金属与非金属材料对汽车轻量化的影响

金属与非金属材料对汽车轻量化的影响1汽车轻量化1.1汽车轻量化的必要性2007年，我国汽车销量达到了880万辆，汽车消费规模居世界第二。我国汽车产量和保有量的持续高速增长为汽车及相关行业的进步带来巨大机遇的同时，汽车工业也面临着一个巨大的挑战。汽车及相关行业的发展对社会能源供给、环境保护等方面的影响日益明显，因此要承受的节能减排的压力也日趋增大。有关研究数据表明，若汽车整备质量降低10%，燃油消耗可减少6%～8%。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗的显著降低。尤其汽车车身约占汽车总质量的30%，对空载而言，约70%的油耗是用在车身质量上的，因此车身的轻质化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要。同时，轻量化还将带来车辆操控稳定性和冲撞安全性的提升:因为车辆行驶时的颠簸会因底盘重量减轻而减轻，整个车身会更加稳定；轻量化材料对冲撞能量的吸收，又可以有效提高冲撞安全性。因此汽车轻量化已成为汽车发展产业中的一项关键性研究课题。汽车轻量化的技术内涵是:采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重，降耗，环保，安全的综合指标。然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。1.2实现汽车轻量化的主要途径1.2.1合理的结构设计目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，设计已经融合到了汽车设计的前期。轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，并在前期与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。在现代汽车工业中，利用CAD/CAE/CAM一体化技术起着非常重要的作用，涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。利用CAD/CAE/CAM一体化技术，可以准确实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。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。此外利用CAD/CAE/CAM技术可以用仿真模拟代替实车进行试验，对轻量化设计的车身进行振动、疲劳和碰撞分析。通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能、环保。通过结合参数反演技术，多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。具体结构合理设计有以下3个方面:1)通过结构优化设计，减小车身骨架，车身钢板的质量，优化对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提要求下减轻自重。2)通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸。3)采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置，前轮驱动和超轻悬架结构等。使结构更紧凑，或采取发动机后置，后轮驱动的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。1.2.2使用新型材料据统计，汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体说来可以有如下几种方案:1)使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；2)使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；3)使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。2高强度钢在汽车轻量化中的应用有资料表明，使用高强度钢板，原厚度为1.0-1.2mm的车身板可减薄至0.7～0.8mm，车身质量减小15%～20%，节油8%～15%，为此，世界各国大力开发各种高强度钢板，主要包括双相钢(DP钢)板以及目前最先进的相变诱发塑性钢(TRIP)板等等。与常用的低合金高强度钢相比，在相同强度级别下，DP钢具有低的屈强比、较高的伸长率（均匀伸长率和断裂伸长率）以及很高的加工硬化率。其高的伸长率是由于在软的纯铁素体基体内分散细小的硬马氏体或贝氏体颗粒所致。DP钢在维持高强度的条件下，其伸长率比一般微合金钢和烘烤硬化钢或含磷钢好，因此双相钢具有良好的成型加工性能，避免了常用的普通低碳钢成型过程中存在的形状稳定性弹性后效低的缺陷，非常适合制造汽车零部件，如车身覆盖件以及底盘结构件等。高强度低合金系列中的TRIP钢是一种新型汽车结构用钢，它利用组织中存在的残余奥氏体在应力应变作用下向马氏体转变而诱发相变塑性，同时又达到强化目的，具有优异的可成型性和高强度。因此TRIP钢具有良好的塑性，能冲制出形状复杂的零件。与其他冲压用钢板相比，TRIP钢有良好的加工硬化和烘烤硬化性能，采用它制造车身零件可以提高疲劳性能和抗撞性能，并且可以减少钢板的厚度从而减轻汽车的质量，对节约能源、减少排放和提高安全性有显著效果。3轻质材料在汽车轻量化中的应用3.1轻质金属材料在汽车轻量化中的应用3.1.1铝合金在汽车上的应用及特点3.1.1.1铝合金的特点铝是人们最熟悉的金属之一，在纯铝中加入Cu、Mg、Zn、Si、Mn、稀土等合金元素配制成各种铝合金，再用强化措施来提高其强度、硬度、疲劳性能等材料综合性能，以满足工程应用的需要。与钢铁相比，铝合金具有质量轻、导热性好、耐腐蚀性好、易于加工等特点。而且铝材几乎可以全部回收，重新加工使用，有利于环境保护；有些铝合金材料的物理性能已与车用钢材相似，具有相当的强度和刚度。铝合金零部件的应用，可以大大减轻整车质量，根据美国铝学会的报告，汽车上每使用0.45kg铝就可减轻车重lkg，理论上铝制汽车可以比钢制汽车减重40%左右。因为铝合金具有以上优点，所以铝合金成为近二十年来在国内外汽车上使用最多的轻量化材料。在欧美产轿车中，平均使用铝材量达到了200kg左右，铝化率约为20%。国内轿车工业用铝也呈现快速增长态势，据中国汽车工业协会统计预测，1993年国内轿车工业用铝量仅为4万吨，2003年为28万吨，2005年，上升到34.6万吨。预计到2010年，我国轿车工业用铝将达到99.6万吨。3.1.1.2铝合金在汽车上的应用用于汽车上的铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用量最多，主要应用于发动机和底盘部件(见表1)，变形铝合金包括锻造铝合金和铝合金板材等，主要应用于车身和热交换系统部件(见表2)。2000年铸造铝合金的质量占整车质量的4%，2006年这一比例已上升到了8%；锻造铝合金的这一比例由原来的2%上升至6%，而铝合金板材由1.7%上升到了4%。表1汽车用铸造合金的主要部件系统部件系统零件名称发动机系统发动机缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、发电机壳、起动机壳、摇臂、摇臂盖、滤清器底座、发动机托架、正时链轮盖、发动机支架、分电器座等底盘传动系统变速箱壳、离合器壳、连接过渡板、换档拨叉等底盘行驶和控制系统横梁、上臂、下臂、转向器壳、制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵叉等其他系统部件离合器踏板、制动踏板、方向盘、转向节、发动机框架、ABS系统部件表2汽车用变形铝合金的主要部件系统部件系统零件名称车身系统部件发动机罩、车顶蓬、车门、翼子板、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件等热交换器系统部件发动机散热器、机油散热器、空调冷凝器和蒸发器等其他系统部件冲压车轮、座椅、保险杠、车厢底板及装饰件等1）发动机一般情况下，发动机约占整车重的18%，发动机的轻量化是整车轻量化的重要组成部分。铝合金作为制造汽车发动机的结构材料有两个突出的优点:一是质量轻，采用铸铝合金来代替铸铁生产气缸体，6缸汽油发动机缸体可以减轻质量66.5～88kg(见表3)，较大幅度地减轻了汽车自身质量；二是它的导热性比铸铁好。使用铝制气缸盖和气缸体可以改善发动机的工作状态，提高其热效率，从而改善和提高发动机的功率。表3铝铸件代替铸铁件的质量对比表零件名称铸铁件质量kg铝铸件质量kg质量比发动机缸体80～12013.5～323.8～4.4:1发动机缸盖18～276.8～11.42.4～2.7:1进气歧管3.5～18.01.8～9.02:1转向机壳3.6～4.51.4～1.82.5～2.6:1传动箱壳13.5～23.05.0～8.22.7～2.8:1制动毂5.5～9.01.8～3.62.5～3.1:1水泵壳1.8～5.80.7～2.32.4～2.6:1油泵壳1.4～2.30.5～0.92.6～2.8:1发动机气缸盖、活塞、连杆、摇臂等零部件早已跟随汽车工业的发展需要，用铝合金材料替代了黑色金属材料。现代汽车发动机活塞几乎都用铝合金制造，材料以共晶铝硅合金为主，采用重力铸造、液态模锻、锻造等方法制造成型。国外常用于发动机气缸盖的铝合金为ASM319(美)而中国为ZL101合金，其铸造方法为金属型重力铸造和低压铸造工艺。英国陆虎的高精度铝缸盖铸件，其质量仅是铸铁缸盖的6%，切削量减少20%。目前，轿车发动机部件中不仅活塞、散热器、气缸盖等部件采用铝合金材料，而且缸体、油底壳甚至气缸套和连杆也开始采用铝合金材料。日本、德国等国外的一些汽车公司根据汽车轻量化发展的需要，已开发或使用了全铝发动机，比如日产的VQ发动机，宝马的M52直列六缸发动机，奔驰的V6和V8发动机、奥迪A8的V8发动机等。2）车身汽车车身的重量约为汽车总质量的30%。所以汽车车身的轻量化对于减轻汽车自重具有非常重要的意义。在汽车车身上主要使用的是变形铝合金(见表2)。上世纪80年代，铝合金板材开始用于车身发动机罩、翼子板、顶盖。随着冲压和成形技术的发展，铝合金板材逐渐被应用于车门、行李箱盖、车厢底板、车身框架、保险杠等更多的车身部件。德国大众公司于1999年推出新型奥迪A2轿车，该车荣获2000年欧洲铝业协会奖，是世界上第一款大批生产的全铝车身轿车，车身采用全铝空间框架车身ASF，整车铝外壳，从前顶柱到行李舱边，包括车门手把都是用铝合金冲压成型。该车采用铝材使整车质量比传统钢制车身减轻40%以上，仅有895kg，空气阻力系数仅为0.25，平均油耗降至每百公里3升。2002年推出的全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。就铝合金板材的应用发展趋势看，强度高、成形加工性好、表面质量优良的铝合金板材将取代钢板成为汽车车身的主要材料。3）底盘铝合金在汽车底盘上的应用主要体现在车轮和悬挂系统零件上。车轮是车辆承载的重要安全部件，对其安全性要求很高。铝合金轮毂较钢制轮毂平均轻2kg左右，其温度比钢制轮圈平均低25%，当车速为60km/h时可省油5%-7%。铝合金轮毂在汽车上得到广泛采用，正逐步代替长期占主导地位的钢制车轮。1999年，北美轿车和轻型卡车轮毂铝化率达53%，预计2010年北美汽车铝合金轮毂的市场占有率将上升到70%以上。2002年至今，由于我国汽车制造业快速发展，汽车铝轮行业出现了强劲增长势头。据中国汽车工业协会车轮委员会公布的数据显示，2003年我国生产汽车铝合金车轮2300万件，出口1200万件；2005年生产汽车铝合金车轮4500万件，出口2300万件。悬挂系统中的汽车下摆臂、上摆臂、横梁、转向节类零件均可用铝材制造，可以显著减轻非悬挂重量，从而改善汽车的行