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从全铝车身到碳纤维 揭秘汽车轻量化材料应用

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发布:liuxianglong 作者: 汽车节能技术来源: 汽车节能技术
PostTime:17-4-2017 21:37
汽车节能技术 减少汽车自身质量是降低油耗最有效的措施之一。数据显示,汽车自重每减少10%,NEDC工况下能耗可降低6%~8%,排放降低5%~6%。

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减少汽车自身质量是降低油耗最有效的措施之一。数据显示,汽车自重每减少10%,NEDC工况下能耗可降低6%~8%,排放降低5%~6%。而燃油消耗每减少1L,CO2的排放量减少2.45kg。轻量化的实现主要有三种手段:轻量化结构设计及优化、先进轻量化材料应用、先进轻量化制造技术应用。采用新型材料是汽车轻量化最直接有效的方法。

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,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%;汽车整备质量每减少100千克,百公里油耗可降低0.3—0.6升。

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常见的轻量化材料分为金属和非金属两大阵营。金属材料主要包括高强钢、铝合金、镁合金等;非金属材料包括工程塑料和复合材料等。提高汽车轻量化程度是各大厂家一直以来的目标,所以也就有了铝制和碳纤维的材料更多的运用到整体车身中。

1.铝合金

铝合金是目前汽车材料中应用最多的轻质材料,各项相关技术也比较成熟。铝具有良好的机械性能,其密度约为钢铁的1/3,易加工,导热性、耐腐蚀性好,铝合金强度高,同时具有良好的吸能性。据美国铝学会的报告,汽车上每使用0.45kg铝就可减轻车重1kg,理论上铝制汽车可以比钢制汽车减重40%左右。目前很多车型如奥迪A8、捷豹XFL、特斯拉等均已采用全铝车身。

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近年来,铝合金用于车身材料的加工方式的成本有所降低。以前都要将厚的铝合金板冲压成薄板再进行加工,目前通用引入了和钢板冲压类似的热冲压成形技术。

这对工艺的要求是十分严格的,由于摩擦力的作用,截面各处材料流动不均,容易在应力集中地方产生急剧减薄而发生破裂。协调好压边力与冲压力的关系,加上良好的润滑,是实现铝合金热冲压再次降低材料成本的关键。

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当然铝合金作为大范围量产的轻量化材料固然理想,也有自身的缺点,比如工艺复杂且后续维修费用高。

总的来说,铝合金材料可能会首先取代传统的钢材成为汽车轻量化的主要材料,但是由于焊接等一系列技术难题需要攻克,普通车企还不能把此类材料成熟的应用到汽车生产中。

2.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。

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镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上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。

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由于镁制车身板件的应用,可以得到更好的车身操控,更佳的性能表现以及更经济的燃油成本,更轻的车身将在整体层面上提升车辆的性能。

镁合金在汽车上的应用虽然很早就开始展开,但是目前镁合金并没有广泛的推广开来,在制造加工方面,相比于铝制板材件,镁合金车身板件的成本要高出3至4倍。另外,由于镁合金板材的特殊性,在修复工艺方面或许与传统的钢铁板件存在一定差异。

3.高强度钢

高强度钢的应用成为了汽车轻量化技术重要发展方向。但受高强钢板材强度的提高,传统的冷冲压工艺在成型过程中容易产生破裂现象,无法满足高强度钢板的加工工艺要求。在无法满足成型条件的情况下,目前国际上逐渐研究超高强度钢板的热冲压成形技术。该技术是综合了成形、传热以及组织相变的一种新工艺,主要是利用高温奥氏体状态下,板料的塑性增加,屈服强度降低的特点,通过模具进行成形的工艺。但是热成型需要对工艺条件、金属相变、CAE分析技术进行深入研究,目前该技术被国外厂商垄断,国内发展缓慢。

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当材料被冲压成形时,会变硬,不同的钢材,变硬的程度不同。一般高强度低合金钢只略有20MPa增加,不到10%。注意:双相钢的屈服强度有140MPa增加,增加了40%多!金属在成形过程中,会变得完全不同,完全不像冲压加工开始之前。 这些钢材在受力后,屈服强度增加很多。材料较高的屈服应力加上加工硬化,等于流动应力的大大增加。因此,开裂、回弹、起皱、工件尺寸、模具磨损、微焊接磨损等成为了高强钢成型过程中的问题焦点。

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基于高强钢的特点和特性,如果不能改变金属流动和减少摩擦,那么高强度钢(HSS)的开裂和质地不均性都可能引起部件报废率的上升。这种材料所具有的高千磅力每平方英寸(KSI)(测量屈变力的单位)、增强的回弹、加工硬化的倾向以及在升高的成型温度下运行对于模具来说都是一个挑战。

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但在汽车轻量化材料中,高强度钢板价格低,具有优越的经济性。采用高强度钢板在等强度设计条件下可以减少板厚,但是车身零件选定钢板厚度大都以元件刚度为基准,因此实际板厚减少率不一定能达到钢板强度的增加率,不可能大幅度地减轻车重。高强度钢板在汽车上应用的目的主要有:增加构件的变形抗力,提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。

由于运用高强度钢板的经济性和相对容易性,各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的运用。世界钢铁协会汽车分会提出了新一代钢铁汽车的想法:更多使用高强度钢板,车身的质量将比以前减轻35%。

4.塑料及非金属复合材料

塑料的应用同时满足降低整车重量和成本两方面的需求,因此是汽车使用的最多的非金属材料,相关技术也比较成熟。塑料具有比重小、耐腐蚀、隔音隔热、比强度高、吸收冲击能量、成本低、易加工、装饰效果好等诸多优点,不仅能减重降成本,而且对整车的安全性、舒适性和外观都有利。

世界汽车平均塑料用量早在2001年已达115kg,约占汽车总重量的8%~12%,并且这一比重不断提升。塑料广泛地应用于汽车的内外饰上,如仪表盘、侧围内侧板、扰流板、挡泥板、散热器格栅、翼子板等。今后重点开发方向是结构件、功能件、外装件的高性能塑料。

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非金属复合材料主要是指碳纤维增强树脂基复合材料和有机纤维复合材料等。其密度小、耐腐蚀、耐疲劳、比强度和比刚度高、易成型、节能抗震等优点,目前主要应用于车身、车灯罩、保险杠等。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为 23000~43000Mpa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度,其耐冲击性却较差,容易损伤,所以在制造成为结构组件时往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。目前,民用车中使用碳纤维材料结构并不多,多是集中在一些跑车上。但这终归只是富人的玩具,具有碳纤维单体壳结构的汽车往往价格十分昂贵。

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碳纤维材料本身并不昂贵,然而要把碳纤维加工成适合车辆行驶、碰撞的成品才真正是其价值所在。

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虽然碳纤维增强合成材料良好的形状既没有达到用化学制剂进行预处理的完美的菱形,也没有达到完美的坚固性,但是这种方法得到的材料强度仍然可以和钢媲美,关键在于重量只是钢材的二分之一。

碳纤维单体壳作为一种质量轻、强度大、安全性高的车身结构,被广泛应用于性能车中。虽然现在还无法在民用车中普及,但在解决了原材料问题之后,相信距离其技术下放的时刻已经不远了。

以上我们列举了一些材料在轻量化中的应用,对于采用轻质材料的零部件,还可以进行布局进一步分析和运动干涉分析等,使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。相信不断进步的科技和制造工艺会让轻量化有更多的延展空间。

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