作為實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一,汽車新材料、先進的設計和工藝制造技術,能促進汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。輕量化材料一方面節(jié)約汽車制造成本,另一方面還可以低碳環(huán)保循環(huán)利用。新材料和新技術之間相輔相成,先進的工藝技術為輕量化材料更新提供基礎,新材料的廣泛應用推動工藝技術的發(fā)展。在未來汽車制造中,輕量化材料取代鋼材已經(jīng)成為一種趨勢。
汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀
高強度鋼板
高強度鋼板性能大大優(yōu)于一般的鋼材,高強度鋼板具有厚度薄、質量輕的特點,同時具有更高的強度保證車身安全性。在當前高科技新材料成本高、普及率低的背景下,并考慮綜合性能,高強度鋼板是車身輕量化的首材料,主要應用于車輛的關鍵結構件,如地板、AB柱、門檻等。寶馬部分車型中的B柱、中通道、車門防撞桿、地板均采用高強度鋼。
凱迪拉克通過結構優(yōu)化設計,使鋼制下車體結構比鋁制車體減重6 kg,其AB柱內(nèi)板、橫梁、地板中通道等關鍵部件均采用先進的高強度鋼。
鋁合金
輕質金屬鋁合金在汽車領域的用量逐步增加,且種類多樣化,是汽車輕量化的理想材料。鋁合金擁有諸多優(yōu)良性能,不僅耐腐蝕而且強度和剛度高,加工成型性良好,回收利用率高。鋁合金一般分2種,以熔融金屬充填鑄型,獲得各種形狀零件毛坯的鋁合金就是鑄造鋁合金;還有一種是變形鋁合金,是將鋁合金通過沖壓、彎曲、軋、擠壓等工藝使其組織、形狀發(fā)生變化而成。鑄造鋁合金多用于重力鑄造件和特種鑄造件,變形鋁合金多用于空調(diào)系統(tǒng)零件、行駛系部分零件、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱器件等。制動卡鉗、驅動軸及車輪等汽車零件一般采用鋁基復合材料,這是一種由多種性質不同材料組成的復合材料。
馬自達、奧迪等采用鋁合金板材制造外覆蓋件,發(fā)動機罩和行李廂蓋是鋁合金在車身上應用早的部位,后面逐漸發(fā)展到全鋁車身,國外部分汽車鋁合金和鋁復合材料的比例可達80%以上。鋁合金材料作為性能優(yōu)異的新材料同時還具有很好的循環(huán)利用性,回收1 t鋁合金要比加工制造1 t少耗能95%,目前汽車用鋁合金材料中60%以上的都是再生鋁。另外,相比加工鋁合金,加工鋼鐵所需的工裝設備需要汽車制造商投資更多資本,以鋁擠壓型材為主的汽車鋁制車身框架,焊點少、裝配效率高。
熱塑性塑料
熱塑性塑料主要應用在汽車的后尾門,市場上比較典型的應用是雷諾汽車的后尾門,其比鋼制后尾門減重10%,不僅能降低生產(chǎn)成本,并且注塑、組裝工藝簡單,裝配效率高。
復合材料
復合材料是由至少2種不同材料通過先進的材料制備技術組合而成的新材料。組合優(yōu)化后,其綜合性能比單一的原組成材料更加優(yōu)異,能滿足不同的要求。如碳纖維復合材料是汽車輕量化應用中比較典型的復合材料,耐腐蝕、質量輕、高模量而且強度是鋼的5倍。由于該材料的優(yōu)良性能,其在汽車市場已經(jīng)得到了廣泛推廣,但是該材料成本較高,初僅在超級跑車、小批量車型上應用,在汽車中的應用有限。隨著復合材料制造工藝的成熟,碳纖維制造成本有所下降,如今已推廣至轎車上。
熱沖壓成型技術
熱沖壓成型技術用于高強度鋼板沖壓件成型,成型后強度達到1500 MPa以上。熱成型件車身安全性高、舒適性好,能減輕車身質量,提高零件尺寸精度,控制回彈。AB柱、前縱梁、車門防撞梁、地板橫梁、鉸鏈加強板等關鍵部件用熱成型件較多。
車身結構優(yōu)化設計
設計思路
從多種輕量化材料的匹配及零部件的優(yōu)化等方面著手,再加上輥壓成型、差厚板等工藝技術,這可以大幅減少零部件數(shù)量實現(xiàn)車身輕量化。雷諾采用的差厚板設計,實現(xiàn)了減重2 kg。在保證汽車整體性能不受影響的前提下,優(yōu)化的結構設計還能減少制造工序,從而降低生產(chǎn)成本。目前國內(nèi)已經(jīng)有汽車輕量化技術采用了結構的輕量化設計和分析,汽車設計的前期就已經(jīng)融入結構輕量化設計。國產(chǎn)歐寶的B柱就是采用熱成型與差厚板結合的方式,形成局部低強度區(qū)和局部高強度區(qū),車身剛度及吸能性得到提高。
設計方法要實現(xiàn)汽車車身輕量化,在開始的車身實體結構設計時就要開始考慮,可以通過優(yōu)化結構、差厚板等方式合理設計,具體方法有:
1.通過結構優(yōu)化設計,優(yōu)化車身強度和剛度的校核,減輕車身鋼板質量,減小車身骨架,確保汽車在滿足性能要求下減輕自重;
2.主要功能部件在使用性能不變的情況下,縮小尺寸,通過結構的小型化,實現(xiàn)汽車輕量化;
3. 通過改變運動結構方式實現(xiàn)汽車輕量化。如采取發(fā)動機后置、后輪驅動,使整車的局部變小,實現(xiàn)輕量化的目標。或采用轎車發(fā)動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等,使結構更緊湊。
結論
目前,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,對汽車的需求會越來越強烈,但是考慮到環(huán)境環(huán)保問題日益嚴峻,汽車空氣污染不容忽視。試驗表明,汽車車身質量降低一半,汽車燃料消耗也能降低一半。從環(huán)保和節(jié)能的角度來看,未來,汽車輕量化設計將是汽車制造的潮流。本文從新材料、新技術方面著手分析汽車輕量化技術的發(fā)展現(xiàn)狀,認為目前材料、工藝、設計等方面在汽車輕量化技術中的應用水平在不斷提高,未來汽車設計發(fā)展的方向是針對不同的產(chǎn)品、材料、工藝的混合結構設計,以實現(xiàn)所用的材料與零件功能的組合。
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