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金属材料在汽车轻量化上的应用都有哪些?
发布日期:2018-08-01  来源:中国汽车材料网  浏览次数:392
核心提示:汽车轻量化(Lightweight of Automobile)是指汽车在造价不被提高的前提下,即保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性

 

汽车轻量化(Lightweight of Automobile)是指汽车在造价不被提高的前提下,即保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能,又有目标地减轻汽车自身的重量,降低汽车的整备质量,提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。汽车轻量化的主要指导思想就是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。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成,是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面密切结合的一个系统工程,对于推动汽车制造业进一步发展具有重要意义。

汽车轻量化虽然是设计、材料、工艺等多方面因素的优势集成, 但主要是材料的轻量化。归纳起来,用于汽车轻量化的材料主要有两类:一是低密度的轻质材料,主要指铝、镁、钛合金材料, 以及塑料复合材料;二是高强度材料,如高强度钢。从环保的角度看,在轻质材料中,聚合物类的塑料制品回收处理过程中存在环境污染问题。因此,在使用上受到一定的限制。而铝、镁、钛合金材料是目前所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料(铝合金约2.7 g/cm3,镁合金约1.74 g/cm3,钛合金约4.51 g/cm3,钢的密度约7.8 g/cm3),这些金属材料形成的多种合金材料, 可以提高汽车主动安全性和被动安全性,满足苛刻的安全法规要求,使汽车的安全设计得到进一步的完善。同时,选用轻金属材料也是减轻自重、节能环保, 提高汽车动力性、舒适性的重要保证。铝、镁、钛等轻金属代替钢材是汽车轻量化的首选材料, 也是未来汽车发展的重要方向。

 

铝合金材料在汽车工业中的应用

车身

汽车车身约占汽车质量的30%,对汽车本身来说,约70%的油耗是用在车身质量上的,所以汽车车身铝化对提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi80和Audi100上采用了铝合金车门,然后不断扩大应用,更在1994 年和1999 年分别推出了A8 和A2 全铝轿车,这两款汽车的车身质量比传统钢制车身的重量减轻约40%,A2的总车质量只有895 kg,每年制造五万辆,成为世界上第一款真正意义上的大批量生产的全铝轿车;A8更是被评为1994 年全世界重要科技成果100 项之一。由欧洲9 个国家和地区的38 家机构携手推出了“超轻汽车项目”,包括大众、保时捷、菲亚特、欧宝、雷诺、沃尔沃和戴姆勒等在内的7 家主流汽车制造商,通过研制先进轻量化材料、运用多种材料连接制造技术及其表面处理等办法和手段,以大众第五代高尔夫为参考车型,最终制造出由多种材料混合的车身,质量仅为180 kg,与第五代高尔夫车身相比质量减轻了101 kg,减重率高达35%,而诸如扭转刚度等重要指标与参考车型相当,车身的安全性不但没有降低,正面抗碰撞性能与参考车型相比甚至有较大提高。

底盘

对实现汽车轻量化而言,底盘系统更具有潜力,更容易实现。在悬挂系统中,目前取代钢铁的首选材料是铝合金材料,例如:通用汽车公司在凯迪拉克与克尔维特车的悬挂系统中使用了铝合金零部件;福特公司使用了铝合金制动盘,与原铸铁盘相比,质量减轻了2/3,虽然成本较高,但寿命提高了两倍;克莱斯勒公司的NeodLite 车底盘通过使用铝合金零部件,使得转向机万向节质量降低了3 kg,下控制臂降低了2.6kg,转向机壳降低了1.36kg,转向轴降低了1.9kg,后制动毂降低了3.6 kg。

发动机

很多公司都在发动机的活塞、缸体及缸盖、散热器、油底壳、曲轴箱、连杆等部件上使用了铝合金材料。针对发动机部分,我们重点介绍一下活塞,缸体及缸盖。

(1)活塞

轿车发动机活塞基本都用铸铝合金,这主要是因为活塞作为主要的往复运动件需要靠减重来减小惯性,减轻曲轴配重,提高效率,并且要求有良好的导热性,较小的热膨胀系数,同时在350℃左右有较好的力学性能,而铸铝合金恰能满足这些要求,同时由于活塞、连杆采用了铸铝合金件,减轻了质量,从而减少发动机振动,降低噪声,减少油耗。

(2)缸体及缸盖

轿车发动机的缸体多采用压铸法生产,镶铸的缸套可用共晶或亚共晶Al-Si 系合金,以提高耐磨性及耐热性。美国福特公司NGT 货车发动机气缸盖、ZetM 缸机、ModularV6/V8 机、克莱斯勒公司新V6 发动机缸体和缸盖都使用铝合金材料。克莱斯勒公司Jeep(吉普)5 缸、3.8LV6 和道奇货车发动机均改用铝合金缸盖。铝合金缸盖,一般采用金属型重力铸造和低压铸造法生产,选用的合金有美国的A319、A356、A360 铝合金,中国的ZL104、ZL106、ZL107 铝合金。

车轮

轮毂质量约占汽车车轮质量的70%,在汽车工业中,铸造铝合金轮毂是普及最快、铝化率较高的实例,铝合金轮毂的节能环保效果显著:轮毂质量每减轻1kg,1L汽油可多行驶800 m,而少用1L 汽油,则可减少2.5kg 的碳排放,此外铝合金轮毂还具有散热快、减震性能好、抗腐蚀性强,容易制造、经久耐用等优点,能显著提高汽车的舒适性和安全性,发展空间巨大,预计2015 年,我国铝合金轮毂的需求量将达到2.5 亿只,这对于我国铝合金轮毂行业而言,存在着巨大的发展空间。

新型钢板材料在汽车轻量化中的应用

目前诸多的汽车工业发达国家致力于减轻汽车用钢铁材料的重量, 以期达到汽车轻量化目的。由于性能的不断改进以及新的制造技术和加工工艺的开发, 至少在今后一段时间内钢材仍然是大批量生产汽车车身的主要材料。作为车身的主要部分, 近年来钢材的品质和性能大大提高, 预计到2017年新型钢材的使用将超过80%。当前车身用新型钢板主要有:冷轧钢板、高强度钢板、表面处理钢板、高强度拼焊钢板、夹层钢板、不锈钢板等。

冷轧钢板:表面质量好, 多用于车身冲压件。冷轧钢板的厚度在0.15~3.2mm之间, 汽车车身多采用0.6~0.8mm的薄钢板。这种薄板的尺寸精度非常高, 表面光滑具有良好的力学性能、加工性能、成形性能和焊接性能。主要用于车身侧围板、顶盖、发动机罩、翼子板、行李箱盖、车门板和仪表板等覆盖件。


高强度钢板:拉伸强度在350 MPa以上。具有较高的屈服点, 降低板厚不会对冲压件的质量造成太大影响, 因而可以减少外表面的厚度,达到减少质量的目的。主要包括含磷高强度钢板、微合金高强度钢板、双相钢板及烘烤硬化钢板等。一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的汽车零件。应用于车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件、车门防撞杆、保险杠和B立柱等零件。


表面处理钢板:可以防止腐蚀提高车身材料的抗高温抗氧化能力。表面处理钢板常见的有镀锌钢板、镀铝钢板、镀铅锡合金钢板和复层钢板。目前车身底盘零件采用的表面处理钢板主要是镀锌钢板。采用镀锌钢板的车身有底板、门槛、发动机罩内板等。

高强度拼焊钢板:在冲压前按车型设计将不同厚度和不同性能的钢板裁剪后拼焊起来的一种钢板。拼焊钢板部件能够进行优质组装, 能减轻车身质量, 提高机械强度, 实现抗扭刚性、抗冲撞性与提高材料收缩率和降低生产成本的最佳组合。主要应用于车身侧围等冲压成形件。


夹层钢板:分钢夹层板和铝夹层板两种。共同特点是质量小、吸收噪声, 可提高强度和刚度。采用这种钢板制造将使零件自身质量减轻25% ~ 30%。随着成形工艺的发展, 超轻超薄高强度钢板的应用正在向汽车附件(如车门、发动机罩、尾箱盖板等)延伸。

不锈钢板:具有良好耐蚀性和耐热性, 可以比普通钢制得更加壁薄和小型化。开始时多为汽车外部装饰材料, 随着轻量化技术的发展, 扩大了其在汽车上的应用范围。

在上个世纪的最后30年, 汽车工业在高强度钢板等方面, 为实现汽车轻量化已取得了显著的成绩。汽车用钢逐步向高强度化方向发展, 当钢板厚度分别减少0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm时, 车身减重分别为6%、12%、18% 。可见, 增加钢板强度是减少钢板厚度减轻车重的重要途径。此外,高强度钢车身骨架结构, 在保证车身强度和刚度的同时, 可以实现减轻重量的目的。

目前日、美、欧轿车所采用的车身结构, 主要有独立式钢质车身、组合式钢质车身、钢质立体框架和铝质立体框架等几种型式。车身的骨架件多用钢板冲压而成。各大汽车生产厂商都致力于车身骨架结构的改造。日本三菱公司的帕杰罗(SPORT)为该公司最新的SUV型车设计了全新的车身结构, 车身70%的构件由高强度钢板制成, 边梁的厚度比吉普系列的其它车型增加了20%, 因此整车的扭转刚度甚至比大切诺基还要高45%, 车身的承载能力可达2吨以上。韩国现代公司的SONATA车身结构也用高强度钢板进行了加强, 横梁和立柱全部使用800MPa的高强度钢。奔驰公司在SLK车身骨架中大量使用高强度钢使扭转刚度增加了70%, 安全性大大提高的同时也减少了车身的重量。1999年问世的宝马3系列车身骨架中使用了50%的高强度钢。福特的Windstar车身骨架中60%是高强度钢。TOYOTA最新的车型Vitz的车身结构中高强度钢占了48%, 比该公司生产的Starlet车减重17kg。美洲豹X-Type2.5在车身结构上采用了整片式车舱结构(MonocogueBody), 实现了显著的轻量化。

镁及镁合金材料在汽车轻量化的应用

镁及镁合金是21世纪最具开发前景的轻质结构材料。镁及镁合金的主要特点是:一是密度低、质量轻,使用镁合金能够比铝合金再减轻1 5 %~20%,是最轻的金属材料;二是比强度(强度与质量之比)高于铝合金和钢, 比刚度(刚度与质量之比)接近于铝合金和钢;三是消震性和阻尼系数好,承受冲击载荷能力比铝合金大, 用于壳体可以降低噪音,用于轮圈可以减少震动,提高汽车的安全性和舒适性;四是导电导热性能良好,相同温度条件,镁合金的散热时间是铝合金的一半。五是工艺性能良好,具有良好的铸造性能和尺寸稳定性, 容易加工, 废品率低, 从而降低生产成本。限制镁合金应用的主要原因是镁合金的高性能—抗蠕变能力和高温疲劳性能较差。

随着镁合金汽车零部件的开发,镁合金在汽车上的应用特点如下。

a.由体积小的零件向大的零件过渡。

b.由结构简单的零件向复杂件过渡。

c.由简单受力件向具有特殊性能要求的件过渡。

d.由分件组合向单一压铸件过渡。

镁合金零部件在整车上的应用见图。

国内外主机厂、零部件供应商开发了很多镁合金零部件,其中一部分已经大批量应用在商品车上,仍有一部分应用还有瓶颈需要突破。比如轮毂目前仅用在少数赛车上,若要大批量应用,腐蚀、石击等难题必须解决。总体来看,短期内能大批量应用的主要是对耐腐蚀要求不高的零部件,如转向盘骨架、座椅骨架、仪表板骨架等。

(1)转向盘骨架

目前,转向盘骨架是轿车应用镁合金普及率最高的零部件。一般选用AM50合金,质量在550~700 g。不同厂家因安装方式不同设计有3种安装结构:第一种是使用钢质花键嵌入镁合金骨架;第二种是在镁合金骨架上直接攻丝;第三种为楔形六角结构,不攻丝。商用车因转向盘直径大及其他特殊要求等原因其应用相对较少。镁合金转向盘骨架相对原钢质设计减重40%以上,成本会有所提高。

(2)仪表板骨架

1968年仪表板骨架应用在奥迪车上,1995年应用在通用汽车公司的新年度车型上。第一代这种部件的质量大约为7~8 kg,壁厚大约为3.5~4 mm。第二代的镁合金仪表板骨架的壁厚和质量都进一步减小,但仍保持着较高的防撞性及减振、降噪、刚度的要求。目前,镁合金仪表板骨架的质量大约为4.5~5.0 kg,壁厚大约为2.7~3.0 mm。国、内外主机厂应用镁合金仪表板骨架的情况(不完全统计)见表。国外品牌应用较多,国内自主品牌应用较少,目前仅奇瑞车型有所应用。


(3)变速器壳体

1999年奥迪采用了第一款镁合金自动变速器。镁合金应用到变速器壳体上,除能体现其密度小、抗振动、降低噪声等优势外,主要体现散热和机械加工的优势。镁合金、铝合金的热扩散系数α分别为3.97×10-5 m2/s和3.64×10-5 m2/s,体积比热容分别为1.90 J/(cm3·K)、2.64 J/(cm3·K)。在相同体积下,镁合金的蓄热能力要远比铝合金低,但两者的散热能力却相差无几。因此,采用镁合金的变速器壳体能更好地散热,从而降低齿轮的高温磨损和咬死的概率。镁合金铸件可以直接进行切削加工,获得光亮的表面,而铝合金铸件则需要热处理后才能进行机械加工。

(4)座椅骨架

前排座椅一般功能较多,其结构较复杂,而后排座椅功能较少,其结构较为简单。目前,镁合金在座椅上的应用研究相对较少,主要是以靠背骨架和座垫骨架单独开发为主,见图4。座椅减重效果见表5。前排座椅骨架组装时使用螺栓、卡扣将镁合金靠背、座垫与调高机构、角调机构连接在一起。后排靠背和座垫不组合,分别卡在轮罩安装支架、地板安装支架上。

钛及钛合金在汽车轻量化的应用

钛及合金是21世纪最重要的、具有优异的综合性能的新型结构及功能材料。它密度小,钛的密度是4.51 g/cm3,介于铝(2.7 g/cm3)和铁(7.6 g/cm3)之间;比强度高于铝合金和钢, 韧性与钢铁相当; 抗蚀性能优于不锈钢, 在氯离子侵蚀的海洋大气环境和微氧化气氛中,也具有很好的抗蚀性;工作温度区间较宽,低温钛合金在-253℃依然能保持良好的塑性, 耐热钛合金的工作温度可550℃左右,耐热性高于铝合金和镁;具有良好的加工性和焊接性能。钛在汽车上的应用主要分为两大类:一大类是用来减少内燃机往复运动件的质量;另一大类是用来减少汽车总质量。在新一代汽车上主要应用在发动机元件和底盘部件上, 可制作发动机系统阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等,以及底盘部件中的弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。

钛及钛合金在20世纪50年代就进入到汽车制造领域,但发展比较缓慢,主要原因是价格因素。钛金属熔点高,化学性质十分活泼,与O,H,N 和C 等元素有极强的化学亲和力,使纯钛的提取非常困难;另一个原因是合金化元素价格较高, 钛合金多以高价的V作为合金元素以提高强度,又以Al-X作为中间合金添加。以廉价的Fe、Cr等合金元素取代V元素,是未来降低钛合金成本的有效方法。

随着汽车材料向轻量化、高性能和高功能的方向发展, 钛及钛合金作为结构功能性材料将会越来越受到重视。尽管目前钛材料在汽车领域应用不大, 但随着钛工业的发展,钛加工成本的降低,钛材料必将在汽车领域占据重要地位, 具有无限广阔的发展前景。


编者语

汽车轻量化是目前汽车最重要的发展方向之一,是汽车制造走生态环保绿色发展的必要途径。轻量化材料在替代传统钢材的过程中仍面临很多技术难题和市场挑战,如成本问题、工艺问题以及新材料应用所带来的风险等。对于轻金属来说,应用过程中的制造工艺问题尤为突出,这是材料科学和制造业之间面临的矛盾,也是轻量化技术的核心环节之一。因此轻金属在汽车上的普及应用,汽车轻量化的发展,除了重视材料研发外,还需要不断改进创新材料的加工成型技术,如此才能在保障汽车轻量化的同时提高实用性、稳定性和安全性。


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