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议汽车轻量化中材料的经济选用

来源:论文联盟  作者:李朝阳 [字体: ]

议汽车轻量化中材料的经济选用

  1 前言 
  汽车轻量化在汽车生态设计中有着重要的作用,这是因为汽车的轻量化不仅可以减少尾气的排放,减少对生态环境的污染,同时还能降低油耗,起到节约资源的作用。经过几十年的发展,汽车轻量化已经取得了长足的发展,这一技术成为了各个汽车厂家重点研究的内容。本文主要对汽车轻量化的含义、应用现状及其材料的经济选用进行了相应的分析和探讨。 
  2 汽车轻量化的含义 
  汽车车身质量占汽车整体质量的30%,空载时,有70%的能源消耗在汽车车身上。采用汽车轻量化技术除了可以降低能耗外,还可以提高汽车操作的稳定性和安全性。使用轻量化材料后,汽车质量会减轻。在其行驶过程中,由于汽车底盘质量比较轻,所以,颠簸会减弱,车身会更加稳定。当汽车遇到撞击时,其撞击能力会被吸收一部分,从而提高汽车运行的安全性。但是,轻量化并不是说汽车质量越轻越好,这需要综合考虑汽车的安全性、经济性和实用性等因素。在保证汽车各项指标都满足要求的情况下,为了降低能耗,使其更加环保、安全,要采用先进的技术或特殊材料尽可能地减轻汽车质量。 
  汽车轻量化并不是简单地缩小汽车的体积或者减轻汽车的质量。汽车的安全性、稳定性、舒适性和耐撞性等与汽车的质量有直接关系,所以,还需要考虑其经济合理性,毕竟汽车属于商品,要让消费者接受它的价格。 
  汽车结构的创新化设计和特殊材料的使用是汽车轻量化技术的重要组成部分。如果汽车车身结构设计合理,不仅可以减少材料的使用量,还能达到轻量化的目的。要想实现汽车轻量化,车身材料是非常重要的。相关研究表明,汽车轻量化主要表现在以下3个方面:①随着新材料的出现,很多性能好的轻质材料被应用于汽车领域,例如高轻度钢、镁合金、钛合金、铝合金、特殊塑料、陶瓷和生态复合材料等;②随着汽车工业设计水平的不断提高,很多汽车开始采用超轻悬架结构、高刚性结构来减轻其质量;③汽车轻量化的发展促使计算机辅助集成技术和结构分析等技术被应用于汽车领域,从而带动汽车联接技术的创新。 
  3 汽车轻量化的发展现状 
  随着科技的快速发展,新材料、新技术已被广泛应用于汽车轻量化领域。目前,很多汽车的变速箱壳体采用的都是镁合金材料,例如上海大众桑塔纳轿车。随着镁合金材料性能的提升,如果曲轴的箱体材料由铝合金变为镁合金,那么,其质量将会减轻30%;如果能进一步改善镁合金材料的抗蠕变性能,那么,自动变速箱的箱体也可以使用镁合金材料制造。 
  汽车轻量化的重点在于车身结构的用材。传统的车身结构是钢材,但随着材料学的发展,铝合金、精炼钢、夹层钢等材料被应用于汽车车身制造上,柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺等技术也得到了应用。不锈钢与高强度的碳钢相比,其强度更高、延展性更好。20世纪90年代,奇瑞等汽车公司就开始进行相关试验。 
  随着时间的推移,我国在汽车结构设计方面也取得了较大的进步,已经从依靠经验设计逐渐发展为应用有限元等现代设计方法实行静强度计算和分析的阶段。在薄板冲压工艺方面,上海通用、五菱与湖南大学合作,开展了深入的研究,而北京航空航天大学则利用开发的CAXA系统研究客车轻量化技术。 
  4 轻量化材料的选用 
  4.1 有色合金 
  (1)铝合金。①变形铝合金。在工业上常见的铝合金板带材、挤压型材和锻造材就是变形铝合金,往往用于汽车的空调冷凝器、蒸发器、车身面板、装饰件、发动机散热器、车身骨架、车轮和悬架系统零件等。经过资料的查阅:日本在1990年所销售的本田NSX车就采用了全铝承载式车身,铝材达到31.3%,内板使用5052-0合金,外板使用6000系列合金,骨架大部使用5182-0合金,车身重量比用冷轧钢板轻200kg,引起了世界性的轰动。由此可见,变形铝合金材料的轻量化效果比较明显。②铸造铝合金。铝铸件在汽车工业市场运用较为广泛,比如日本77%的铝压铸件与76%的铝铸件均为汽车铸件,大多用于发动机悬置支架、车轮、进气歧管、离合器壳体、发动机气缸体、摇臂、活塞、空压机连杆、制动器零件、传动器壳体、气缸盖、把手及罩盖壳体类零件等。这是由于铸造铝合金的合金元素种类较多,具体有Mn、Si、Mg、Li、Cu、Zn等元素,经过多种元素的大量加工以及恰当的工艺可以生产出种类繁多的铝合金。 
  (2)钛合金。钛的密度为4.5g/cm3,具有高强度、耐高温以及耐腐蚀的优点。虽然钛的价格有点昂贵,但是不少汽车的生产还是采用了该原材料。科研人员在汽车材料应用方面,针对钛合金也进行了大量的的试验研究工作。研究表明:用α+β系钛合金制造的发动机连杆,强度相当于45钢调质的水平,而重量可以降低30%;β系钛合金经过超低温加工和时效处理,强度可达2000MPa,可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等,与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比,钛弹簧可降重20%。 
  (3)镁合金。镁在实际应用的金属中,质量是最轻,密度大概为铝的2/3。由镁元素合成的镁合金切削性能好、吸振能力强、易于铸造模型,是非常适合制造汽车零件的原材料。镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用,该合金零件的生产效率比铝高30%左右。镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。 
  4.2 塑料 
  塑料也是轻质材料之一,是汽车制造的必选材料。汽车轻量化,使得聚乙烯、热固性复合材料、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙以及聚氨酯等在内的塑料市场迅速发展。最近几年,聚丙烯是车用塑料的最大品种之一,每年以2.8%左右的速度迅速增长。目前国外汽车的内饰件已基本实现塑料化,塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身和结构件扩展。今后的重点发展方向是外装件用的增强塑料复合材料、开发结构件、高性能树脂材料与塑料,并对塑料材料的回收予以高度重视。 
  4.3 钢材料 
  由于轿车自重的25%在车身,因此车身材料的轻量化对于汽车的发展至关重要。早在上世纪90年代,全球有35家大型钢铁企业通过合作完成了“超轻钢质汽车车身”的研究。该研究表明,车身钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板,可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%,且静态扭转刚度提高80%,静态弯曲刚度提高52%,第一车身结构模量提高58%,满足全部碰撞法规要求。在普通的IF钢板

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的基础上相继开发了高强度IF钢板和烘烤硬化IF钢板,在保持高成型性的同时提高了强度和抗凹陷性,为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。 
  5 结束语 
  综上所述,随着社会经济的发展,人们更加重视节能减排,而汽车轻量化技术势必会得到重视,也会吸引更多的力量研究它,新技术、新材料将也將被广泛应用于汽车设计制造中。因此,汽车轻量化技术的应用还有很大的发展空间。 

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