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汽车的轻量化,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。实验证明,汽车质量降低一半,燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

基本信息

主要指导思想:在确保稳定提升性能的基础上,节能化设计各总成零部件,持续优化车型谱。
实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。当前,由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。 

主要途径

①汽车主流规格车型持续优化,规格主参数尺寸保留的前提下,提升整车结构强度,降低耗材用量;
②采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等;
③采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等;
④采用承载式车身,减薄车身板料厚度等。
其中,当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。

新材料

车用材料主要通过汽车的轻量化来对燃料经济性改善作出贡献。理论分析和试验结果都表明,轻量化是改善汽车燃料经济性的有效途径。为了适应汽车轻量化的要求,一些新材料应运而生并扩大了应用范围。

有色合金

以乘用车来说,1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0%,1980年增至5.6%,而1997年则达到了9.6%。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。

铝合金

铝的密度约为钢的1/3,是应用最广泛的轻量化材料。以美国生产的汽车产品为例,1976年每车用铝合金仅39kg,1982年达到62kg,而1998年则达到了100kg。
(1)铸造铝合金
许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素,但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。当然,在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金,而是多种元素同时添加以获得好的综合性能。
汽车工业是铝铸件的主要市场,例如日本,铝铸件的76%、铝压铸件的77%为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。
铝铸件中不可避免地存在缺陷,压铸件还不能热处理,因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制。为此在铸件生产工艺上作了改进,铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多用的工艺。
(2)变形铝合金
变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材,在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。
由于轻量化效果明显,铝合金在车身上的应用正在扩大。如1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身,比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg,引起全世界的瞩目。NSX全车用铝材达到31.3%,如在全铝车身上,外板使用6000系列合金,内板使用5052-0合金,骨架大部使用5182-0合金;由于侧门框对强度和刚度要求很高,使用以6N01合金为基础、适当调整了Mg和Si含量的合金。在欧美也有用2036和2008合金作车身内外板的。
铝散热器发源于欧洲而后遍及全世界。在欧洲,到20世纪80年代后期铝散热器已占领市场的90%。随?车用空调、油冷却器等的大量使用,铝热交换器的市场迅速扩大。从材料的角度看,铝在热交换器上的广泛应用在很大程度上归功于包覆料覆层铝板和铝带的成功开发。
(3)铝基复合材料
铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好,但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约,还没有形成很大的规模。目前,铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能,如本田公司开发成功的由不?钢丝增强的铝基复合材料连杆比钢制连杆降重30%,对1.2L的汽油发动机可提高燃料经济性5%;采用激冷铝合金粉末与SiC粉末(重量百分数2%)混合并挤压成棒材,用此棒材经锻造成型的活塞因强度高可降重20%,发动机功率大幅度提高;用铝基复合材料强化活塞头部而取消第一道环槽的奥氏体铸铁镶块可降重20%;铝基复合材料制动盘比铸铁制动盘降重50%。

镁合金

镁的密度约为铝的2/3,在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好,很适合制造汽车零件。
镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用,镁压铸件的生产效率比铝高30%~50%。新开发的无孔压铸法(Pore Free Diecast)可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。
镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱上支架相比,镁制件降重65%;与传统的钢制转向轮芯相比,镁制件降重45%;与全铝气缸盖相比,镁制件降重30%;与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比,整体的镁铸件降重40%,同时其刚性也得以改善。
镁基复合材料的研究也有进展,以SiC颗粒为增强体,采用液态搅拌技术得到的镁基复合材料具有很好的性能且生产成本较低。在AZ91合金中加入25%的SiC颗粒增强的复合材料比基体合金拉伸强度提高23%,屈服强度提高47%,弹性模量提高72%。

钛合金

钛的密度为4.5g/cm3,具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵,至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。尽管如此,对钛合金在汽车上应用的试验研究工作却不少。例如用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(Ti-13V-11Cr-3Al等)经强冷加工和时效处理,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%。
钛合金应用的最大阻力来自其高价格,丰田中央研究所开发了一种成本较低的钛基复合材料。该复合材料以Ti-6Al-4V合金为基体,以TiB为增强体,用粉末冶金法生产,已在发动机连杆上应用。

新工艺

钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势,通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力,以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。

高强度钢板

轿车自重的25%在车身,车身材料的轻量化举足轻重。20世纪90年代,世界范围内的35家主要钢铁企业合作完成了“超轻钢质汽车车身”(ULSAB-Ultra Light Steel Auto Body)课题。该课题的研究成果表明,车身钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板(包括高强度、超高强度和夹层减重钢板),可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%(以4门轿车为参照),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。当然,这还是一个研究的成果,高强度钢板在车身上的实际应用还未达到如此高的水平。在普通的IF钢板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。
加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750MPa,可用于车轮和其它底盘零件。
近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。其中铁素体-贝氏体钢强度级别为500MPa,双相(DP)钢和相变诱发塑性(TRIP)钢强度级别为600~800MPa,复相(CP)钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。
激光拼焊毛坯(Tailored Blank)是新近开发并应用的钢板轻量化技术。在前述ULSAB车身有18个零件采用了此技术。

结构钢

钢铁材料的用量虽逐年减少,但高强度钢的用量却有相当大的增加。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化,有助于汽车的轻量化。
(1) 弹簧
悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化,材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素,开发出强度和韧性都很高的钢种,设计许用应力可达1270MPa,这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能,结合改进的奥氏体轧制成型,可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。
气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V,通过晶粒细化确保韧性,由增C提高强度。这样改进后,弹簧的高周疲劳强度约提高8%,可实现15%的轻量化。通过有限元分析,螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发,使弹簧实现7%的轻量化。
提高弹簧疲劳强度的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。弹簧的喷丸,除了传统的应力喷丸之外又发展了双级喷丸。喷丸和氮化也可以复合使用。
(2)齿轮
汽车发动机有高功率化的趋势,而传动器有紧凑小型化的倾向。这势必加大传动齿轮的负荷,从而对齿轮钢的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求也相应提高。
提高钢中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齿轮钢的淬透性和强度,但单纯靠合金元素来强化齿轮钢会使钢的切削性能变坏、热处理工艺复杂,原材料成本和生产成本都会大幅度提高。齿轮渗碳时,为了防止或减少异常层的出现,降低钢中的Si和P含量,Mo量增加到0.35%~0.45%,并采用经改良的碳氮共渗工艺。改进的钢种可使齿轮实物的冲击寿命提高3~5倍,若在上述降低表面异常层钢种加上强力喷丸,可使齿轮疲劳极限提高20%~30%。
齿轮钢中的非金属夹杂物是疲劳裂纹的起点,会降低强力喷丸的强化效果,为此开发了高纯净度齿轮钢。例如对SCM420HZ钢,将氧浓度降到9ppm以下、磷浓度降到90ppm以下时,与前述降低表面异常层的低Si高Mo钢相比,齿轮齿根弯曲疲劳寿命提高10%~17%,接触疲劳寿命提高25%。

高强度铸铁

铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点,在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。
(1) 球墨铸铁
铁素体球墨铸铁拉伸强度可达500MPa,韧性也较高,因此多用于底盘零件,有的车型甚至用作转向节等保安件。
珠光体球墨铸铁强度更高,在一些零件上可代替锻钢件。带平衡块的4缸轿车发动机曲轴采用球墨铸铁加圆角滚压强化,已成为美、德、法等国汽车厂家的标准工艺。因球铁的密度比钢约小10%,所以以球铁代钢可以产生一定的轻量化效果。
奥贝球铁(ADI-Austempered Ductile Iron)具有很高的强度和韧塑性,按美国和德国标准制造的奥贝球铁牌号,其最高强度级别达到1400MPa,超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量,代替锻钢制造曲轴可以降重10%,代替铝合金制造载货车轮毂每只可降重0.5kg。
(2) 蠕墨铸铁
蠕墨铸铁(Vermicular graphite cast iron)又称紧密石墨铸铁(Compacted graphite cast iron),其机械-物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间,很适合制造强度要求较高和要承受热循环负荷的零件,如气缸体、气缸盖、排气歧管和制动鼓等。
蠕墨铸铁的发现与球铁同时,但由于蠕化工艺控制难度较大而应用受到限制,Sinter Cast工艺控制系统为蠕铁的应用开辟了广阔的前景。蠕铁气缸体比灰铸铁气缸体降重16%,而结构刚度则提高12%~25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪音、改善排放。

粉末冶金材料

粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点,其在汽车上的应用有增加的趋势,特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。
组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品,它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮,然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比,可降重25%~30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用,随?柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻,粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。
粉末锻造连杆已经成功应用,近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低,可实现11%的轻量化。

塑料应用

塑料在汽车行业的应用前景同样看好。目前世界上不少轿车的塑料用量已经超过120千克/辆,个别车型还要高,德国奔驰高级轿车的塑料使用量已经达到150千克/辆。国内一些轿车的塑料用量也已经达到90千克/辆。可以预见,随着汽车轻量化进程的加速,塑料在汽车中的应用将更加广泛。汽车轻量化使塑料作为原材料在汽车零部件领域被广泛采用,从内装件到外装件以及结构件,塑料制件的身影随处可见。目前,发达国家已将汽车用塑料量的多少,作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志从现代汽车使用的材料看,无论是外装饰件、内装饰件,还是功能与结构件,到处都可以看到塑料制件的身影。
汽车轻量化“相中”塑料汽车工业的发展与塑料工业的发展密不可分。近年来汽车轻量化成为降低汽车排放、提高燃烧效率的有效措施,也是汽车材料发展的主要方向,它使塑料在汽车中的用量迅速上升。目前发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。
统计显示,汽车一般部件重量每减轻1%,可节油1%;运动部件每减轻1%,可节油2%。国外汽车自身质量同过去相比,已减轻20%—26%。预计在未来的10年内,轿车自身的重量还将继续减轻20%。而塑料等轻量化材料的开发与应用,在汽车的轻量化过程中发挥着重大作用。
汽车材料应用塑料的最大优势是减轻车体的重量。一般塑料的比重在0.9—1.5,纤维增强复合材料的比重也不会超过2.0,而金属材料的比重,A3钢为7.6,黄铜为8.4,铝为2.7。这就使得塑料材料成为汽车轻量化的首选用材。从现代汽车使用的材料看,无论是外装饰件、内装饰件,还是功能与结构件,到处都可以看到塑料制件的影子。外装饰件的应用特点是“以塑代钢”,减轻汽车自重,主要部件有保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板等;内装饰件的主要部件有仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、坐椅、后护板等;功能与结构件主要有油箱、散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶片等。
汽车轻量化,使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、尼龙和聚乙烯等在内的塑材市场得以迅速放大。近两年,车用塑料的最大品种--聚丙烯,每年以2.2%—2.8%的速度加快增长。预计到2020年,发达国家汽车平均用塑料量将达到500千克/辆以上。
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开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料与塑料,并对材料的可回收性予以高度关注。统计显示,全世界平均每辆汽车的塑料用量在2000年就已达105千克,约占汽车总重量的8%—12%。而发达国家汽车的单车塑料平均使用量为120千克,占汽车总重量的12%—20%。如奥迪A2型轿车,塑料件总重量已达220千克,占总用材的24.6%。目前,发达国家车用塑料已占塑料总消耗量的7%—8%,预计不久将达到10%—11%。
对于中国来说,塑料在汽车行业的应用尚处于初级阶段。目前,塑料等非金属材料在国产车上的应用状况还比不上进口车。在欧洲,车用塑料的重量占汽车自重的20%,平均每辆德国车使用塑料近300千克,占汽车总重量的22%。与国外相比,国产车的非金属材料用量仍然偏少。国产车的单车塑料平均使用量为78千克,塑料用量仅占汽车自重的5%—10%。 [2]

发动机机体的轻量化技术

为了减少燃油消耗和降低二氧化碳排放,汽车的轻量化已经成为众所关注的焦点之一。研究表明,汽车整备质量.每减少100 kg,百公里油耗可降低0.3~0.6 L。此外,汽车轻量化还可以提高汽车动力性,节省材料,降低成本。有人预计,到2010年汽车整备质量平均将减轻17%,即250 kg;轿车整备质量将从目前的平均1300 kg左右降至1000 kg。
发动机的轻量化,除了上述目的以外,还涉及到整车的质量分布(汽车行驶动力学)。将汽油机改换成柴油机时,往往会使发动机变重(坚固的结构、涡轮增压器、增压空气冷却器、喷油装置等),导致前桥轴荷增加,使得整车的均衡性受到了破坏。所以,轿车发动机的轻量北已经成为整车开发中一个不可忽视的问题。
发动机轻量化的途径,首先是提高升功率,以降低发动机单位功率的质量。最先进的功率密度指标已逼近1 kg/kW 。以轿车柴油机为例,如果20世纪90年代初升功率还只是在20-30 kW/L徘徊,那么自从20世纪末开始,其上升趋势可谓“突飞猛进”。如今,柴油机最大爆发压力已经达到20 MPa,升功率达到60 kW/L。
铝合金机体铸造工艺的讨论
铝合金机体的铸造工艺从原理上可以分成多次使用的铸型(金属型)和一次使用的铸型(砂型)。砂芯的制造方法也有所不同。当今在大批量生产中最为常用的是砂型重力铸造和压铸。砂型重力铸造在成型方面提供了最大的自由度,可以采用封闭的气缸盖连接面(闭式顶板)。如果生产件数较高(年产20万件以上),那么压铸是一种经济的解决方案。压铸能以很短的节拍、精细的表面质量和精确的尺寸实现铸件薄壁结构。然而,由于熔融金属充型压力很高不能使用砂芯,水套通常必须往上敞开(开式顶板)。这意味着气缸筒缺乏径向的支撑。但是,即使如此也未必会导致气缸筒严重变形。现在,甚至直喷式柴油机都可以做成开式顶板结构。此外,压铸快速的充型过程易导致气泡的生成,以致无法通过热时效硬化改善力学性能。这个缺点可以利用挤压铸造加以避免,因为这种工艺采用的压力较低,使得充型过程明显地减缓,有可能进行补缩。此外,压铸对于水套的长度有着间接的影响。由于气缸直径、拉杆螺栓的位置、密封法兰最小宽度以及必需的通常为0.5°的起模斜度等因素,实际制成的压铸机体的水套通常至多只能覆盖活塞行程的70%。这会降低通过活塞环的热流量,提高机油的热负荷。在机体结构方面,压铸有一些局限性。不过这些均可通过技术手段加以控制。机体是否采用压铸的工艺,首先还是取决于生产批量。
对于高负荷发动机来说,选择砂型铸造更能通过合适的造型工艺、合金优化和热处理来生产可靠、耐久的发动机机体。从零件成本看,充分利用砂型铸造在成型方面较大的自由度,还可以将各种功能整合到气缸体中去,在总体上减轻质量,提高经济效益。
铝合金机体结构必须解决的问题
灰铸铁气缸体改用铝合金铸造,必须满足一些额外的要求,分述如下
1确保气缸筒滑移表面耐磨,不易变形
2满足传递力流的要求
3控制主轴承间隙的扩大
4铝合金较低的弹性模量对声学和振动的影响
发动机机体通过材料和结构实现轻量化的途径
1针对气缸筒滑移表面的措施
2确保力流传递和控制主轴承间隙的措施
3确保结构动态特性的措施
性价比分析
对分别采用灰铸铁、蠕墨铸铁、铝合金制造的2.0 L 4缸发动机进行了性价比分析,结果如表1。
按照年产40万件计算,则采用蠕墨铸铁时,成本提高38%,毛坯成本和机加工成本以相同的程度提高;采用铝合金机体时,成本提高62%,主要是材料价格较高。铝合金在机加工方面的成本优点由于多种混合加工而被大大削弱了。
性价比分析表明,铝合金结构具有较大的潜力。只有当总体布置非常紧凑(气缸中心距较小)时,蠕墨铸铁所拥有的优势的材料性能才会突现出来。

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