金屬與非金屬材料對汽車輕量化的影響

1、金屬與非金屬材料對汽車輕量化的影響1 汽車輕量化1.1 汽車輕量化的必要性2007年，我國汽車銷量達到了 880萬輛，汽車消費規(guī)模居世界第二。我國汽 車產(chǎn)量和保有量的持續(xù)高速增長為汽車及相關(guān)行業(yè)的進步帶來巨大機遇的同時， 汽車工業(yè)也面臨著一個巨大的挑戰(zhàn)。 汽車及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展對社會能源供給、 環(huán) 境保護等方面的影響日益明顯，因此要承受的節(jié)能減排的壓力也日趨增大。有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，若汽車整備質(zhì)量降低10%，燃油消耗可減少6%8%。 由此可見， 伴隨輕量化而來的突出優(yōu)點就是油耗的顯著降低。 尤其汽車車身約占 汽車總質(zhì)量的 30%，對空載而言，約 70%的油耗是用在車身質(zhì)量上的，因此車身 的輕質(zhì)化對

2、減輕汽車自重， 提高整車燃料經(jīng)濟性至關(guān)重要。 同時，輕量化還將帶 來車輛操控穩(wěn)定性和沖撞安全性的提升 :因為車輛行駛時的顛簸會因底盤重量減 輕而減輕， 整個車身會更加穩(wěn)定； 輕量化材料對沖撞能量的吸收， 又可以有效提 高沖撞安全性。因此汽車輕量化已成為汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)中的一項關(guān)鍵性研究課題。汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是 :采用現(xiàn)代設(shè)計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu) 化設(shè)計，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下， 盡可能降低汽車產(chǎn)品 自身重量，以達到減重，降耗，環(huán)保，安全的綜合指標。然而，汽車輕量化絕非 是簡單地將其小型化而已。 首先應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響， 既要有目標地 減輕汽車自身的重量，

3、又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性， 同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟上的壓力。1.2 實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑1.2.1 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計目前國內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速， 主要的輕量化措施是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè) 計和分析， 設(shè)計已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計的前期。 輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用， 包括 鋁、鎂、高強度鋼、復(fù)合材料、塑料等，并在前期與結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相應(yīng)的裝配、 制造、防腐、連接等工藝的研究應(yīng)用融為一體。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，利用 CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)起著非常重要的作用， 涵蓋了汽車設(shè)計和制造的各個環(huán)節(jié)。運用這些技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計、 制造。輕量化的手段之

4、一就是對汽車總體結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化， 實現(xiàn)對汽車零部 件的精簡、整體化和輕質(zhì)化。利用 CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)，可以準確實現(xiàn)車 身實體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計，對各構(gòu)件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析， 并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車的相關(guān)數(shù)據(jù)進行工程分析和剛 度、強度計算。 對于采用輕質(zhì)材料的零部件， 還可以進行布局進一步分析和運動 干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設(shè)計的各項要求。此外利用 CAD/CAE/CAM 技術(shù)可以用仿真模擬代替實車進行試驗， 對輕量化設(shè)計的車身進 行振動、疲勞和碰撞分析。通過開發(fā)汽車車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部 件整體加工技術(shù)和相關(guān)的模塊

5、化設(shè)計和制造技術(shù)， 使節(jié)能型汽車從制造到使用的 各個環(huán)節(jié)都真正實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保。通過結(jié)合參數(shù)反演技術(shù)，多目標全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設(shè)計方法，研究汽車輕 量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)， 包括多種輕量化材料的匹配、 零部件的優(yōu)化分塊等。 從 結(jié)構(gòu)上減少零部件數(shù)量，確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目 的。具體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計有以下 3個方面 :1）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減小車身骨架，車身鋼板的質(zhì)量，優(yōu)化對車身強度和 剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提要求下減輕自重。2）通過結(jié)構(gòu)的小型化，促進汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使 用性能不變的情況下，縮小尺寸。3）采取運動結(jié)構(gòu)方式的變化來達到目的。比如

6、采用轎車發(fā)動機前置，前輪驅(qū) 動和超輕懸架結(jié)構(gòu)等。使結(jié)構(gòu)更緊湊，或采取發(fā)動機后置，后輪驅(qū)動的方式，達 到使整車局部變小，實現(xiàn)輕量化的目標。1.2.2 使用新型材料據(jù)統(tǒng)計，汽車車身、底盤 （含懸掛系統(tǒng) ）、發(fā)動機三大件約占一輛轎車總重量 的65%以上。其中車身外、內(nèi)覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車車身重量對 降低發(fā)動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。 為此，首先應(yīng)該在白車身 制造材料方面尋找突破口。具體說來可以有如下幾種方案 :1）使用密度小、強度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂輕合金、塑料聚合物材料、陶瓷 材料等；2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；3）使用基于新材料加

7、工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金 屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。2高強度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用有資料表明，使用高強度鋼板，原厚度為1.0-1.2mm的車身板可減薄至0.7 0.8mm,車身質(zhì)量減小15%20%，節(jié)油8%15%，為此，世界各國大力開發(fā)各 種高強度鋼板，主要包括雙相鋼（DP鋼）板以及目前最先進的相變誘發(fā)塑性鋼 （TRIP）板等等。與常用的低合金高強度鋼相比， 在相同強度級別下，DP鋼具有低的屈強比、 較高的伸長率 （均勻伸長率和斷裂伸長率） 以及很高的加工硬化率。 其高的伸長 率是由于在軟的純鐵素體基體內(nèi)分散細小的硬馬氏體或貝氏體顆粒所致。DP鋼在維持高強度的條件

8、下， 其伸長率比一般微合金鋼和烘烤硬化鋼或含磷鋼好， 因此雙相鋼具有良好的成型加工性能， 避免了常用的普通低碳鋼成型過程中存 在的形狀穩(wěn)定性彈性后效低的缺陷， 非常適合制造汽車零部件， 如車身覆蓋件 以及底盤結(jié)構(gòu)件等。高強度低合金系列中的TRIP鋼是一種新型汽車結(jié)構(gòu)用鋼，它利用組織中存在的殘余奧氏體在應(yīng)力應(yīng)變作用下向馬氏體轉(zhuǎn)變而誘發(fā)相變塑性， 同時又達到 強化目的，具有優(yōu)異的可成型性和高強度。因此 TRIP鋼具有良好的塑性，能沖 制出形狀復(fù)雜的零件。與其他沖壓用鋼板相比， TRIP鋼有良好的加工硬化和烘 烤硬化性能， 采用它制造車身零件可以提高疲勞性能和抗撞性能， 并且可以減少 鋼板的厚度從而

9、減輕汽車的質(zhì)量， 對節(jié)約能源、 減少排放和提高安全性有顯著效 果。3輕質(zhì)材料在汽車輕量化中的應(yīng)用3.1 輕質(zhì)金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用3.1.1 鋁合金在汽車上的應(yīng)用及特點3.1.1.1 鋁合金的特點鋁是人們最熟悉的金屬之一，在純鋁中加入 Cu、Mg、Zn、Si、Mn、稀土等 合金元素配制成各種鋁合金， 再用強化措施來提高其強度、 硬度、疲勞性能等材 料綜合性能，以滿足工程應(yīng)用的需要。與鋼鐵相比，鋁合金具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性 好、耐腐蝕性好、 易于加工等特點。 而且鋁材幾乎可以全部回收， 重新加工使用，有利于環(huán)境保護；有些鋁合金材料的物理性能已與車用鋼材相似，具有相當?shù)膹姸群蛣偠?。鋁合金零部件的

10、應(yīng)用，可以大大減輕整車質(zhì)量，根據(jù)美國鋁學(xué)會的報 告，汽車上每使用0.45kg鋁就可減輕車重lkg，理論上鋁制汽車可以比鋼制汽車減 重40%左右。因為鋁合金具有以上優(yōu)點，所以鋁合金成為近二十年來在國內(nèi)外汽 車上使用最多的輕量化材料。在歐美產(chǎn)轎車中，平均使用鋁材量達到了200kg左右，鋁化率約為20%。國內(nèi)轎車工業(yè)用鋁也呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，據(jù)中國汽車工業(yè) 協(xié)會統(tǒng)計預(yù)測，1993年國內(nèi)轎車工業(yè)用鋁量僅為4萬噸，2003年為28萬噸，2005 年，上升到34.6萬噸。預(yù)計到2010年，我國轎車工業(yè)用鋁將達到99.6萬噸。 鋁合金在汽車上的應(yīng)用用于汽車上的鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽

11、車上的使用量最多，主要應(yīng)用于發(fā)動機和底盤部件（見表1）,變形鋁合金包括鍛造鋁 合金和鋁合金板材等，主要應(yīng)用于車身和熱交換系統(tǒng)部件（見表2）。2000年鑄造鋁合金的質(zhì)量占整車質(zhì)量的4%, 2006年這一比例已上升到了 8%;鍛造鋁合金的 這一比例由原來的2%上升至6%,而鋁合金板材由1.7%上升到了 4%。表1汽車用鑄造合金的主要部件系統(tǒng)部件系統(tǒng)零件名稱發(fā)動機系統(tǒng)發(fā)動機缸體、缸蓋、活塞、進氣管、水泵殼、發(fā)電 機殼、起動機殼、搖臂、搖臂蓋、濾清器底座、發(fā) 動機托架、正時鏈輪蓋、發(fā)動機支架、分電器座等底盤傳動系統(tǒng)變速箱殼、離合器殼、連接過渡板、換檔撥叉等底盤行駛和控制系統(tǒng)橫梁、上臂、下臂、轉(zhuǎn)向器殼、

12、制動分泵殼、制動 鉗、車輪、操縱叉等其他系統(tǒng)部件離合器踏板、制動踏板、方向盤、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動機 框架、ABS系統(tǒng)部件表2 汽車用變形鋁合金的主要部件系統(tǒng)部件系統(tǒng)零件名稱車身系統(tǒng)部件發(fā)動機罩、車頂蓬、車門、翼子板、行李箱蓋、地板、車身骨架及覆蓋件等熱交換器系統(tǒng)部件發(fā)動機散熱器、機油散熱器、空調(diào)冷凝器和蒸發(fā)器等其他系統(tǒng)部件沖壓車輪、座椅、保險杠、車廂底板及裝飾件等1）發(fā)動機一般情況下，發(fā)動機約占整車重的18%，發(fā)動機的輕量化是整車輕量化的重 要組成部分。鋁合金作為制造汽車發(fā)動機的結(jié)構(gòu)材料有兩個突出的優(yōu)點：一是質(zhì)量輕，采用鑄鋁合金來代替鑄鐵生產(chǎn)氣缸體，6缸汽油發(fā)動機缸體可以減輕質(zhì)量66.588kg（見

13、表3），較大幅度地減輕了汽車自身質(zhì)量；二是它的導(dǎo)熱性比鑄鐵好。 使用鋁制氣缸蓋和氣缸體可以改善發(fā)動機的工作狀態(tài)，提高其熱效率，從而改善和提高發(fā)動機的功率。表3鋁鑄件代替鑄鐵件的質(zhì)量對比表零件名稱鑄鐵件質(zhì)量kg鋁鑄件質(zhì)量kg質(zhì)量比發(fā)動機缸體80 12013. 5 323. 8 4. 4 :1發(fā)動機缸蓋18 276. 8 11.42. 4 2. 7 :1進氣歧管3. 5 18. 01.8 9. 02 :1轉(zhuǎn)向機殼3. 6 4. 51.4 1.82. 5 2. 6 :1傳動箱殼13. 5 23. 05. 0 8. 22. 7 2. 8 :1制動轂5. 5 9. 01.8 3. 62. 5 3. 1

14、:1水泵殼1.8 5. 80. 7 2. 32. 4 2. 6 :1油泵殼1.4 2. 30. 5 0. 92. 6 2. 8 :1發(fā)動機氣缸蓋、活塞、連桿、搖臂等零部件早已跟隨汽車工業(yè)的發(fā)展需要 用鋁合金材料替代了黑色金屬材料?，F(xiàn)代汽車發(fā)動機活塞幾乎都用鋁合金制造， 材料以共晶鋁硅合金為主，采用重力鑄造、液態(tài)模鍛、鍛造等方法制造成型。國 外常用于發(fā)動機氣缸蓋的鋁合金為 ASM319（美）而中國為ZL101合金，其鑄造方法 為金屬型重力鑄造和低壓鑄造工藝。 英國陸虎的高精度鋁缸蓋鑄件， 其質(zhì)量僅是 鑄鐵缸蓋的 6%，切削量減少 20%。目前，轎車發(fā)動機部件中不僅活塞、散熱器、 氣缸蓋等部件采用

15、鋁合金材料， 而且缸體、 油底殼甚至氣缸套和連桿也開始采用 鋁合金材料。 日本、德國等國外的一些汽車公司根據(jù)汽車輕量化發(fā)展的需要， 已 開發(fā)或使用了全鋁發(fā)動機，比如日產(chǎn)的 VQ發(fā)動機，寶馬的M52直列六缸發(fā)動機， 奔馳的V6和V8發(fā)動機、奧迪A8的V8發(fā)動機等。2）車身汽車車身的重量約為汽車總質(zhì)量的 30%。所以汽車車身的輕量化對于減輕汽 車自重具有非常重要的意義。在汽車車身上主要使用的是變形鋁合金（見表2）。上世紀 80年代，鋁合金板材開始用于車身發(fā)動機罩、翼子板、頂蓋。隨著沖壓和 成形技術(shù)的發(fā)展，鋁合金板材逐漸被應(yīng)用于車門、行李箱蓋、車廂底板、車身框 架、保險杠等更多的車身部件。德國大眾公

16、司于1999年推出新型奧迪A2轎車，該車榮獲 2000年歐洲鋁業(yè)協(xié)會獎， 是世界上第一款大批生產(chǎn)的全鋁車身轎車， 車 身采用全鋁空間框架車身ASF，整車鋁外殼，從前頂柱到行李艙邊，包括車門手 把都是用鋁合金沖壓成型。 該車采用鋁材使整車質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼制車身減輕 40%以 上，僅有895kg，空氣阻力系數(shù)僅為0.25，平均油耗降至每百公里3升。2002年推 出的全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù) 量從50個減至29個，車身框架完全閉合。 這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了 60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少 50%。就鋁合金板材的應(yīng)用發(fā)展趨勢看， 強度高、成形加

17、工性好、 表面質(zhì)量優(yōu)良的鋁合金板材將取代鋼板成為汽車車身的 主要材料。3）底盤鋁合金在汽車底盤上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車輪和懸掛系統(tǒng)零件上。 車輪是車輛 承載的重要安全部件，對其安全性要求很高。鋁合金輪轂較鋼制輪轂平均輕 2kg 左右，其溫度比鋼制輪圈平均低25%，當車速為60km/h時可省油5%-7%。鋁合金 輪轂在汽車上得到廣泛采用，正逐步代替長期占主導(dǎo)地位的鋼制車輪。 1999年， 北美轎車和輕型卡車輪轂鋁化率達 53%，預(yù)計2010年北美汽車鋁合金輪轂的市場 占有率將上升到 70%以上。 2002年至今，由于我國汽車制造業(yè)快速發(fā)展，汽車鋁 輪行業(yè)出現(xiàn)了強勁增長勢頭。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會車輪委員

18、會公布的數(shù)據(jù)顯示， 2003年我國生產(chǎn)汽車鋁合金車輪 2300萬件，出口 1200萬件；2005年生產(chǎn)汽車鋁合 金車輪 4500萬件，出口 2300萬件。懸掛系統(tǒng)中的汽車下擺臂、上擺臂、橫梁、轉(zhuǎn) 向節(jié)類零件均可用鋁材制造， 可以顯著減輕非懸掛重量， 從而改善汽車的行駛穩(wěn) 定性、乘坐舒適性和安全性等。寶馬5系轎車和奔馳S級轎車采用全鋁懸架支架， 使懸掛質(zhì)量減輕了 15%。3.1.2 鎂合金在汽車上的應(yīng)用及特點3.1.2.1 鎂合金的特點鎂的比重約為1.7g/cm3,是目前在工程應(yīng)用領(lǐng)域中最輕的金屬，鎂合金也是 目前工業(yè)上可用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。它可在鋁合金零件減重效果的基礎(chǔ)上， 再減重15%2

19、0%,對于汽車減重是非常理想的金屬材料。與其他普通的金屬結(jié) 構(gòu)材料和工程塑料相比，鎂合金具有質(zhì)量密度小、比強度和比剛度高、熔點低、 鑄造性和阻尼減震性好、 熱導(dǎo)率高、 尺寸穩(wěn)定性高、 電磁屏蔽性能好以及回收利 用率高等優(yōu)點。另外，鎂在自然界中具有豐富的蘊藏量，是地球上排位第 8的富 有元素，其含量約占地殼質(zhì)量的 2.8%，它也是海水中的第 3富有元素，約占海水 質(zhì)量的 0.13%，是取之不盡的資源。充裕的鎂資源為推進鎂合金在汽車上的應(yīng)用 和普及提供了良好的平臺。3.1.2.2 鎂合金在汽車上的應(yīng)用從上世紀 90年代開始，歐美、日本的汽車公司都逐漸開始把鎂合金用于許多 汽車零件上。 到目前為止，

20、 汽車上共有 60多個零部件采用鎂合金。 按使用部位性 質(zhì)的不同， 分為殼類和架類兩類零件。 殼類零件采用高塑性的鎂合金不僅可減輕 質(zhì)量，且由于鎂合金的阻尼衰減能力強， 還可提高汽車抗振動及耐碰撞性能， 降 低汽車運行時的噪音；主要包括氣缸蓋、離合器殼、變速器殼、濾油器殼、空氣 濾清器殼、分動器殼、增壓器殼、燈罩等。架類零件包括方向盤、儀表盤、風(fēng)扇 架、擋泥板架、踏板托架、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架、燈托架、座椅架、車身支架、 車門框架、輪轂等。其中儀表盤基座、座位框架、方向盤軸、發(fā)動機閥蓋、變速 箱殼、進氣歧管、汽車車身等 7個部件鎂合金的使用率最高。鎂合金壓鑄件在國 外的汽車產(chǎn)品上應(yīng)用量增長最快， 鎂合金已成為僅次于鋁合金鑄件的重要的汽車 產(chǎn)品材料。目前，歐美轎車上鎂合金平均用量大約為 40kg/輛。我國經(jīng)過“十五” 鎂合金重大專項攻關(guān)，在一些車型上已采用鎂合金變速箱殼體、方向盤骨架等。 長安微車上單車使用鎂合金已達到9kg，是目前鎂合金用量最大的微車。預(yù)計到 2010年，重慶長安生產(chǎn)的每輛小汽車，都將用上 20kg左右的鎂合金材料。目前， 應(yīng)用鎂合金的主要障礙是鎂合金的價格高， 防腐處理以及六方結(jié)構(gòu)鎂合金變形能 力較差等問題，隨著鎂合金材料應(yīng)用的擴大，這些問題將會逐步解決。鈦合金在汽車上的應(yīng)用鈦是上世紀 50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬。鈦合