì)量，以達(dá)到高輸出功率、低噪音、低振動以及良好的操縱性等，達(dá)到降低油耗減少排放量的目的。
4輕量化材料要求和分析
(1)要求。剛度與材料的彈性模量有密切的關(guān)系，所以只要材料種類確定了，彈性模量這個(gè)也就可以確定了。車輛動力性能、整車NVH性能、和疲勞耐久性能的基礎(chǔ)都來自于良好的剛度，平時(shí)最常見的評判指標(biāo)就是車身扭轉(zhuǎn)剛度等。常用于車身碰撞安全性、耐沖擊等性能的評估的強(qiáng)度問題與材料的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度也緊密相關(guān)，為了提升車子的安全性能，現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)大量采用高強(qiáng)度鋼材就是這個(gè)原因。(2)分析。上述提到的對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化方面，如將車身下部的非連續(xù)性改為連續(xù)性，初衷就是車身在發(fā)生碰撞時(shí)可以分散撞擊能量;增加加強(qiáng)筋;加強(qiáng)防滾架平衡桿;有限元法設(shè)計(jì);采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。質(zhì)量輕、耐磨、耐腐蝕、彈性好、抗沖擊性能優(yōu)、加工成型好和100%可回收等特點(diǎn)，逐漸成為汽車企業(yè)鐘愛的材料。如:碳纖維復(fù)合材料是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維新型纖維材料，它比鋼鐵輕50%，比鋁材輕30%，減重效果相對明顯，應(yīng)用于汽車工業(yè)后，讓車身發(fā)生最明顯的變化就是汽車質(zhì)量減小;另外工程塑料具有質(zhì)輕、防銹、吸震、可設(shè)計(jì)自由大等這些優(yōu)點(diǎn)，在汽車零部件特別是內(nèi)飾部件的應(yīng)用量也在逐步擴(kuò)大。隨著油耗問題越來越被人類所重視，輕量化材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用逐漸成為汽車行業(yè)里面節(jié)能減排最有效辦法。輕量化材料對于降低油耗、減少排放起著不可替代的作用，已成為汽車行業(yè)的熱點(diǎn)，汽車變輕，既能提高車輛性能，更能滿足節(jié)能環(huán)保的需求，整車的燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。
作者:閔五保 胡良存 單位:江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心