轻量化
2012年07月31日 08:36
(共计1页)
简介
轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好，刹车时的制动距离更短。
随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％-8％；若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。
汽车轻量化
主要指导思想：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。
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%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
汽车轻量化的主要途径是：
①汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量；
②采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；
③采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等；
④采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。
其中，当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。
钢铁材料的轻量化举措
钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势，通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力，以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。
高强度钢板
轿车自重的25%在车身，车身材料的轻量化举足轻重。20世纪90年代，世界范围内的35家主要钢铁企业合作完成了“超轻钢质汽车车身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）课题。该课题的研究成果表明，车身钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板（包括高强度、超高强度和夹层减重钢板），可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，第一车身结构模量提高58%，满足全部碰撞法规要求。当然，这还是一个研究的成果，高强度钢板在车身上的实际应用还未达到如此高的水平。在普通的IF钢板的基础上相继开发了高强度IF钢板和烘烤硬化IF钢板，在保持高成型性的同时提高了强度和抗凹陷性，为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。
加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750MPa，可用于车轮和其它底盘零件。
近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。其中铁素体－贝氏体钢强度级别为500MPa，双相（DP）钢和相变诱发塑性（TRIP）钢强度级别为600~800MPa,复相（CP）钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。日本日产汽车公司进行了590MPa级高强度钢板在车身上的应用研究，他们选用TRIP钢和DP钢裸板以及DP钢镀锌板并运用有限元分析技术解决了冲压开裂和回弹问题，优化了焊接工艺参数，通过实车检测，刚度和碰撞性能满足要求，比采用440MPa级钢板时降重10kg。
激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近开发并应用的钢板轻量化技术。在前述ULSAB车身有18个零件采用了此技术。
结构钢
钢铁材料的用量虽逐年减少，但高强度钢的用量却有相当大的增加。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化，有助于汽车的轻量化。
(1) 弹簧
悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化，材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，开发出强度和韧性都很高的钢种，设计许用应力可达1270MPa，这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能，结合改进的奥氏体轧制成型，可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。
气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V，通过晶粒细化确保韧性，由增C提高强度。这样改进后，弹簧的高周疲劳强度约提高8%，可实现15%的轻量化。通过有限元分析，螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发，使弹簧实现7%的轻量化。
提高弹簧疲劳强度的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。弹簧的喷丸，除了传统的应力喷丸之外又发展了双级喷丸。喷丸和氮化也可以复合使用。
(2) 齿轮
汽车发动机有高功率化的趋势，而传动器有紧凑小型化的倾向。这势必加大传动齿轮的负荷，从而对齿轮钢的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求也相应提高。
提高钢中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齿轮钢的淬透性和强度，但单纯靠合金元素来强化齿轮钢会使钢的切削性能变坏、热处理工艺复杂，原材料成本和生产成本都会大幅度提高。齿轮渗碳时，为了防止或减少异常层的出现，降低钢中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用经改良的碳氮共渗工艺。改进的钢种可使齿轮实物的冲击寿命提高3~5倍，若在上述降低表面异常层钢种加上强力喷丸，可使齿轮疲劳极限提高20%~30%。
齿轮钢中的非金属夹杂物是疲劳裂纹的起点，会降低强力喷丸的强化效果，为此开发了高纯净度齿轮钢。例如对SCM420HZ钢，将氧浓度降到9ppm以下、磷浓度降到90ppm以下时，与前述降低表面异常层的低Si高Mo钢相比，齿轮齿根弯曲疲劳寿命提高10%~17%，接触疲劳寿命提高25%。
高强度铸铁
铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点，在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。
(1) 球墨铸铁
铁素体球墨铸铁拉伸强度可达500MPa，韧性也较高，因此多用于底盘零件，有的车型甚至用作转向节等保安件。
珠光体球墨铸铁强度更高，在一些零件上可代替锻钢件。带平衡块的4缸轿车发动机曲轴采用球墨铸铁加圆角滚压强化，已成为美、德、法等国汽车厂家的标准工艺。因球铁的密度比钢约小10%，所以以球铁代钢可以产生一定的轻量化效果。
奥贝球铁(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的强度和韧塑性，按美国和德国标准制造的奥贝球铁牌号，其最高强度级别达到1400MPa，超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量，代替锻钢制造曲轴可以降重10%，代替铝合金制造载货车轮毂每只可降重0.5kg。
(2) 蠕墨铸铁
蠕墨铸铁(Vermicular graphite cast iron)又称紧密石墨铸铁(Compacted graphite cast iron)，其机械－物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，很适合制造强度要求较高和要承受热循环负荷的零件，如气缸体、气缸盖、排气歧管和制动鼓等。
蠕墨铸铁的发现与球铁同时，但由于蠕化工艺控制难度较大而应用受到限制，Sinter Cast工艺控制系统为蠕铁的应用开辟了广阔的前景。Ford汽车公司从1996年开始应用这套系统生产发动机气缸体。据称蠕铁气缸体比灰铸铁气缸体降重16%，而结构刚度则提高12%~25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪音、改善排放。
粉末冶金材料
粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点，其在汽车上的应用有增加的趋势，特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。
组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品，它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮，然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比，可降重25%~30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用，随?柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻，粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。
粉末锻造连杆已经成功应用，近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低，可实现11%的轻量化。德国Opel公司装在2.0L的OHC发动机上行驶30万km的效果未见异常。
轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好，刹车时的制动距离更短。
随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％-8％；若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。
汽车轻量化
主要指导思想：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。
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%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
汽车轻量化的主要途径是：
①汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量；
②采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；
③采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等；
④采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。
其中，当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。
钢铁材料的轻量化举措
钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势，通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力，以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。
高强度钢板
轿车自重的25%在车身，车身材料的轻量化举足轻重。20世纪90年代，世界范围内的35家主要钢铁企业合作完成了“超轻钢质汽车车身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）课题。该课题的研究成果表明，车身钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板（包括高强度、超高强度和夹层减重钢板），可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，第一车身结构模量提高58%，满足全部碰撞法规要求。当然，这还是一个研究的成果，高强度钢板在车身上的实际应用还未达到如此高的水平。在普通的IF钢板的基础上相继开发了高强度IF钢板和烘烤硬化IF钢板，在保持高成型性的同时提高了强度和抗凹陷性，为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。
加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750MPa，可用于车轮和其它底盘零件。
近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。其中铁素体－贝氏体钢强度级别为500MPa，双相（DP）钢和相变诱发塑性（TRIP）钢强度级别为600~800MPa,复相（CP）钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。日本日产汽车公司进行了590MPa级高强度钢板在车身上的应用研究，他们选用TRIP钢和DP钢裸板以及DP钢镀锌板并运用有限元分析技术解决了冲压开裂和回弹问题，优化了焊接工艺参数，通过实车检测，刚度和碰撞性能满足要求，比采用440MPa级钢板时降重10kg。
激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近开发并应用的钢板轻量化技术。在前述ULSAB车身有18个零件采用了此技术。
结构钢
钢铁材料的用量虽逐年减少，但高强度钢的用量却有相当大的增加。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化，有助于汽车的轻量化。
(1) 弹簧
悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化，材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，开发出强度和韧性都很高的钢种，设计许用应力可达1270MPa，这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能，结合改进的奥氏体轧制成型，可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。
气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V，通过晶粒细化确保韧性，由增C提高强度。这样改进后，弹簧的高周疲劳强度约提高8%，可实现15%的轻量化。通过有限元分析，螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发，使弹簧实现7%的轻量化。
提高弹簧疲劳强度的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。弹簧的喷丸，除了传统的应力喷丸之外又发展了双级喷丸。喷丸和氮化也可以复合使用。
(2) 齿轮
汽车发动机有高功率化的趋势，而传动器有紧凑小型化的倾向。这势必加大传动齿轮的负荷，从而对齿轮钢的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求也相应提高。
提高钢中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齿轮钢的淬透性和强度，但单纯靠合金元素来强化齿轮钢会使钢的切削性能变坏、热处理工艺复杂，原材料成本和生产成本都会大幅度提高。齿轮渗碳时，为了防止或减少异常层的出现，降低钢中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用经改良的碳氮共渗工艺。改进的钢种可使齿轮实物的冲击寿命提高3~5倍，若在上述降低表面异常层钢种加上强力喷丸，可使齿轮疲劳极限提高20%~30%。
齿轮钢中的非金属夹杂物是疲劳裂纹的起点，会降低强力喷丸的强化效果，为此开发了高纯净度齿轮钢。例如对SCM420HZ钢，将氧浓度降到9ppm以下、磷浓度降到90ppm以下时，与前述降低表面异常层的低Si高Mo钢相比，齿轮齿根弯曲疲劳寿命提高10%~17%，接触疲劳寿命提高25%。
高强度铸铁
铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点，在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。
(1) 球墨铸铁
铁素体球墨铸铁拉伸强度可达500MPa，韧性也较高，因此多用于底盘零件，有的车型甚至用作转向节等保安件。
珠光体球墨铸铁强度更高，在一些零件上可代替锻钢件。带平衡块的4缸轿车发动机曲轴采用球墨铸铁加圆角滚压强化，已成为美、德、法等国汽车厂家的标准工艺。因球铁的密度比钢约小10%，所以以球铁代钢可以产生一定的轻量化效果。
奥贝球铁(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的强度和韧塑性，按美国和德国标准制造的奥贝球铁牌号，其最高强度级别达到1400MPa，超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量，代替锻钢制造曲轴可以降重10%，代替铝合金制造载货车轮毂每只可降重0.5kg。
(2) 蠕墨铸铁
蠕墨铸铁(Vermicular graphite cast iron)又称紧密石墨铸铁(Compacted graphite cast iron)，其机械－物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，很适合制造强度要求较高和要承受热循环负荷的零件，如气缸体、气缸盖、排气歧管和制动鼓等。
蠕墨铸铁的发现与球铁同时，但由于蠕化工艺控制难度较大而应用受到限制，Sinter Cast工艺控制系统为蠕铁的应用开辟了广阔的前景。Ford汽车公司从1996年开始应用这套系统生产发动机气缸体。据称蠕铁气缸体比灰铸铁气缸体降重16%，而结构刚度则提高12%~25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪音、改善排放。
粉末冶金材料
粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点，其在汽车上的应用有增加的趋势，特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。
组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品，它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮，然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比，可降重25%~30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用，随?柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻，粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。
粉末锻造连杆已经成功应用，近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低，可实现11%的轻量化。德国Opel公司装在2.0L的OHC发动机上行驶30万km的效果未见异常。
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