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汽車輕量化與材料(一)——機遇與挑戰
http://www.iecnta.live 2017-08-15 15:50:36 ind4汽車人
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  汽車輕量化對汽車業內人士來說,可謂是近年來最炙手可熱的技術議題之一。無論您處于汽車行業的那一個環節,都不可避免地或多或少涉及或者參與汽車輕量化的工作。

  汽車輕量化之所以成為推動汽車行業發展的滾滾洪流,是與現代社會對環保節能的迫切需求緊密貼合在一起的。美國政府以法規形式規定2017-2025款車型的燃油經濟性必須比2012年的水平提升近一倍,而歐洲汽車制造協會則承諾新車的碳排放從2012年開始降低至120克/公里以下的水平。我國政府則規定到2020年,當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0升/公里。

  在保證汽車綜合性能和安全性的前提下,最大程度地減低汽車的自身重量無疑是實現環保節能目標的關鍵路徑之一。根據雷諾的一項研究表明,每減少10%的整車質量,可對排放減少做出5%的貢獻,最新的研究則認為可以達到6-%-8%的貢獻。而如火如荼的電動汽車的發展則由于其電池重量的問題,則將汽車減重問題更進一步地推向汽車行業議題的重中之重。

  在歷年汽車輕量化研究工作的基礎上,目前行業已經對輕量化的技術路徑達成了共識,即:汽車輕量化需要通過結構、材料和工藝三個方面得到實現。通過材料來減輕整車質量無疑是最為直接和見效的輕量化技術。輕量化材料目前主要集中在兩大方向之內:一是低密度的輕質材料,如鋁合金、鎂合金、工程塑料和復合材料等,另一則是高強度鋼材,通過高強度的薄壁鋼材代替低強度的厚鋼材,如高強度鋼和超高強度鋼等。目前最有希望也是研究最為集中的四類輕量化材料分別是:鋁合金、鎂合金、碳纖維(CF)復合材料以及先進高強鋼(AHSS)。

  鋁合金

  鋁合金是最先采用的輕量化材料,也是目前在汽車上應用最多的輕金屬材料。作為汽車上鋼鐵材料的替代者,鋁合金的密度只有鋼鐵的1/3,導熱性比鐵高3倍,機械加工性能則比鐵高了4.5倍,其表面自然形成的氧化膜也具備良好的耐腐蝕性。鋁合金的鑄造性能也較為突出,適宜于制造薄壁復雜結構鑄件。鋁材的吸能性也異常突出,對舒適性和安全性都有提高。鋁材良好的再生性能使其成為最具有回收價值的汽車工業材料。

  目前全球每輛轎車的鋁合金平均用量超過150千克,而預計在2020年將達到180千克。目前鋁合金材料的應用主要集中在車身、底盤、發動機和車輪四個系統,涉及的零件包括:車身結構件、車身覆蓋件、車門、底盤支架、發動機缸體缸蓋、輪轂等。鋁合金如今已經不僅僅是零部件級別對鋼鐵材料的替代,市場上已經成功出現多款全鋁車身的車型。目前實現全鋁車身的車型最為知名的有:奧迪A8、路虎攬勝、福特F-150、特斯拉Model S等。其中,奧迪A8作為綜合性能排名第一的全鋁車身車型,實現了較傳統鋼質車身減重40%,而其結構鋼性和抗扭強度則較前代產品提高了25%。

  但阻礙鋁合金在汽車行業大規模應用的挑戰也相當明顯:高居不下的價格成本使其更局限于高端車型而無法向數量龐大的中低端車型拓展;鋁合金的連接技術,尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術也是鋁合金在汽車上應用受阻的一大因素;此外,鋁合金材料還必須解決進一步耐腐蝕的表面涂覆技術的問題。

  鎂合金

  鎂合金作為輕金屬材料的新寵,是近年來研究的熱點。鎂合金的密度比鋁合金還要輕33%,比鋼材輕77%,是工業金屬結構材料中最輕的材料。采用鎂合金可以在鋁合金實現的輕量化基礎上再進一步減輕15%-20%。鎂合金的比強度和比剛度遠遠高于鋁和鋼,而且鎂合金的隨著厚度的增加而成比例增加。鎂合金具有良好的阻尼減振性能,對于汽車振動的噪聲能極大地降低并吸收沖擊能量更強。同時鎂合金還具有良好的散熱性、抗電磁干擾性以及優異的鑄造性能和加工性能,其回收再生利用性能也與鋁合金不相上下。

  目前鎂合金發展最快的北美,在三大汽車公司的某些車型上已經實現了單車使用20-40千克鎂合金的水平。而歐洲和日本也在加快鎂合金在汽車零件上的應用。據統計,到目前為止汽車上已經實現了60多種零部件應用鎂合金制造,其中傳動系統包括齒輪箱外殼、離合器外殼、變速器外殼等,發動機系統包括氣缸蓋、氣缸體、發動機殼體等,車體系統包括儀表板、座椅骨架、車門內襯、面板、車身骨架等,底盤系統包括轉向架、方向盤、輪轂輪圈、剎車離合踏板托架等。成功應用鎂合金零部件的車型有福特Ranger、雪佛蘭Corvette、Jeep 1993、保時捷911等。

  迄今為止,鎂合金的整車用量依然未超過1%的水平。幾個關鍵的技術限制尚未突破是阻礙鎂合金大規模工業應用的主要障礙。首先,鎂及鎂合金從微觀結構上是密排六方結構,因而其室溫成形性較差,必須要在高溫下進行變形;其次,鎂合金成品的韌性較差,這限制了鎂合金的應用范圍;最后,高昂的價格和有限的合金牌號也亟待從業者進一步改善。

  碳纖維復合材料

  碳纖維復合材料作為性能先進的新材料,最早在航空、航天及軍工等高精尖科技行業開始應用。碳纖維復合材料獲得汽車行業輕量化的青睞,來源于是由于其突出的物理特性:碳纖維復合材料密度小,比鋁輕30%,比鋼輕50%,抗拉強度卻是鋼的7-9倍。碳纖維替代鋼鐵結構可實現減重40%-60%。同時,碳纖維復合材料還易于集成化,可減少零部件數量。吸收沖擊性能是金屬的5倍,可提高碰撞安全性和減振性能。其特殊的模壓和粘結工藝則可代替沖壓和焊接工序。

  寶馬公司在汽車行業內是應用碳纖維復合材料的先行者,也是碳纖維零部件商業化普及的成功者。2014年量產上市的i3和i8系列純電動車成功地應用了碳纖維復合材料、高強鋼和鋁合金完美組合的車身結構,而其中主要由碳纖維復合材料制成的車廂主體life模塊則被稱為“Carbon Core高強度碳纖維內核”。此外,寶馬還在車身、底盤、車頂、車門、A柱、B柱、C柱、引擎蓋、尾翼、儀表盤、傳動軸、座椅等多個外部、車身和內外飾系統中開發碳纖維復合材料部件。

  盡管業界看好碳纖維復合材料在汽車輕量化中的發展前景,但是碳纖維的發展依然存在亟待解決的瓶頸。用于碳纖維復合材料制造的碳纖維原絲和中間體材料的成本居高不下,由于碳纖維革命性的制造方法而造成汽車行業及其產業鏈缺乏自動化批量生產的技術與裝備,同時,碳纖維材料的回收循環利用技術缺乏也是碳纖維復合材料全面應用的重要障礙。

  高強鋼

  作為汽車上傳統占有統治地位的材料,鋼鐵材料在汽車輕量化的趨勢中感受到了各類輕量化材料的巨大沖擊和挑戰。為了應對汽車輕量化的趨勢,國際鋼鐵企業聯合投入了大量資金,開展了超輕質鋼鐵車身(ULSAB),超輕質鋼鐵覆蓋件(ULSAC)和超輕質鋼鐵車身-先進汽車概念(ULSAB-AVC)等多個項目,從整體上研究開發新型高強鋼和超高強鋼材料的汽車。

  鋼鐵材料強度提升而減薄鋼板厚度分別為0.05mm、0.10mm和0.15mm時,車身減重可達6%、12%和18%。汽車高強鋼研究從第一代的HSLA、雙相鋼、TRIP鋼等,到第二代的TWIP鋼等,再到目前各國致力于研究的強度和塑性協調的低成本第三代高強鋼。

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