汽车轻量化及其材料的经济选用

2018-11-06 07:51孙瑞霞王永强
山东青年 2018年5期
关键词:选用经济材料

孙瑞霞 王永强

摘 要:汽车“节能减重”是当下汽车行业发展的重要趋势,而汽车零部件材料的选择是实现汽车轻量化的主要技术途径。本文回顾了汽车选材的发展史,从材料的技术成熟度和经济化出发,对未来轻量化材料的选用进行研究,如铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢和碳纤维复合材料等。结合我国汽车的发展和轻量化材料的应用,重点介绍了汽车轻量化主导材料的发展情况。

关键词:汽车轻量化;材料;经济;选用

1、前言

汽车问世相当长的一段历史时间内,节能并未引起人们足够的重视。早期人们研究汽车的注意力大多集中在提高动力性上,至于汽车车身也只以尊重人们的习惯为标准来选择合适的外形。但是,进入20世纪70年代以后,世界性能源危机及其对全球经济的冲击,人们的节能目标开始迅速想汽车工程材料渗透,车身随之越发讲究“轻、薄、短、小”了。改善车辆燃油经济性的主要措施有3个方面:一是减少汽车整备质量;二是提高发动机效率;三是降低行驶阻力。车身是汽车的重要组成部分,它对车辆节能影响巨大,通常车身节能需要从构造和形状变化来改进之外,生产应用材料的需求却是改善节能设计环节的重中之重,在材料上既要充分考虑构件的强度要求,又要考虑到车身总体重量和耐腐蚀的要求。[1]

2、汽车轻量化材料

2.1铝合金

①变形铝合金。工业中常用的铝合金板条、挤塑材料和锻造材料就是变形铝合金,常用于汽车空调冷凝器、蒸发器、车身面板、装饰件、发动机散热器、车身框架、轮毂和悬挂系统部件等。通过资料显示:全铝式的承载式车身在1990年所热销的本田NSX跑车上得到应用,铝材达到了31%,内板使用5052-0合金,外板使用6000系列合金,骨架大部分使用5182-0合金,车身重量相比于冷轧钢板轻200公斤,引起了世界各国的震动。[2]由此可见,变形铝合金的轻量化性比较突出。

②铸造铝合金。铝铸件在汽车工业市场运用较为广泛,比如日本大部分铝铸件为汽车铸件,大多用于发动机悬置支架、车轮、进气歧管、离合器壳体、发动机气缸体等零部件。这是由于铸造铝合金的合金元素种类繁多的缘故,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零部件。

2.2镁合金

镁合金比铝合金轻33%,比钢轻77%是普遍使用金属材料结构中最轻的材料。镁合金在汽车上的采用将有效的降低汽车的启动惯性,达到节约油耗,降低环境污染。相同条件下,镁合金成品的硬度是塑料的10倍以上。相同硬度条件下,约0.5公斤镁的硬度程度等同于约0.8公斤的铝和约1公斤的钢。如果用镁合金替换ABS塑脂,侧制品重量可降低36%,厚度可降低64%。镁合金抵抗震动及降低噪音的性能特佳,一般为铝合金的6-30倍。镁合金强固耐冲撞,相同抗力下,厚度仅为塑料的33%。而镁合金制造刚性好的性能对整体构架的设计十分有利。镁合金的韧性好,减震性强。镁合金在受外力作用时,易产生较大的变形。镁合金有很高的阻尼容量,是避免由于震动、噪音而引起工人疲劳等场合的理想材料。镁合金的热容量低,凝固速度快、压铸性好、还具有优良的切削加工性。镁合金的缺点:室温塑性差,耐腐蚀性差。

2.3钛合金

钛合金具有质量轻,比强度高,耐腐蚀性好等优点,故被广泛应用在汽车工业中,应用最多的是汽车发动机系统。利用钛合金制造发动机零件有很多处。钛合金密度低,可以降低动件的惯性质量和钛阀弹簧自由振动的提高,降低车身晃动、提高发动机的转速及输出功率。降低动件的惯性质量,达到减下摩擦力的效果,从而提高发动机的燃油效率。钛合金的选用可降低相关部件的乘载能力、缩小部件大小,而达到发动机及整车的重量减轻, 从而实现汽车轻量化的目的。钛合金在汽车其他方面上的应用可增加乘员的舒适性和汽车美观等。钛合金在汽车节能减排方面起到了无法想象的效果。钛合金的缺点:价格较贵、成本性较差和焊接性能差等问题。

2.4高强度钢

高强度钢是一种具有极高抗拉强度、屈服极限(通常大于1200MPa)和足够结构材料任性,分心超高强度调质钢和马氏体时效钢。汽车用普通钢钢板的厚度通常在0.7-0.75mm之间,而高强度钢板厚度只有0.65mm甚至更薄,新款欧宝赛飞利的发动机盖钢板只有0.6厚。只需在每辆车上增加约2200人民币的成本以购买高强度钢材减轻车身质量就能节省约5%的燃油。另外,降低车身质量,还可以有效减轻刹车系统的负荷并提高。

2.5碳纤维复合材料

汽车上常用的碳纤维复合材料的密度为1.5-2.0g/cm3,只有普通钢的25%-20%,比铝合金还要轻33%左右,但碳纤维复合材料的机械性能优于金属材料,其抗拉强度高于钢材3-4倍,刚度高于钢材2-3倍。因此使用碳纤维材料,在减轻车身质量的同时,也可以使公率需求更小,进而采用更小的发动机和悬挂装置,通过减少动能而减少冲击危险,这种螺旋式的结果将使车身质量进一步减轻。因此用碳纤维材料代替原来的钢制件、其轻量化效果明显。

根据以上各材料的性能对比,现有汽车的材料和汽车对材料在物理性能、机械性能的要求。碳纤维复合材料具有很高的轻量化标准、刚度和强度的特点。目前市场上碳纤维引擎盖只在高级轿车上有应用,并没有大规模应用,还是比较新颖的轻量化材料,材料的经济性成本相对其性能还不算高。

3、结语

文章对汽车轻量化材料的描述,介绍了在现实中轻量化所选用的各铝合金、镁合金、鈦合金、高强度钢和复合材料,进一步讲述了轻量化材料的使用对汽车轻量化方面所带来的实际好处,以表明不同轻量化材料对汽车减重的幅度。带动汽车产业的发展,提高人们的生活质量,对环境保护和减少各类资源的使用有着重要意义。

[参考文献]

[1][德]弗兰克.哼宁 [德]埃尔伟拉.穆勒。轻量化材料和属性, 2015.03.

[2]王宏雁 陈君毅。 汽车车身轻量化结构及轻质材料,2009.08.

(作者单位:黄河交通学院,河南 焦作 454950)

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