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1 引言:為什么要推行輕量化
1.1 基于環(huán)保的考慮。 世界各國均在推行強制汽車制造商降低汽車油耗的政策。有研究數(shù)據(jù)顯示,汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;汽車整車重量,每減少100kg,百公里油耗可降低0.3-0.6升,CO2排放量可減少約5g/km。由此可見,汽車輕量化可以提高燃油效率和降低油耗,進而環(huán)保節(jié)能。所以,汽車輕量化已成為汽車企業(yè)的共識。
1.2 倒閉汽車制造技術(shù)的升級換代 如果不能保證行駛安全,汽車再輕再省油,沒有誰敢開。如果追求安全和耐撞,那就只能開重達數(shù)十噸的坦克,忍受每小時數(shù)百升的耗油量。因此輕量化是汽車制造的趨勢,目前輕量化主要是減少汽車自重,但是,車身作為汽車的主要承載件,需要保證足夠的剛度、強度和疲勞耐久性能,從而使整車具有良好的安全、振動噪音和耐久性能,而輕量化無疑對上述要素提出了更高的要求,這對倒閉汽車制造技術(shù)升級換代無疑是一大刺激。
2 實現(xiàn)汽車輕量化的基本原理:
2.1 保證足夠的剛度 剛度指的是材料抵抗外力變形的能力,通常在車身開發(fā)中特指材料在屈服前的彈性特性,良好的剛度是整車NVH性能、車輛動力性能和疲勞耐久性能的基礎(chǔ),常見的評判指標有車身扭轉(zhuǎn)剛度等。剛度與材料的彈性模量相關(guān),基本上材料種類確定,彈性模量也就確定了,比如采用高強鋼并不會提升車身的剛性,因為鋼的彈性模量都一樣。
2.2 保證足夠的強度。 強度是指零件受到?jīng)_擊載荷發(fā)生屈服后仍能維持功能的能力,常用于車身碰撞安全性、耐沖擊等性能的評估。強度與材料的屈服強度和斷裂強度相關(guān),為了提升車子的安全性能,現(xiàn)代車身設(shè)計大量采用高強度鋼材就是這個原因。
2.3 保持良好的疲勞耐久性能。 疲勞耐久性能是指零件受長期交變載荷后維持功能的能力,車子的可靠性、耐用性就是基于此進行評估的。疲勞耐久特性與材料的疲勞曲線相關(guān),當然,在車子上更重要的是焊點或其他連接方式的疲勞性能。
3 實現(xiàn)汽車輕量化的途徑有:
3.1 優(yōu)化車聲結(jié)構(gòu),提高材料利用率。
比如車身下部由非連續(xù)性改為連續(xù)性,使得汽車在碰撞時有效分散撞擊能量;增加加強筋;加強防滾架平衡桿;有限元法設(shè)計;采用承載式車身,減薄車身板料厚度等。
3.2 新材料的研發(fā)與應(yīng)用:
比如使用高強度鋼材(熱成型鋼材)、輕合金(鋁合金、碳纖維、鎂合金)、記憶金屬(微晶鋼)、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。
3.3 優(yōu)化制造工藝:
比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。
再比如結(jié)構(gòu)膠,過去烘烤硬化結(jié)構(gòu)膠只在車身上有少量應(yīng)用,但是現(xiàn)在的趨勢是可以通過采用更多的結(jié)構(gòu)膠提升車身剛度性能,從而降低結(jié)構(gòu)件的重量,奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結(jié)構(gòu)膠;再比如填充在車身接頭的發(fā)泡硬化材料,可以有效替代傳統(tǒng)加強板形式的加強件,即提升性能,又降低重量。
4 常見輕量化材料的優(yōu)缺點:
4.1 鋁合金
優(yōu)點:質(zhì)量輕、耐磨、耐腐蝕、彈性好、抗沖擊性能優(yōu)、加工成型好和100%可回收等特點,逐漸成為汽車企業(yè)鐘愛的材料。
缺點:鋁合金的抗承載能力較鋼有很大的差距,所以即使是市面上全鋁車身的汽車,其底盤一般仍然采用鋼鐵材料。而且,鋁合金的制備工藝復(fù)雜,成本相對較高。
4.2 碳纖維。
優(yōu)先:強度高。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。減震能力強,CFRP比模量大,自振頻率高,不易出現(xiàn)共振。非均質(zhì)多相體系,在纖維與基體之間存在大量界面,由于界面對震動有反射和吸收的作用,所以CFRP震動阻尼強,能使震動很快衰減。耐疲勞性強,一般金屬材料的疲勞破壞是沒有明顯征兆的突發(fā)性破壞,而CFRP具有良好的耐疲勞性,而且破壞前有明顯的征兆。
缺點:碳纖維是脆性材料,受力過大直接斷裂,因此損壞后基本無法修復(fù)。
4.3 工程塑料
優(yōu)點:具有質(zhì)輕、防銹、吸震、可設(shè)計自由大等特點,工程塑料在汽車零部件,特別是內(nèi)飾部件的應(yīng)用越來越大。工程塑料在汽車上的用量,甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應(yīng)用于車身上,比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架,有些車子有塑料的后地板等等。
缺點:滿滿的塑料感,檔次低。
江蘇優(yōu)培德復(fù)合材料有限公司致力于碳纖維等復(fù)合材料汽車及工業(yè)領(lǐng)域的高性能零件開發(fā)、試制、及生產(chǎn),配備有復(fù)合材料不同生產(chǎn)工藝如模壓、RTM、真空導(dǎo)入、纏繞等,根據(jù)不同的產(chǎn)品需求及量綱要求提供整體解決方案。