①汽車主流規(guī)格車型持續(xù)優(yōu)化,規(guī)格主參數(shù)尺寸保留的前提下,提升整車結(jié)構(gòu)強度,降低耗材用量;
②采用輕質(zhì)材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復合材料等;
③采用計算機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。如采用有限元分析、局部加強設(shè)計等;
④采用承載式車身,減薄車身板料厚度等。
其中,當前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。
新材料、新工藝的應(yīng)用,大大推進了汽車輕量化進程。理論分析和試驗結(jié)果都表明,輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟性的有效途徑。有色合金:鋁合金、鎂合金、鈦合金等一些新型材料的應(yīng)用大大適應(yīng)了汽車輕量化的需求。
有色合金
以乘用車來說,1973年每輛車所使用的有色合金占全部用材的重量比為5.0%,1980年增至5.6%,而1997年則達到了9.6%。有色合金在汽車上應(yīng)用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢。
鋁合金
鋁的密度約為鋼的1/3,是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。以美國生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例,1976年每車用鋁合金僅39kg,1982年達到62kg,而1998年則達到了100kg。
(1)鑄造鋁合金
許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素,但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產(chǎn)中具有重要意義。當然,在汽車上廣泛應(yīng)用的并不是上述簡單的二元合金,而是多種元素同時添加以獲得好的綜合性能。
汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場,例如日本,鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應(yīng)用于發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發(fā)動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。
鋁鑄件中不可避免地存在缺陷,壓鑄件還不能熱處理,因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強度鑄件時受到限制。為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進,鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。
(2)變形鋁合金
變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材,在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。
由于輕量化效果明顯,鋁合金在車身上的應(yīng)用正在擴大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身,比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg,引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達到31.3%,如在全鋁車身上,外板使用6000系列合金,內(nèi)板使用5052-0合金,骨架大部使用5182-0合金;由于側(cè)門框?qū)姸群蛣偠纫蠛芨?,使用?N01合金為基礎(chǔ)、適當調(diào)整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內(nèi)外板的。
鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲,到20世紀80年代后期鋁散熱器已占領(lǐng)市場的90%。隨?車用空調(diào)、油冷卻器等的大量使用,鋁熱交換器的市場迅速擴大。從材料的角度看,鋁在熱交換器上的廣泛應(yīng)用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發(fā)。
(3)鋁基復合材料
鋁基復合材料密度低、比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好,但在汽車上的應(yīng)用受到價格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約,還沒有形成很大的規(guī)模。目前,鋁基復合材料在連桿、活塞、氣缸體內(nèi)孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗或使用顯示出了卓越的性能,如本田公司開發(fā)成功的由不?鋼絲增強的鋁基復合材料連桿比鋼制連桿降重30%,對1.2L的汽油發(fā)動機可提高燃料經(jīng)濟性5%;采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末(重量百分數(shù)2%)混合并擠壓成棒材,用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強度高可降重20%,發(fā)動機功率大幅度提高;用鋁基復合材料強化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%;鋁基復合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。
鎂合金
鎂的密度約為鋁的2/3,在實際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強、切削性能好、金屬模鑄造性能好,很適合制造汽車零件。
鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用,鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%~50%。新開發(fā)的無孔壓鑄法(Pore Free Diecast)可生產(chǎn)出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。
鎂鑄件在汽車上使用最早的實例是車輪輪輞。在汽車上試用或應(yīng)用鎂合金的實例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比,鎂制件降重65%;與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比,鎂制件降重45%;與全鋁氣缸蓋相比,鎂制件降重30%;與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結(jié)構(gòu)制動踏板支架相比,整體的鎂鑄件降重40%,同時其剛性也得以改善。
鎂基復合材料的研究也有進展,以SiC顆粒為增強體,采用液態(tài)攪拌技術(shù)得到的鎂基復合材料具有很好的性能且生產(chǎn)成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強的復合材料比基體合金拉伸強度提高23%,屈服強度提高47%,彈性模量提高72%。
鈦合金
鈦的密度為4.5g/cm3,具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優(yōu)點。由于鈦的價格昂貴,至今只見在賽車和個別豪華車上少量應(yīng)用。盡管如此,對鈦合金在汽車上應(yīng)用的試驗研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動機連桿,強度相當于45鋼調(diào)質(zhì)的水平,而重量可以降低30%;β系鈦合金(Ti-13V-11Cr-3Al等)經(jīng)強冷加工和時效處理,強度可達2000MPa,可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等,與拉伸強度為2100MPa的高強度鋼相比,鈦彈簧可降重20%。
鈦合金應(yīng)用的最大阻力來自其高價格,豐田中央研究所開發(fā)了一種成本較低的鈦基復合材料。該復合材料以Ti-6Al-4V合金為基體,以TiB為增強體,用粉末冶金法生產(chǎn),已在發(fā)動機連桿上應(yīng)用。
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