一、基本信息
主要指導思想:在確保穩(wěn)定提升性能的基礎上,節(jié)能化設計各總成零部件,持續(xù)優(yōu)化車型譜。
實驗證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車整備質量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%。當前,由于環(huán)保和節(jié)能的需要,汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。
二、主要途徑
?、倨囍髁饕?guī)格車型持續(xù)優(yōu)化,規(guī)格主參數(shù)尺寸保留的前提下,提升整車結構強度,降低耗材用量;
?、诓捎幂p質材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復合材料等;
?、鄄捎糜嬎銠C進行結構設計。如采用有限元分析、局部加強設計等;
?、懿捎贸休d式車身,減薄車身板料厚度等。
其中,當前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質材料。
三、新材料
車用材料主要通過汽車的輕量化來對燃料經(jīng)濟性改善作出貢獻。理論分析和試驗結果都表明,輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟性的有效途徑。為了適應汽車輕量化的要求,一些新材料應運而生并擴大了應用范圍。
有色合金
以乘用車來說,1973年每輛車所使用的有色合金占全部用材的重量比為5.0%,1980年增至5.6%,而1997年則達到了9.6%。有色合金在汽車上應用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢。
鋁合金
鋁的密度約為鋼的1/3,是應用最廣泛的輕量化材料。以美國生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例,1976年每車用鋁合金僅39kg,1982年達到62kg,而1998年則達到了100kg。
?。?)鑄造鋁合金
許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素,但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產(chǎn)中具有重要意義。當然,在汽車上廣泛應用的并不是上述簡單的二元合金,而是多種元素同時添加以獲得好的綜合性能。
汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場,例如日本,鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應用于發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發(fā)動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。
鋁鑄件中不可避免地存在缺陷,壓鑄件還不能熱處理,因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強度鑄件時受到限制。為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進,鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。
(2)變形鋁合金
變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材,在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機散熱器、空調冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。
由于輕量化效果明顯,鋁合金在車身上的應用正在擴大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身,比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg,引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達到31.3%,如在全鋁車身上,外板使用6000系列合金,內板使用5052-0合金,骨架大部使用5182-0合金;由于側門框對強度和剛度要求很高,使用以6N01合金為基礎、適當調整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內外板的。
鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲,到20世紀80年代后期鋁散熱器已占領市場的90%。隨?車用空調、油冷卻器等的大量使用,鋁熱交換器的市場迅速擴大。從材料的角度看,鋁在熱交換器上的廣泛應用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發(fā)。
?。?)鋁基復合材料
鋁基復合材料密度低、比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好,但在汽車上的應用受到價格及生產(chǎn)質量控制等方面的制約,還沒有形成很大的規(guī)模。目前,鋁基復合材料在連桿、活塞、氣缸體內孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗或使用顯示出了卓越的性能,如本田公司開發(fā)成功的由不?鋼絲增強的鋁基復合材料連桿比鋼制連桿降重30%,對1.2L的汽油發(fā)動機可提高燃料經(jīng)濟性5%;采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末(重量百分數(shù)2%)混合并擠壓成棒材,用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強度高可降重20%,發(fā)動機功率大幅度提高;用鋁基復合材料強化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%;鋁基復合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。
鎂合金
鎂的密度約為鋁的2/3,在實際應用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強、切削性能好、金屬模鑄造性能好,很適合制造汽車零件。
鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應用,鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%~50%。新開發(fā)的無孔壓鑄法(PoreFreeDiecast)可生產(chǎn)出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。
鎂鑄件在汽車上使用最早的實例是車輪輪輞。在汽車上試用或應用鎂合金的實例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉向柱部件、轉向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉向柱上支架相比,鎂制件降重65%;與傳統(tǒng)的鋼制轉向輪芯相比,鎂制件降重45%;與全鋁氣缸蓋相比,鎂制件降重30%;與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結構制動踏板支架相比,整體的鎂鑄件降重40%,同時其剛性也得以改善。
鎂基復合材料的研究也有進展,以SiC顆粒為增強體,采用液態(tài)攪拌技術得到的鎂基復合材料具有很好的性能且生產(chǎn)成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強的復合材料比基體合金拉伸強度提高23%,屈服強度提高47%,彈性模量提高72%。
鈦合金
鈦的密度為4.5g/cm3,具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優(yōu)點。由于鈦的價格昂貴,至今只見在賽車和個別豪華車上少量應用。盡管如此,對鈦合金在汽車上應用的試驗研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動機連桿,強度相當于45鋼調質的水平,而重量可以降低30%;β系鈦合金(Ti-13V-11Cr-3Al等)經(jīng)強冷加工和時效處理,強度可達2000MPa,可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等,與拉伸強度為2100MPa的高強度鋼相比,鈦彈簧可降重20%。
鈦合金應用的最大阻力來自其高價格,豐田中央研究所開發(fā)了一種成本較低的鈦基復合材料。該復合材料以Ti-6Al-4V合金為基體,以TiB為增強體,用粉末冶金法生產(chǎn),已在發(fā)動機連桿上應用。
四、新工藝
鋼鐵材料在與有色合金和高分子材料的競爭中繼續(xù)發(fā)揮其價格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢,通過高強度化和有效的強化措施可充分發(fā)揮其強度潛力,以致迄今為止仍然是在汽車生產(chǎn)上使用最多的材料。
高強度鋼板
轎車自重的25%在車身,車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀90年代,世界范圍內的35家主要鋼鐵企業(yè)合作完成了“超輕鋼質汽車車身”(ULSAB-UltraLightSteelAutoBody)課題。該課題的研究成果表明,車身鋼板的90%使用現(xiàn)已大量生產(chǎn)的高強度鋼板(包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板),可以在不增加成本的前提下實現(xiàn)車身降重25%(以4門轎車為參照),且靜態(tài)扭轉剛度提高80%,靜態(tài)彎曲剛度提高52%,第一車身結構模量提高58%,滿足全部碰撞法規(guī)要求。當然,這還是一個研究的成果,高強度鋼板在車身上的實際應用還未達到如此高的水平。在普通的IF鋼板的基礎上相繼開發(fā)了高強度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板,在保持高成型性的同時提高了強度和抗凹陷性,為車身鋼板的減薄和實現(xiàn)輕量化創(chuàng)造了條件。
加入Ti、Nb和V等元素的析出強化鋼板拉伸強度在500~750MPa,可用于車輪和其它底盤零件。
近來開發(fā)的多相鋼有相當大的應用潛力。其中鐵素體-貝氏體鋼強度級別為500MPa,雙相(DP)鋼和相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼強度級別為600~800MPa,復相(CP)鋼強度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。
激光拼焊毛坯(TailoredBlank)是新近開發(fā)并應用的鋼板輕量化技術。在前述ULSAB車身有18個零件采用了此技術。
結構鋼
鋼鐵材料的用量雖逐年減少,但高強度鋼的用量卻有相當大的增加。高強度結構鋼使零件設計得更緊湊和小型化,有助于汽車的輕量化。
(1)彈簧
懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設計許用應力。但是為了實現(xiàn)這種高應力下的輕量化,材料的高強度化是不可少的。在傳統(tǒng)的Si-Mn彈簧鋼的基礎上通過降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素,開發(fā)出強度和韌性都很高的鋼種,設計許用應力可達1270MPa,這種彈簧鋼的應用可實現(xiàn)40%的輕量化。在傳統(tǒng)的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能,結合改進的奧氏體軋制成型,可使鋼的拉伸強度達到1800MPa的水平。
氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V,通過晶粒細化確保韌性,由增C提高強度。這樣改進后,彈簧的高周疲勞強度約提高8%,可實現(xiàn)15%的輕量化。通過有限元分析,螺旋彈簧內、外側應力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發(fā),使彈簧實現(xiàn)7%的輕量化。
提高彈簧疲勞強度的有效途徑是對彈簧進行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸,除了傳統(tǒng)的應力噴丸之外又發(fā)展了雙級噴丸。噴丸和氮化也可以復合使用。
(2)齒輪
汽車發(fā)動機有高功率化的趨勢,而傳動器有緊湊小型化的傾向。這勢必加大傳動齒輪的負荷,從而對齒輪鋼的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的要求也相應提高。
提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強度,但單純靠合金元素來強化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝復雜,原材料成本和生產(chǎn)成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時,為了防止或減少異常層的出現(xiàn),降低鋼中的Si和P含量,Mo量增加到0.35%~0.45%,并采用經(jīng)改良的碳氮共滲工藝。改進的鋼種可使齒輪實物的沖擊壽命提高3~5倍,若在上述降低表面異常層鋼種加上強力噴丸,可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。
齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點,會降低強力噴丸的強化效果,為此開發(fā)了高純凈度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼,將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時,與前述降低表面異常層的低Si高Mo鋼相比,齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%,接觸疲勞壽命提高25%。
高強度鑄鐵
鑄鐵由于其性能和成本方面的諸多優(yōu)點,在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進步更使之在汽車上的應用出現(xiàn)了新亮點。
(1)球墨鑄鐵
鐵素體球墨鑄鐵拉伸強度可達500MPa,韌性也較高,因此多用于底盤零件,有的車型甚至用作轉向節(jié)等保安件。
珠光體球墨鑄鐵強度更高,在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵加圓角滾壓強化,已成為美、德、法等國汽車廠家的標準工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%,所以以球鐵代鋼可以產(chǎn)生一定的輕量化效果。
奧貝球鐵(ADI-AustemperedDuctileIron)具有很高的強度和韌塑性,按美國和德國標準制造的奧貝球鐵牌號,其最高強度級別達到1400MPa,超過了調質鋼和滲碳鋼的強度水平。可以用ADI代替鋼制造汽車輪轂、全輪驅動雙聯(lián)桿、轉向節(jié)臂、發(fā)動機正時齒輪、曲軸和連桿等。經(jīng)實物測量,代替鍛鋼制造曲軸可以降重10%,代替鋁合金制造載貨車輪轂每只可降重0.5kg。
(2)蠕墨鑄鐵
蠕墨鑄鐵(Vermiculargraphitecastiron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compactedgraphitecastiron),其機械-物理性能和鑄造工藝性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間,很適合制造強度要求較高和要承受熱循環(huán)負荷的零件,如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。
蠕墨鑄鐵的發(fā)現(xiàn)與球鐵同時,但由于蠕化工藝控制難度較大而應用受到限制,SinterCast工藝控制系統(tǒng)為蠕鐵的應用開辟了廣闊的前景。蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%,而結構剛度則提高12%~25%。采用蠕鐵制造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動和噪音、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燒結工藝的近凈形特點,其在汽車上的應用有增加的趨勢,特別是鐵基粉末燒結材料在要求較高強度的復雜結構件上的應用越來越多。
組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產(chǎn)品,它是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪,然后用燒結或機械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比,可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機上使用,隨?柴油機凸輪軸服役工況的日益苛刻,粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機的趨勢。
粉末鍛造連桿已經(jīng)成功應用,近年開發(fā)的一次燒結粉末冶金連桿技術的生產(chǎn)成本較低,可實現(xiàn)11%的輕量化。
五、塑料應用
塑料在汽車行業(yè)的應用前景同樣看好。目前世界上不少轎車的塑料用量已經(jīng)超過120千克/輛,個別車型還要高,德國奔馳高級轎車的塑料使用量已經(jīng)達到150千克/輛。國內一些轎車的塑料用量也已經(jīng)達到90千克/輛。可以預見,隨著汽車輕量化進程的加速,塑料在汽車中的應用將更加廣泛。汽車輕量化使塑料作為原材料在汽車零部件領域被廣泛采用,從內裝件到外裝件以及結構件,塑料制件的身影隨處可見。目前,發(fā)達國家已將汽車用塑料量的多少,作為衡量汽車設計和制造水平的一個重要標志從現(xiàn)代汽車使用的材料看,無論是外裝飾件、內裝飾件,還是功能與結構件,到處都可以看到塑料制件的身影。
汽車輕量化“相中”塑料汽車工業(yè)的發(fā)展與塑料工業(yè)的發(fā)展密不可分。近年來汽車輕量化成為降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施,也是汽車材料發(fā)展的主要方向,它使塑料在汽車中的用量迅速上升。目前發(fā)達國家已將汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設計和制造水平的一個重要標志。
統(tǒng)計顯示,汽車一般部件重量每減輕1%,可節(jié)油1%;運動部件每減輕1%,可節(jié)油2%。國外汽車自身質量同過去相比,已減輕20%—26%。預計在未來的10年內,轎車自身的重量還將繼續(xù)減輕20%。而塑料等輕量化材料的開發(fā)與應用,在汽車的輕量化過程中發(fā)揮著重大作用。
汽車材料應用塑料的最大優(yōu)勢是減輕車體的重量。一般塑料的比重在0.9—1.5,纖維增強復合材料的比重也不會超過2.0,而金屬材料的比重,A3鋼為7.6,黃銅為8.4,鋁為2.7。這就使得塑料材料成為汽車輕量化的首選用材。從現(xiàn)代汽車使用的材料看,無論是外裝飾件、內裝飾件,還是功能與結構件,到處都可以看到塑料制件的影子。外裝飾件的應用特點是“以塑代鋼”,減輕汽車自重,主要部件有保險杠、擋泥板、車輪罩、導流板等;內裝飾件的主要部件有儀表板、車門內板、副儀表板、雜物箱蓋、坐椅、后護板等;功能與結構件主要有油箱、散熱器水室、空氣過濾器罩、風扇葉片等。
汽車輕量化,使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復合材料、ABS、尼龍和聚乙烯等在內的塑材市場得以迅速放大。近兩年,車用塑料的最大品種--聚丙烯,每年以2.2%—2.8%的速度加快增長。預計到2020年,發(fā)達國家汽車平均用塑料量將達到500千克/輛以上。
目前國外汽車的內飾件已基本實現(xiàn)塑料化,塑料在汽車中的應用范圍正在由內裝件向外裝件、車身和結構件擴展。今后的重點發(fā)展方向是開發(fā)結構件、外裝件用的增強塑料復合材料、高性能樹脂材料與塑料,并對材料的可回收性予以高度關注。統(tǒng)計顯示,全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達105千克,約占汽車總重量的8%—12%。而發(fā)達國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克,占汽車總重量的12%—20%。如奧迪A2型轎車,塑料件總重量已達220千克,占總用材的24.6%。目前,發(fā)達國家車用塑料已占塑料總消耗量的7%—8%,預計不久將達到10%—11%。
對于中國來說,塑料在汽車行業(yè)的應用尚處于初級階段。目前,塑料等非金屬材料在國產(chǎn)車上的應用狀況還比不上進口車。在歐洲,車用塑料的重量占汽車自重的20%,平均每輛德國車使用塑料近300千克,占汽車總重量的22%。與國外相比,國產(chǎn)車的非金屬材料用量仍然偏少。國產(chǎn)車的單車塑料平均使用量為78千克,塑料用量僅占汽車自重的5%—10%。
六、發(fā)動機機體的輕量化技術
為了減少燃油消耗和降低二氧化碳排放,汽車的輕量化已經(jīng)成為眾所關注的焦點之一。研究表明,汽車整備質量.每減少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L。此外,汽車輕量化還可以提高汽車動力性,節(jié)省材料,降低成本。有人預計,到2010年汽車整備質量平均將減輕17%,即250kg;轎車整備質量將從目前的平均1300kg左右降至1000kg。
發(fā)動機的輕量化,除了上述目的以外,還涉及到整車的質量分布(汽車行駛動力學)。將汽油機改換成柴油機時,往往會使發(fā)動機變重(堅固的結構、渦輪增壓器、增壓空氣冷卻器、噴油裝置等),導致前橋軸荷增加,使得整車的均衡性受到了破壞。所以,轎車發(fā)動機的輕量北已經(jīng)成為整車開發(fā)中一個不可忽視的問題。
發(fā)動機輕量化的途徑,首先是提高升功率,以降低發(fā)動機單位功率的質量。最先進的功率密度指標已逼近1kg/kW。以轎車柴油機為例,如果20世紀90年代初升功率還只是在20-30kW/L徘徊,那么自從20世紀末開始,其上升趨勢可謂“突飛猛進”。如今,柴油機最大爆發(fā)壓力已經(jīng)達到20MPa,升功率達到60kW/L。
鋁合金機體鑄造工藝的討論
鋁合金機體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型(金屬型)和一次使用的鑄型(砂型)。砂芯的制造方法也有所不同。當今在大批量生產(chǎn)中最為常用的是砂型重力鑄造和壓鑄。砂型重力鑄造在成型方面提供了最大的自由度,可以采用封閉的氣缸蓋連接面(閉式頂板)。如果生產(chǎn)件數(shù)較高(年產(chǎn)20萬件以上),那么壓鑄是一種經(jīng)濟的解決方案。壓鑄能以很短的節(jié)拍、精細的表面質量和精確的尺寸實現(xiàn)鑄件薄壁結構。然而,由于熔融金屬充型壓力很高不能使用砂芯,水套通常必須往上敞開(開式頂板)。這意味著氣缸筒缺乏徑向的支撐。但是,即使如此也未必會導致氣缸筒嚴重變形?,F(xiàn)在,甚至直噴式柴油機都可以做成開式頂板結構。此外,壓鑄快速的充型過程易導致氣泡的生成,以致無法通過熱時效硬化改善力學性能。這個缺點可以利用擠壓鑄造加以避免,因為這種工藝采用的壓力較低,使得充型過程明顯地減緩,有可能進行補縮。此外,壓鑄對于水套的長度有著間接的影響。由于氣缸直徑、拉桿螺栓的位置、密封法蘭最小寬度以及必需的通常為0.5°的起模斜度等因素,實際制成的壓鑄機體的水套通常至多只能覆蓋活塞行程的70%。這會降低通過活塞環(huán)的熱流量,提高機油的熱負荷。在機體結構方面,壓鑄有一些局限性。不過這些均可通過技術手段加以控制。機體是否采用壓鑄的工藝,首先還是取決于生產(chǎn)批量。
對于高負荷發(fā)動機來說,選擇砂型鑄造更能通過合適的造型工藝、合金優(yōu)化和熱處理來生產(chǎn)可靠、耐久的發(fā)動機機體。從零件成本看,充分利用砂型鑄造在成型方面較大的自由度,還可以將各種功能整合到氣缸體中去,在總體上減輕質量,提高經(jīng)濟效益。
鋁合金機體結構必須解決的問題
灰鑄鐵氣缸體改用鋁合金鑄造,必須滿足一些額外的要求,分述如下
1確保氣缸筒滑移表面耐磨,不易變形
2滿足傳遞力流的要求
3控制主軸承間隙的擴大
4鋁合金較低的彈性模量對聲學和振動的影響
發(fā)動機機體通過材料和結構實現(xiàn)輕量化的途徑
1針對氣缸筒滑移表面的措施
2確保力流傳遞和控制主軸承間隙的措施
3確保結構動態(tài)特性的措施
性價比分析
對分別采用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金制造的2.0L4缸發(fā)動機進行了性價比分析,結果如表1。
按照年產(chǎn)40萬件計算,則采用蠕墨鑄鐵時,成本提高38%,毛坯成本和機加工成本以相同的程度提高;采用鋁合金機體時,成本提高62%,主要是材料價格較高。鋁合金在機加工方面的成本優(yōu)點由于多種混合加工而被大大削弱了。
性價比分析表明,鋁合金結構具有較大的潛力。只有當總體布置非常緊湊(氣缸中心距較小)時,蠕墨鑄鐵所擁有的優(yōu)勢的材料性能才會突現(xiàn)出來。
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