新能源汽车概论7

规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第1页第7章新材料和新技术应用7.1镁合金7.2碳纤维7.3表面装饰技术7.4现代控制技术7.5仿真技术7.6车载网络技术7.7汽车线控转向系统7.8汽车线控制动系统规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第2页7.1镁合金7.1.1镁合金的类型和特性7.1.2镁合金的主要成型工艺7.1.3镁合金材料在汽车上的应用规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第3页7.1.1镁合金的类型和特性镁合金是以镁为基加入其它元素组成的合金。其特点是：密度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。镁合金可以分为铸镁合金和变形镁合金。铸造镁合金适宜于熔融状态下充填铸型，以获得良好形状和尺寸的毛坯；变形镁合金适宜于塑性成型，在塑性变形中仍然能保持镁的特性。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第4页7.1.1镁合金的类型和特性镁合金按合金组元不同主要有Mg-Al-Zn-Mn系（AZ系）、Mg-Al-Mn系（AM系）、Mg-Al-Si-Mn系（AS系）、Mg-Al-RE系（AE系）、Mg-Zn-Zrn系（ZK系）、Mg-Zn-RE系（ZE系）等合金。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第5页7.1.2镁合金的主要成型工艺一般镁合金制品成型主要分为变形（轧制、挤压等）和铸造两种方法。当前镁合金的成型工艺主要分为压力铸造、低压铸造、挤压铸造、半固态铸造和触变注射成型等，其中压力铸造仍是最主要的成型工艺。1.压力铸造压力铸造是目前最成熟、应用最广泛的铸造方法，目前，镁合金压铸工艺的研究热点主要集中在镁合金压铸件的开发设计和镁合金压铸工艺的完善创新两个方面。世界上镁合金铸件的93%是用压铸工艺生产的，镁合金是一种非常适合高压铸造的金属材料，其实际压铸周期比铝合金短50%，同时比所用的模具寿命高2~3倍。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第6页7.1.2镁合金的主要成型工艺2.低压铸造低压铸造已经应用于生产镁合金汽车铸件，此法可以保证平稳充型，避免镁合金液氧化和卷气，还可以在铸造过程中将加压系统与镁合金的气体保护有效地结合起来。低压铸造由于其充型过程的平稳性和良好的排气性能，被广泛应用于轮毂等对铸件缺陷较为敏感的零件制造上。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第7页7.1.2镁合金的主要成型工艺3.挤压铸造挤压铸造是将一定量的熔融金属液直接注入金属模膛，在机械静压力的作用下，使处于熔融或半熔融状态的金属流动并凝固成型，从而获得毛坯或零件。挤压铸造最重要的参数是浇铸温度和充型压力等，其直接影响合金本身的性能和化学成分。挤压铸造能提高材料利用率，降低生产成本，缩短生产周期。挤压铸造的铸型温度一般为200~300℃，充型压力为50~150MPa。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第8页7.1.2镁合金的主要成型工艺4.半固态铸造半固态铸造具有充型平稳、无金属飞溅、金属液氧化少、节能、操作安全、减少铸件内孔洞类缺陷等优点，是近年来发展起来的成型技术。通过此种方法可以获得高致密度的镁合金制品。半固态铸造可分为流变铸造和触变铸造，流变铸造是将金属从熔融状态冷却至两相区成型的一种方法，触变铸造是将金属从固态加热到两相区成型的一种方法，是目前半固态铸造的主要工艺方法。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第9页7.1.2镁合金的主要成型工艺5.触变注射成型技术触变注射成型是将具有触变结构的半固态镁合金高速注射到模具中，得到近终形的金属零件，它具有如下特点：镁锭无需预热及熔化，成型工艺简单，成本低；铸造温度比传统压力铸造温度低90~120℃；金属无需熔融处理，避免了镁合金熔化损害。与传统的压铸相比，触变注射成型无需金属熔炼及浇铸等过程，从而使生产过程更加清洁、安全和节能。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第10页7.1.3镁合金材料在汽车上的应用镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减轻质量基础上再减轻15％~20％。在轻量化的驱动下，自1990年以来，镁在汽车中的应用正以年均增长20％的速度迅速发展。镁合金的开发与应用已成为汽车材料技术发展的一个重要方向。目前，汽车上应用的镁合金零部件主要有两类共60多种，如离合器外壳、变速箱体、曲轴箱等壳体类，以及转向盘、座椅支架、仪表盘框架、转向支架、车镜支架等支架类。在材料的选择方面，用于结构件的一般以AZ系和AS系为主，而AM系镁合金主要用于装饰零件。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第11页7.1.3镁合金材料在汽车上的应用图是某企业生产的镁合金轮毂。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第12页7.1.3镁合金材料在汽车上的应用目前，北美和欧洲的平均单车镁合金用量约为3.8kg，德国大众汽车公司的帕萨特单车镁合金用量为14kg；美国通用和福特汽车公司的单车镁合金用量为3kg。预计在2012年单车镁合金用量将提高至30kg，2015年达到100kg。我国镁合金在汽车上的应用主要有变速器箱体及壳盖、离合器外壳及壳盖、泵体、转向盘、气缸盖罩、轮毂、仪表盘、座椅架和防护杆等零件。单车镁合金用量平均不足1kg。镁合金汽车压铸件的年产量不足4000t。镁合金以其显著的减重效果、良好的铸造和尺寸稳定性、优良的抗振性及可回收再生等特性，已成为汽车制造业最具潜力的结构材料。特别是大力提倡发展低碳经济的今天，镁合金是汽车轻量化中取代钢铁及部分铝合金的首选材料，各国也把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第13页7.2碳纤维7.2.1碳纤维的定义和分类7.2.2碳纤维的特性7.2.3碳纤维在汽车上的应用规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第14页7.2.1碳纤维的定义和分类1.碳纤维的定义碳纤维是一种纤维状复合材料，含碳量超过90％以上，具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的强度比钢大，密度比铝小，具有极好的电学、热学和力学性能。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第15页7.2.1碳纤维的定义和分类2.碳纤维的分类碳纤维的分类有许多方法，可按原料、力学性能和状态来进行分类。（1）按原料分类。碳纤维按原料可分为聚丙烯腈系碳纤维和沥青系碳纤维。其中聚丙烯腈系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用；沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量高，适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第16页7.2.1碳纤维的定义和分类（2）按力学性能分类。碳纤维按力学性能可分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100GPa左右；高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）；强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。（3）按状态分类。碳纤维按状态可分为长丝碳纤维、短碳纤维和短切碳纤维。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第17页7.2.2碳纤维的特性1.碳纤维的力学特性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，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在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作承受侧面冲击的部分。碳纤维经2500℃高温处理（也可称作石墨化处理）后，称高模量碳纤维（或石墨纤维），或称I型碳纤维；在1300℃～1700℃范围内处理的碳纤维称高强度碳纤维，或称II型碳纤维。碳纤维的拉伸破坏方式属脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，这一点与玻璃纤维相似，然而其断裂伸长率比玻璃纤维的小。高模量碳纤维的断裂伸长率约为0.5%；高强度碳纤维的约为1%；玻璃纤维的约为2.6%；而环氧树脂的约为1.7%，所以碳纤维复合材料的强度能得到充分的发挥。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第18页7.2.2碳纤维的特性2.碳纤维的物理特性碳纤维的导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料纤维轴向的导热系数为0.04卡/秒•厘米•℃；垂直纤维向的导热系数为0.002卡/秒•厘米•℃。碳纤维的线膨胀系数具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维有收缩的趋势。碳纤维的线膨胀系数沿纤维轴向约为：0.072×10-8～0.9×10-6/℃；垂直纤维轴向约为22×10-6～32×10-6/℃，而基体树脂的线膨胀系数约为：45×10-6/℃，二者之间相差较大，所以碳纤维复合材料在固化后冷却过速，或经受高低温度变化时易产生裂纹。碳纤维的比重取决于原料的性质及热处理条件，如：PAN基碳纤维经1000℃处理后，比重为1.7g/cm3；经3000℃处理后，比重为2.01g/cm3。此外，碳纤维具有自润滑性、摩擦系数较低、良好的导电性等特性。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAU