汽車車身輕量化材料的應(yīng)用實踐探究

              2018-09-18 14:12:00
              陸啟蒙
              原創(chuàng)
              9998

              摘要:當(dāng)前車身輕量化目標(biāo)的實現(xiàn)途徑主要是輕量化材料的應(yīng)用,隨著車身輕量化需求的提升,車身輕量化材料的應(yīng)用也不斷增多。主要針對幾種車身輕量化材料的特征進(jìn)行了分析,針對車身結(jié)構(gòu)性能及相關(guān)特點進(jìn)行了研究,闡述了輕量化材料在汽車車身中的實踐應(yīng)用及發(fā)展前景。

              在汽車設(shè)計與制造中,輕量化車身是發(fā)展的趨勢。汽車輕量化的實現(xiàn)是在確保汽車安全性與強度的基礎(chǔ)上,盡可能的將自身重量降低,從而使汽車的運載能力提升、油耗降低、污染氣體排放減少等。相關(guān)資料顯示,汽車重量降低 10%,燃油消耗可降低 6%-10%,因此汽車輕量化也是節(jié)能環(huán)保的要求?,F(xiàn)階段,車身輕量化研究的方向主要是車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輕質(zhì)車身材料的選擇,而其中發(fā)展的空間較大的是對輕量
              材料的研究,這也是車身輕量化實現(xiàn)的主要途徑。

              1 新型高強度鋼

              近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在原高強度鋼的基礎(chǔ)上研究出高強度、深拉伸性、烘烤硬化等新型高強度鋼。現(xiàn)階段,車身采用的主要板材與管材主要是高強度鋼,

              如:(1)烘烤硬化鋼,該鋼板的強度在烘烤涂漆過程中強化,鋼板的厚度可以降低,但其抗凹陷性得到提高,在成形難和強度高的零件中應(yīng)用較多,如車門、車頂?shù)炔课唬?/p>

              (2)相變誘發(fā)塑性鋼,屬于一種高強度結(jié)構(gòu)件,在發(fā)生碰撞的時候可以將撞擊的能量吸收,主要用于車身框架結(jié)構(gòu)中;

              (3)馬氏體相位鋼,在防撞要求比較高的零件中應(yīng)用較多,可在短時間內(nèi)的碰撞行程中,將大量的能量吸收掉,主要用于車身側(cè)方防撞保護(hù)件中;

              (4)硼鋼,在高成形度與高強度零件中應(yīng)用較多。以上高強度鋼的應(yīng)用,可以顯著降低車身重量,降低整車總重量。

              2 輕合金材料

              2.1 鋁合金材料

              在汽車輕量化材料中,鋁材是非常理想的材料,其重量輕、資源豐富,在節(jié)約資源、再生利用、耐腐蝕、吸收沖擊能等方面的作用非常明顯。鋁材在車身上應(yīng)用,主要以變形鋁合金為主。不同的變形鋁合金的性能是不同的,可以根據(jù)性能用于車身不同部位,如根據(jù)剛度和強度,可用于發(fā)動機罩、車廂蓋等位置。現(xiàn)階段 AI-LI 型鋁合金以其高彈性模量、高強度、低密度、超塑性等優(yōu)勢,在車輛防震板中已經(jīng)得到
              了廣泛的應(yīng)用。鋁合金的成型性較好,車體結(jié)構(gòu)采用鋁合金型材作為框架,通常中強度鋁材即可滿足要求。對于擠壓鋁合金型材,除了剛性高和重量輕以外,其耐腐蝕、耐高溫等特性也較為突出。一般鋁制車身選擇厚壁鍛鋁梁焊接而成,其強度與剛度高于沖壓薄鋼,框架整體穩(wěn)定性更高。從鋁板覆蓋件的應(yīng)用與發(fā)展來看,表面質(zhì)量優(yōu)良、強度高、成型加工性好的鋁板會逐步取代鋼板成為車身輕量化發(fā)展中的主要材料。與鋼板相比,相同強度鋁板質(zhì)量降低了近 50%。受我國鋁的產(chǎn)量、價格及汽車制造水平等因素影響,鋁材現(xiàn)今在汽車中使用量還不是很大。因此,降低成本、提高質(zhì)量、增加品種已經(jīng)成為我國汽車行業(yè)與鋁加工行業(yè)向世界先進(jìn)水平發(fā)展的主要方向。

              2.2 鎂合金材料

              與鋁合金相比,鎂合金的密度更小,重量更輕,而且其耐腐蝕、耐擠壓、耐高溫的特性都要高于鋁材,并且便于回收,是當(dāng)前汽車節(jié)能環(huán)保的重要結(jié)構(gòu)材料?,F(xiàn)階段應(yīng)用在汽車車身上的鎂合金材料有日本生產(chǎn)的 IM Mg-Y 系變形鎂合金、美國生產(chǎn)高強度 ZK60 變形鎂合金,以及一些可以進(jìn)行加工的鎂合金板材。目前,西方國家正在研究應(yīng)用于汽車零部件的鎂合金汽車零部件已經(jīng)近百種,如果這些零部件能夠?qū)ΜF(xiàn)有汽車零部件全部進(jìn)行成功替換,那么車身重量會大大降低。我國屬于鎂資源生產(chǎn)大國,而且鎂礦產(chǎn)品種類多、儲量大,占世界可用鎂資源的七成左右。而且鎂合金生產(chǎn)企業(yè)在我國也非常多,關(guān)于鎂合金汽車用零配件項目在多個企業(yè)中已經(jīng)開始研發(fā)并生產(chǎn)。在汽車上鎂合金材料的應(yīng)用逐漸增加,從其發(fā)展的趨勢來看,鎂合金材料在以后的汽車工業(yè)發(fā)展中,必定是車身輕量化發(fā)展中的重要材料。

              3 工程塑料及復(fù)合材料

              在汽車輕量化材料中,工程塑料與復(fù)合材料是也重要的類型。

              工程塑料和一般的塑料相比,具有尺寸穩(wěn)定、耐磨、耐熱、耐化學(xué)性、機械性能良好等優(yōu)勢,并且質(zhì)量非常輕,如果取代車身部分金屬零部件,車身質(zhì)量必定會大大降低。現(xiàn)階段,工程塑料主要用在車體內(nèi)飾和外飾等裝飾件上,如儀表盤、車門內(nèi)板、頂棚、車門防撞條、散熱器罩、車床、座椅支架等,和金屬材料相比,重量可減輕 40%左右。工程塑料對輕微碰撞與腐蝕有較好的耐受性,低速碰撞條件下,不需要維修。從制造角度看,其成形方便,零件集成容易,是理想的輕量化材料。

              纖維增強塑料屬于一種復(fù)合材料,比較常用的是帶有熱固性樹脂和玻璃纖維的纖維增強塑料。這種材料設(shè)計靈活、密度小、耐腐蝕、易成型、抗震、抗沖擊、強度高、具有和金屬材料類似的機械性能,在一些特定條件下,有金屬薄板所達(dá)不到的優(yōu)勢,降低車身重量的能力高于鋁材,而且生產(chǎn)成本較低。當(dāng)前在車身使用的主要是玻璃纖維增強不飽和聚酯片狀模塑料,用于前擋泥板延伸部件、燈罩、前翼子板、發(fā)動機罩等部位。此外,碳纖維也是一種纖維狀復(fù)合材料,碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料的抗拉強度與韌性較好,質(zhì)量僅為鋼材的 1/4,而強度高、重量輕的性能正適應(yīng)了當(dāng)前車身輕量化發(fā)展的需求,但由于該材料的成本相對較高,因此當(dāng)前只應(yīng)用于高端汽車中。

              4 結(jié)語

              現(xiàn)階段,大多數(shù)的車輛車身材料主要有高強度鋼、鋁、鎂及工程塑料等材料。而基于這些基礎(chǔ)材料而出現(xiàn)的一些新技術(shù)、新工藝、新材料的研發(fā),使汽車產(chǎn)品設(shè)計中可采用多種輕量化材料,大大降低了車身重量,提高了車輛的運載能力、降低了油耗、保護(hù)了環(huán)境。因此,輕量化車身設(shè)計是汽車工業(yè)發(fā)展的一個重要方向。


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