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摘要:轻量化发展是汽车发展的迫切要求,汽车轻量化是汽车达成节能减排目标的重要途径。汽车轻量化主要是整车结构上轻量化,因此一些材料在汽车轻量化中的应用就显得尤为重要。本文主要从汽车轻量化的发展背景和目前得以在轻量化中应用的材料以及国内外发展局势进行简要概述。
关键词:汽车;轻量化;材料;
自踏入二十一世纪以来汽车工业发展的步伐愈发矫健,汽车在全球的保有量已经达到一个让人惊叹的数字。根据我国公安部交通管理局统计,截止2020年全国机动车保有量达3.72亿量,其中汽车2.81億辆;虽受新冠肺炎疫情影响,二季度新注册登记机动车836万辆,依旧同比增长7.18%。汽车身为日常生活中一个常见用品已然成为生态污染和能源消耗的头号分子。
1.汽车轻量化的研究意义:
随着科学技术的日益发展,工业化和城市化进程的推进,世界各国在经济高速发展的同时越来越着重于生态环境和经济的协和发展并把环境和资源保护提上议程。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,坚持节约资源和保护环境的基本国策。据相关研究表明,汽车每减轻10%质量,就会节省6%~8%的燃料,会使排放下降4%,也就是说汽车每减少100kg可节省燃油0.3~0.5L/(100km),可减少二氧化碳排放8~11g/(100km)。将来单靠提高动力系统或放宽排放标准,只能带来有限的节能减排效果,目前一些节能减排技术已经进入瓶颈期,因此突破机会很小;由此可见,为响应国家号召,汽车轻量化的发展势在必行。
2.汽车轻量化材料的应用
实现汽车轻量化离不开新型材料在汽车轻量化中的应用。通过在整车中引用高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维和树脂材料等或者打造“多材料混合轻量化车身”已成为新型材料在汽车轻量化的应用研究中必然的方向。高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维和树脂材料取代传统构车材料将会很大程度上减轻车身重量。
2.1 高强度钢
高强度钢吸能性好,强度高。其强化机制为固溶强化、析出强化、组织强化、细晶强化和烘烤强化。高强度钢(HSS)其屈服强度在210~550MPa和抗拉强度在270~700MPa,超高强度钢(UHSS)的屈服强度大于550MPa,抗拉强度大于700MPa。高强度钢能够满足车身质量降低的同时,达到碰撞安全性的提高,被广泛应用于汽车制造业领域。常见的,汽车车身A柱、B柱和C柱以及车的前后保险杠及常见的防撞梁等零部件都有采用高强度钢的痕迹,作用是利用零件厚度的减少来减轻车身重量且这样能够让零件的抗变形能力和弹性应变区得以加强,以此来提高发生意外碰撞时的安全性。
2.2 铝、镁合金
铝合金的一大特点就是密度低,2.7g/cm3只有钢铁密度的三分之一。而且它的比强度甚至可以与优质钢相提并论。而铝材料的优点远不止如此,如比模量高,抗热、抗疲劳、耐磨等,主要在汽车底盘中运用,表现出了良好的性能。日本的丰田公司利用了铝基复合材料,不可思议的是基体铝合金的比强度和比模量只有铝基复合材料的二分之一,比传统材料在质量上足足减轻了30%左右,汽车的耗油量降低了15%,此外,丰田公司还把铝基复合材料应用到了引擎的活塞环槽上,可以大大提高发动机的功率[1]。目前有发动机的离合器盖、车轮轮毂、发动机托架都采用铝合金材质,甚至是全铝发动机缸体,这使得汽车的质量得到了降低。
镁合金是最轻的工程结构金属材料,具有资源丰富、密度小、成形性好以及可回收再利用等特点,有“绿色金属结构材料”的美誉。在汽车轻量化的发展趋势下必将起到越来越重要的作用。与铝相比,镁行业规模小很多,还处于成长期,虽然汽车轻量化给镁行业带来更多的发展机遇,但在技术储备、制造技术、体系建设和成本控制等方面也面临着巨大的挑战[2]。目前镁合金应用于一些非承载件等小部件之上,如车顶框、门框、变速器壳体、凸轮盖、进气管等。因为镁合金卓越的性能,其大多用于汽车传动系统、车体系统、发动机系统和底盘系统等部位。
2.3 钛合金
钛合金具有质量轻、密度低、比强度高、耐蚀性好、耐高温和低温柔韧性好等特点。目前,汽车用钛部件主要包括:阀、悬架弹簧和气门弹簧、气门、连杆等。通过减小部分零部件惯性质量和减轻相关零件的负载,以此达到减弱车身振动和改善的发动机性能。钛基合金材料在发动机连杆的重量减轻方面起到了重要作用。用钛合金制作的元件,其抗拉强度要超出普通高强度钢材料20%。钛合金在我国汽车领域中的应用不是十分广泛的主要原因是钛合金材料的成本偏高,钛合金加工工艺难度大,其焊接性能跟其自身优良性能不成正比等。
2.4 碳纤维材料
碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量大于90%。碳纤维作为增强材料和树脂集体复合而成的复合材料,其优势不言而喻,如:密度低、比强度、比模量高,集成度高减少零部件数量,轻量化效果明显;可设计、造型相对自由,实现流线型曲面的成本较低;吸收冲击性能是金属的5倍,有效提高碰撞过程人员安全性;减震性能好。丰田公司的Mark XG Sport车型安装了碳纤维发动机罩后,比采取之前钢制发动机罩足足减轻了6kg的质量。目前碳纤维增强复合材料(CFRP)作为汽车轻量化结构材料,其在性能上完全可以满足要求,眼下批量生产技术和成本是主要问题。基于碳纤维增强热塑性聚合物成型时间短的优点,与热固性聚合物相比,其生产效率更高,更适合大规模生产[3]。
2.5 树脂材料
据调查报告显示,从2001年起,日本的日产公司就已着手采用树脂材料对车身零部件进行替换。至今日产所用的树脂材料已经经历了三代。第一代的树脂材料是聚酰胺/聚丙乙烯(PA/PPE)塑料,且必须是和金属材料混合使用;第二代树脂材料为PP塑料,实现了整个零部件的塑料花;第三代所采用的树脂材料是一种对结构进行改进后的高刚性PP塑料(PP-CF),在强度不变的情况下可以使质量更轻、板厚更低。此外,日产公司看中了CFRP的卓越性能,将其纳入公司所追求的最顶尖的汽车轻量化技术。如利用CFRP三明治结构技术,针对树脂和钢铁粘结,造成厚板中心部位配置密度低的树脂材料。在强度相当的情况下,CFRP材料的重量是铝材料的二分之一、钢铁的五分之一。
3.结论
基于环境污染和能源危机问题,新型材料在汽车轻量化中的应用是推动汽车轻量化发展的不可阻挡的趋势。化工行业或许将成为新型材料在汽车轻量化中的应用的最主要贡献者。轻量化所追求的不仅仅是车身的质量轻,也不单单是车身零部件的减重,要防止钻牛角尖,进入这字面上的思维误区。汽车轻量化其真正意义应该是指在满足汽车综合性能、成本指标,尤其是安全指标的前提下的轻量化,通过采用新的工艺和材料,综合满足减重、节能、安全的要求,需要在减重、性能和成本之间寻求平衡。中国汽车工业尚处于发展阶段,进入十四五规划之后,在提倡“中国制造 2025”国家战略的背景下,汽车研发中的样车试制更要建立以用户需求为目标、以减少浪费、提高效率为手段的指导原则,在汽车研发工作中推广精益管理和技术创新,推动汽车研发面向智能化和精益化提升,提高企业竞争软实力。
参考文献
[1]刘建兰.汽车轻量化材料的应用及发展[J].企业技术开发,2015,34(13):59-60.
[2]杜 行.新型材料和工艺在汽车轻量化中的应用[J].科技创新与应用,2019(5):148-150.
河南商丘 商丘工学院机械工程学院 476000
关键词:汽车;轻量化;材料;
自踏入二十一世纪以来汽车工业发展的步伐愈发矫健,汽车在全球的保有量已经达到一个让人惊叹的数字。根据我国公安部交通管理局统计,截止2020年全国机动车保有量达3.72亿量,其中汽车2.81億辆;虽受新冠肺炎疫情影响,二季度新注册登记机动车836万辆,依旧同比增长7.18%。汽车身为日常生活中一个常见用品已然成为生态污染和能源消耗的头号分子。
1.汽车轻量化的研究意义:
随着科学技术的日益发展,工业化和城市化进程的推进,世界各国在经济高速发展的同时越来越着重于生态环境和经济的协和发展并把环境和资源保护提上议程。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,坚持节约资源和保护环境的基本国策。据相关研究表明,汽车每减轻10%质量,就会节省6%~8%的燃料,会使排放下降4%,也就是说汽车每减少100kg可节省燃油0.3~0.5L/(100km),可减少二氧化碳排放8~11g/(100km)。将来单靠提高动力系统或放宽排放标准,只能带来有限的节能减排效果,目前一些节能减排技术已经进入瓶颈期,因此突破机会很小;由此可见,为响应国家号召,汽车轻量化的发展势在必行。
2.汽车轻量化材料的应用
实现汽车轻量化离不开新型材料在汽车轻量化中的应用。通过在整车中引用高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维和树脂材料等或者打造“多材料混合轻量化车身”已成为新型材料在汽车轻量化的应用研究中必然的方向。高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维和树脂材料取代传统构车材料将会很大程度上减轻车身重量。
2.1 高强度钢
高强度钢吸能性好,强度高。其强化机制为固溶强化、析出强化、组织强化、细晶强化和烘烤强化。高强度钢(HSS)其屈服强度在210~550MPa和抗拉强度在270~700MPa,超高强度钢(UHSS)的屈服强度大于550MPa,抗拉强度大于700MPa。高强度钢能够满足车身质量降低的同时,达到碰撞安全性的提高,被广泛应用于汽车制造业领域。常见的,汽车车身A柱、B柱和C柱以及车的前后保险杠及常见的防撞梁等零部件都有采用高强度钢的痕迹,作用是利用零件厚度的减少来减轻车身重量且这样能够让零件的抗变形能力和弹性应变区得以加强,以此来提高发生意外碰撞时的安全性。
2.2 铝、镁合金
铝合金的一大特点就是密度低,2.7g/cm3只有钢铁密度的三分之一。而且它的比强度甚至可以与优质钢相提并论。而铝材料的优点远不止如此,如比模量高,抗热、抗疲劳、耐磨等,主要在汽车底盘中运用,表现出了良好的性能。日本的丰田公司利用了铝基复合材料,不可思议的是基体铝合金的比强度和比模量只有铝基复合材料的二分之一,比传统材料在质量上足足减轻了30%左右,汽车的耗油量降低了15%,此外,丰田公司还把铝基复合材料应用到了引擎的活塞环槽上,可以大大提高发动机的功率[1]。目前有发动机的离合器盖、车轮轮毂、发动机托架都采用铝合金材质,甚至是全铝发动机缸体,这使得汽车的质量得到了降低。
镁合金是最轻的工程结构金属材料,具有资源丰富、密度小、成形性好以及可回收再利用等特点,有“绿色金属结构材料”的美誉。在汽车轻量化的发展趋势下必将起到越来越重要的作用。与铝相比,镁行业规模小很多,还处于成长期,虽然汽车轻量化给镁行业带来更多的发展机遇,但在技术储备、制造技术、体系建设和成本控制等方面也面临着巨大的挑战[2]。目前镁合金应用于一些非承载件等小部件之上,如车顶框、门框、变速器壳体、凸轮盖、进气管等。因为镁合金卓越的性能,其大多用于汽车传动系统、车体系统、发动机系统和底盘系统等部位。
2.3 钛合金
钛合金具有质量轻、密度低、比强度高、耐蚀性好、耐高温和低温柔韧性好等特点。目前,汽车用钛部件主要包括:阀、悬架弹簧和气门弹簧、气门、连杆等。通过减小部分零部件惯性质量和减轻相关零件的负载,以此达到减弱车身振动和改善的发动机性能。钛基合金材料在发动机连杆的重量减轻方面起到了重要作用。用钛合金制作的元件,其抗拉强度要超出普通高强度钢材料20%。钛合金在我国汽车领域中的应用不是十分广泛的主要原因是钛合金材料的成本偏高,钛合金加工工艺难度大,其焊接性能跟其自身优良性能不成正比等。
2.4 碳纤维材料
碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量大于90%。碳纤维作为增强材料和树脂集体复合而成的复合材料,其优势不言而喻,如:密度低、比强度、比模量高,集成度高减少零部件数量,轻量化效果明显;可设计、造型相对自由,实现流线型曲面的成本较低;吸收冲击性能是金属的5倍,有效提高碰撞过程人员安全性;减震性能好。丰田公司的Mark XG Sport车型安装了碳纤维发动机罩后,比采取之前钢制发动机罩足足减轻了6kg的质量。目前碳纤维增强复合材料(CFRP)作为汽车轻量化结构材料,其在性能上完全可以满足要求,眼下批量生产技术和成本是主要问题。基于碳纤维增强热塑性聚合物成型时间短的优点,与热固性聚合物相比,其生产效率更高,更适合大规模生产[3]。
2.5 树脂材料
据调查报告显示,从2001年起,日本的日产公司就已着手采用树脂材料对车身零部件进行替换。至今日产所用的树脂材料已经经历了三代。第一代的树脂材料是聚酰胺/聚丙乙烯(PA/PPE)塑料,且必须是和金属材料混合使用;第二代树脂材料为PP塑料,实现了整个零部件的塑料花;第三代所采用的树脂材料是一种对结构进行改进后的高刚性PP塑料(PP-CF),在强度不变的情况下可以使质量更轻、板厚更低。此外,日产公司看中了CFRP的卓越性能,将其纳入公司所追求的最顶尖的汽车轻量化技术。如利用CFRP三明治结构技术,针对树脂和钢铁粘结,造成厚板中心部位配置密度低的树脂材料。在强度相当的情况下,CFRP材料的重量是铝材料的二分之一、钢铁的五分之一。
3.结论
基于环境污染和能源危机问题,新型材料在汽车轻量化中的应用是推动汽车轻量化发展的不可阻挡的趋势。化工行业或许将成为新型材料在汽车轻量化中的应用的最主要贡献者。轻量化所追求的不仅仅是车身的质量轻,也不单单是车身零部件的减重,要防止钻牛角尖,进入这字面上的思维误区。汽车轻量化其真正意义应该是指在满足汽车综合性能、成本指标,尤其是安全指标的前提下的轻量化,通过采用新的工艺和材料,综合满足减重、节能、安全的要求,需要在减重、性能和成本之间寻求平衡。中国汽车工业尚处于发展阶段,进入十四五规划之后,在提倡“中国制造 2025”国家战略的背景下,汽车研发中的样车试制更要建立以用户需求为目标、以减少浪费、提高效率为手段的指导原则,在汽车研发工作中推广精益管理和技术创新,推动汽车研发面向智能化和精益化提升,提高企业竞争软实力。
参考文献
[1]刘建兰.汽车轻量化材料的应用及发展[J].企业技术开发,2015,34(13):59-60.
[2]杜 行.新型材料和工艺在汽车轻量化中的应用[J].科技创新与应用,2019(5):148-150.
河南商丘 商丘工学院机械工程学院 476000