汽車用新材料的研究發(fā)展?fàn)顩r

1、汽車用新材料的研究發(fā)展?fàn)顩r1國內(nèi)外汽車用新材料發(fā)展?fàn)顩r1.1 國外汽車用新材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)當(dāng)前世界汽車材料技術(shù)發(fā)展的主要特征如下:(1)輕量化與環(huán)保是當(dāng)今汽車材料發(fā)展的主要方向；(2)盡管近階段鋼鐵材料仍保持主導(dǎo)地位, 但各種材料在汽車上的應(yīng)用比例正在發(fā)生變化。主要變化趨勢(shì)是高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料的用量將有較大的增長(zhǎng), 鑄鐵和中、低強(qiáng)度鋼的比例將會(huì)逐步下降,但載重車的用材變化不如轎車明顯；(3)輕量化材料技術(shù)與汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝的結(jié)合將更為密切, 汽車車身結(jié)構(gòu)材料將趨向多材料設(shè)計(jì)方向；(4)更重視汽車材料的回收技術(shù)；(5)電動(dòng)汽車、代用燃料汽車專用材料以及

2、汽車功能材料的開發(fā)和應(yīng)用工作不斷加強(qiáng)。減輕汽車自身質(zhì)量是降低汽車排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性的最有效措施之一。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出, 汽車的自身質(zhì)量每減少10%, 燃油的消耗可降低6 8%, 根據(jù)最新資料,國外汽車自身質(zhì)量同過去相比減輕了20 26%。預(yù)計(jì)在未來的10年內(nèi), 轎車自身質(zhì)量還將繼續(xù)減輕20%。鋁合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料和高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼等輕量化材料的開發(fā)與應(yīng)用在汽車的輕量化中將發(fā)揮重大作用。可以看出, 盡管鋼鐵材料在當(dāng)前仍然占主導(dǎo)地位, 但其份額卻在逐年減少, 而鋁合金、鎂合金、塑料等輕量化材料的用量則呈持續(xù)上升的趨勢(shì)。在最近投產(chǎn)的某些新車型中, 鋼鐵材料的比例更低, 例如

3、在奧迪A2中, 鋼材的比例僅為34%, 輕質(zhì)材料則高達(dá)52%。國外開發(fā)的全鋁車身已經(jīng)在AUDI A8、BMW Z8、FERRARI360等很多車型上使用, 甚至全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)、輪轂都已經(jīng)開始實(shí)際應(yīng)用。雖然聯(lián)邦政府和歐共體有多種與材料有關(guān)的研究項(xiàng)目, 但整體上主要還是體現(xiàn)在墓礎(chǔ)研究方而。從汽車行業(yè)的應(yīng)用性研究來講, 主要依靠企業(yè)的自身力量, 這與美國汽車行業(yè)的情況很不相同, 后者可從國家得到各種資助。不僅如此, 德國政府在支持、促進(jìn)和推廣新材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用以及采用新材料的汽車的生產(chǎn)、銷信等方而也沒有任何鼓勵(lì)的政策與措施。雖然從長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略上說, 汽車采用新材料具有多種重要意義, 但就口前的實(shí)際而言,

4、 首要目的是減輕重量、提高效率、降低能耗、減少環(huán)境污染。從根木上來講, 汽車減輕屯量很有好處,既可增加使用面積, 又可節(jié)省燃料消耗, 減少環(huán)境污染。汽車能耗的70%與汽車重量有關(guān), 如中型轎車的自重每減少100公斤, 每百公里的燃料消耗就可減少0.4公升。此外, 自重減輕對(duì)加速和彈性等行駛效率也有積極影響, 同時(shí)可使轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)部件的噪音明顯降低。試驗(yàn)證明,假如負(fù)荷是單軸的或者在結(jié)構(gòu)上可以沿纖維方向伸展的話, 纖維強(qiáng)化的材料明顯比金屬優(yōu)越。近年來, 雖然日本汽車工業(yè)由于各種原因而陷于持續(xù)的不景氣狀況之中, 但各汽車廠商從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā), 仍繼續(xù)著各種汽車用新材料及其相關(guān)伎術(shù)的研究開發(fā), 并取得品些

5、進(jìn)展?？偟膩砜? 這一領(lǐng)域研究開發(fā)的重點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面。一是大力開發(fā)各類“ 低公害車”所需材料； 二是繼續(xù)發(fā)展汽車以鋁、塑等代鋼技術(shù)； 三是提高汽車用材料再生利用率。一、“ 低公害車” 所需材料的發(fā)展?fàn)顩r隨著全球環(huán)保呼聲日益高漲, 電動(dòng)汽車、甲醇汽車、天然氣汽車等不以汽油為動(dòng)力源的所謂“ 低公害車” 展現(xiàn)出誘人的發(fā)展前景。但是, 目前這類汽車離實(shí)用化都還相距甚遠(yuǎn)。其有待解決的主要問題之一就是所需的各種材料技術(shù)尚未過關(guān)。在被認(rèn)為是最理想的“ 低公害車” 的電動(dòng)汽車的研究中, 目前面臨的主要課題仍然是車體的輕量化和蓄電池的高性能化, 而這都與材料技術(shù)密切相關(guān)。在東京電力公司和日產(chǎn)汽車公司分別開

6、發(fā)的高性能電動(dòng)汽車的概念車 IZA和FEV,為了減輕車休重量, 外板均采用了碳纖維強(qiáng)化塑料,底盤均采用了各種招合金材料。然而, 這兩種概念車的開發(fā)者一致認(rèn)為, 對(duì)批量生產(chǎn)而言, 采用昂貴的CFRP材料是不現(xiàn)實(shí)的。出路在于能多大程度地采用鋁合金材料。比車體輕量化更為重要、也更為復(fù)雜的問題是蓄電池的高性能化。在IZA和FEV中采用的是鎳鎘電池,它是已能實(shí)用的各種蓄電池中能量密度高的。但因鎘資源很少, 故對(duì)大批量生產(chǎn)電動(dòng)汽車并不合適。據(jù)日本通產(chǎn)省估計(jì),全球鎘儲(chǔ)藏量?jī)H約97萬噸, 只能供制造1000萬輛電動(dòng)汽車使用。二、鋁、塑代鋼技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r從80年代起, 主要為了減輕汽車重量以降低耗油量、節(jié)約能源、

7、保護(hù)環(huán)境, 在汽車制造中以鋁、塑代鋼技術(shù)開始發(fā)展起來, 但至今仍未出現(xiàn)成熱的批量生產(chǎn)車型。其重要原因是以鋁、塑代鋼并不僅僅意味著材料的替換, 還意味著汽車的設(shè)計(jì)、加工、裝配各個(gè)環(huán)節(jié)都必須進(jìn)行大幅度的更動(dòng), 因而風(fēng)險(xiǎn)很大。目前, 除馬自達(dá)公司外, 日本各大汽車廠商都還只在少量零部件或特殊車種（如運(yùn)動(dòng)車） 試制中應(yīng)用鋁、塑代鋼佼術(shù)。三、汽車用材料再生利用發(fā)展?fàn)顩r為了節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境, 日本于1992年10月開始實(shí)施“ 關(guān)于促進(jìn)再生資源利用的法律” 。汽車是該法律適用對(duì)象之一, 要求制造商在設(shè)計(jì)階段就對(duì)再生利用作出評(píng)價(jià), 并從材料、結(jié)構(gòu)、拆分等各方面進(jìn)行積極研究。該法實(shí)施以來, 日本有關(guān)汽車用材料

8、再生利用的研究進(jìn)一步受到重視, 取得了一些新進(jìn)展。豐田、日產(chǎn)、本田等公司均已開始通過各自的銷售網(wǎng)來系統(tǒng)地回收在維修中換下的保險(xiǎn)杠, 經(jīng)洗凈、粉碎后, 加工成貨物周轉(zhuǎn)箱（豐田）、通風(fēng)管迸（日產(chǎn)）、換氣口（本田）等等重新加以利用。為了進(jìn)一步提高由高級(jí)聚丙烯材料制成的保險(xiǎn)杠的再生利用率, 各汽車公司正在加緊研究能完全消除舊保險(xiǎn)杠表面油漆的影響, 從而用舊材料制造新保險(xiǎn)杠的有關(guān)技術(shù), 升已取得階段性成果。如日產(chǎn)公司的“有機(jī)鹽系溶劑分解、剝離法” 、富士重工業(yè)公司的“ 微粉碎法” 、豐田公司的“加壓水分解法” 等, 在不遠(yuǎn)的將來, 即可望獲得實(shí)際應(yīng)用。汽車車身、底盤(含懸掛系統(tǒng))、發(fā)動(dòng)機(jī)三大件約占一輛轎

9、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(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng), 是汽車輕量化的重要途徑。車身輕量化的研究是現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)的一大主流。當(dāng)前, 節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、智能和網(wǎng)絡(luò)是汽車技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì),尤其是節(jié)能和環(huán)保更是關(guān)系人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題。汽車油耗與車重關(guān)系密切, 汽車行駛過程中受到空氣阻力、輪胎阻力、加速阻力和爬坡阻力等, 其中后面三項(xiàng)均與車身本身的重量成正比, 這直接影響轎車的油耗, 因此, 降低燃油消耗、減少向大氣排出CO2 和有害氣體及顆粒已成為汽車界主要的研究課題。減小汽車自身質(zhì)量是汽車降低燃油消耗及減少排放的最

10、有效措施之一。尤其是當(dāng)前全球能源缺少的危機(jī)之下, 輕量化技術(shù)對(duì)于未來轎車發(fā)展有著巨大的意義。實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)車身, 最主要就是大量應(yīng)用使車身輕量化的材料, 同時(shí)進(jìn)行車身輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。目前, 車身輕量化的主要途徑有2條: 效果比較明顯的是用輕型材料(如鎂、鋁、塑料盒復(fù)合材料等)替代車身骨架及內(nèi)、外壁板原有的鋼材, 目前已制造出部分產(chǎn)品; 另一種有效的方法是通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化, 其代表性成果為ULSAB(U ltra L ight Steel Auto Body)項(xiàng)目112?，F(xiàn)代汽車車身除滿足強(qiáng)度和使用壽命的要求外, 還應(yīng)該滿足基本性能、外觀、安全、價(jià)格、環(huán)保、節(jié)能等方面的需要。在九十年代以

11、前, 以轎車為例, 其整車質(zhì)量中, 鋼鐵占有80%, 鋁占3%, 樹脂占4%。由于能源價(jià)格不斷上升, 作為輕量化材料的高強(qiáng)度鋼板、表面處理鋼板用量逐年上升, 有色金屬材料的用量也在不斷增加, 其中, 鋁合金材料的應(yīng)用明顯增加, 非金屬材料也逐步增加。本文主要就車身輕量化材料的發(fā)展做研究。1.2 國內(nèi)汽車用材料發(fā)展?fàn)顩r分析我國汽車材料是伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。尤其是在/ 七五0至/ 九五0期間, 我國通過合資的方式引進(jìn)了國外先進(jìn)的汽車產(chǎn)品技術(shù), 縮短了與發(fā)達(dá)國家之間的差距。在引進(jìn)技術(shù)的帶動(dòng)下, / 九五0期間/ 轎車新材料技術(shù)開發(fā)0被列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃, 同時(shí)在國家863高技術(shù)計(jì)劃新

12、材料領(lǐng)域的支持下, 先后開發(fā)出了一批轎車國產(chǎn)化急需的金屬材料和非金屬材料, 促進(jìn)了國產(chǎn)汽車材料的技術(shù)進(jìn)步。但是, 同國外相比, 我國汽車工業(yè)整體技術(shù)水平還比較落后,汽車材料領(lǐng)域的差距更大。主要表現(xiàn)為: 企業(yè)開發(fā)能力不足, 缺乏創(chuàng)新、競(jìng)爭(zhēng)能力; 技術(shù)與管理水平落后, 生產(chǎn)規(guī)模小,勞動(dòng)生產(chǎn)率低, 產(chǎn)品質(zhì)量差; 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理, 技術(shù)含量低,低檔產(chǎn)品過剩, 高端產(chǎn)品依靠進(jìn)口; 汽車行業(yè)采用的材料系列與品種繁雜、數(shù)量少, 使汽車專用材料的產(chǎn)量難以達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模; 汽車材料基礎(chǔ)技術(shù)研究薄弱, 缺少材料評(píng)價(jià)技術(shù)與體系, 材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)混亂, 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)貧乏。從總體上看, 國內(nèi)汽車材料領(lǐng)域的現(xiàn)狀還不能滿足我國汽車

13、工業(yè)的發(fā)展需要。國內(nèi)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展以及加入WTO, 使我國汽車材料領(lǐng)域面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。不僅汽車材料的需求量持續(xù)增長(zhǎng)(預(yù)計(jì)從現(xiàn)在起到2020年, 年均增長(zhǎng)率可達(dá)20%以上), 而且對(duì)材料的品質(zhì)提出了更高的要求, 這為我國汽車材料領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了十分有利的條件。2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿新材料新工藝的應(yīng)用研究當(dāng)今，汽車工業(yè)的主體技術(shù)正步入轉(zhuǎn)型換代的新時(shí)期，輕量化、智能化、節(jié)能、安全和環(huán)保是重要的發(fā)展方向。汽車用材料屬于技術(shù)含量高、性能指標(biāo)高、 附加值高的三高產(chǎn)品，代表著材料發(fā)展的最高水平。連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件之一，是傳遞動(dòng)力的重要運(yùn)動(dòng)部件，又是發(fā)動(dòng)機(jī)的安全件，所以連桿的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使

14、用性能和安全。連桿從結(jié)構(gòu)上看并不復(fù)雜，但其精度要求特別高，因此連桿加工工藝比較復(fù)雜。傳統(tǒng)連桿材料為高強(qiáng)度碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr 或40MnB 等，其加工工藝是連桿體和連桿蓋分別加工，該工藝對(duì)連桿體和連桿蓋接合面要求比較高，至少需要3-4 道工序，然后合體加工。連桿新材料主要是高碳鋼和粉末冶金，其塑性變形非常小，連桿毛坯整體加工，利用撐斷技術(shù)，使連桿體和連桿蓋分開，斷面整齊、變形小，利用斷口進(jìn)行定位，無須再加工。1.連桿的功用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求連桿功用是將活塞的力傳給曲軸，變活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿的小頭隨活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大頭隨曲軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身在大小頭運(yùn)動(dòng)的合成

15、下作擺動(dòng)，所以，連桿除承受周期性變化的氣體沖擊外，還要承受較大的慣性力。這就要求連桿耐疲勞、抗沖擊，并具有足夠的強(qiáng)度、剛度及較好的韌性。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，連桿結(jié)構(gòu)略有差異，但基本上都由活塞銷孔端（小頭端），曲軸銷孔端（大頭端）及桿身三部分組成（如圖1 所示）。大頭與曲軸的連桿軸頸相連，一般做成分開式，即連桿體大頭和連桿蓋連桿桿身和蓋用螺栓連接。小頭用來安裝活塞銷，以連接活塞。桿身常做成“工”字形斷面。連桿大小頭端的高度根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，有等高和不等高兩種，在V 型發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，連桿經(jīng)常采用不等高結(jié)構(gòu)。 圖1 連桿結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)連桿的要求是重量輕、強(qiáng)度高、剛度好、慣性力小

16、且盡量采用強(qiáng)化工藝，其發(fā)展趨勢(shì)是采用短連桿結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件重量的減輕有助于降低能耗和噪聲，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。對(duì)短連桿的需求是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)正朝著體積小和功率大的方向發(fā)展。連桿機(jī)械加工的主要技術(shù)要求見表一表一 連桿機(jī)械加工的主要技術(shù)要求2.連桿材料及毛坯汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料及其選擇標(biāo)準(zhǔn)連桿在工作中承受多向的交變載荷，要求有很高的強(qiáng)度，因此毛坯大都采用高強(qiáng)度碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成。近年來，由于在連桿加工中所采用得撐斷新工藝和粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，高碳鋼、可鍛鑄鐵和粉末冶金材料也被廣泛應(yīng)用。特別是粉末冶金鍛造工藝的應(yīng)用使粉末冶金件的密度和強(qiáng)度都大大提高，其密度可達(dá)7.8 克/厘米3，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1

17、40240 公斤/毫米2。粉末冶金零件毛坯的尺寸精度高，可以減少機(jī)械加工量和材料浪費(fèi)，從而能降低成本。另外，一些具有新型組成或微觀結(jié)構(gòu)的材料，如復(fù)合材料、鋁纖維增強(qiáng)合金材料等也有應(yīng)用。連桿的毛坯形式有兩種，一種是體、蓋分開鍛造，另一種是先將體、蓋鍛成一體，在加工過程中再切開后一種具有材料損耗少，鍛造工時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)，故其應(yīng)用愈來愈多，成為一種主要的毛坯形式。為了保證連桿的質(zhì)量和加工精度，各廠對(duì)連桿毛坯都有較嚴(yán)格的要求，連桿毛坯必須達(dá)到一定的技術(shù)要求并經(jīng)過嚴(yán)外觀檢查毛坯表面應(yīng)光潔，非加工表面不允許有凹陷、飛刺及分層，并通過磁力探傷以檢查是否有裂紋。此外，我們還要對(duì)毛坯的總重量及大小頭重量也有嚴(yán)格的要

18、求，對(duì)毛坯重量的公差也有相關(guān)規(guī)定。3.連桿的機(jī)械加工典型工藝路線連桿形狀復(fù)雜不易定位和夾緊，其剛性差、容易變形，因此其加工精度較高。3.1.連桿體檢查及驗(yàn)收毛坯粗磨大小頭兩平面（半自動(dòng)雙頭立軸圓臺(tái)平面磨床）鉆鉸小頭孔及一面倒角（鉆鉸組合機(jī)）小頭孔倒角（立式鉆床）拉半圓、結(jié)合面、兩側(cè)面及倒角（連續(xù)拉床）拉螺栓座面（20T 雙溜板拉床）拉小頭去重面（20T 雙溜板拉床）鉆鉸連桿體的螺栓孔、銑軸瓦鎖口槽、精銑結(jié)合面以及鉆油道階梯孔（13 工位自動(dòng)線）清理毛刺 清洗并吹凈（清洗機(jī)）檢查零件。3.2.連桿蓋檢查及驗(yàn)收毛坯拉連桿蓋兩平面（連續(xù)拉床）拉半圓、結(jié)合面、兩側(cè)面及倒角（連續(xù)拉床）拉螺母座面及去重塊三面（連續(xù)拉床） 鉆鉸螺栓孔、銑軸瓦鎖口槽、精銑結(jié)合面（13 工位自動(dòng)線）清理毛刺清洗并吹凈（清洗機(jī)）檢查零件。3.3.連桿總成裝配連桿體及蓋擰緊連桿螺栓并保證力矩（螺栓擰緊機(jī)） 精磨大小頭兩平面（半自動(dòng)雙頭立軸圓臺(tái)平面磨床）粗鏜大頭孔（單面臥式金剛鏜床）大頭孔倒角（立式鉆床）半精鏜、精鏜大小頭孔并兩面倒角（11 工位鏜孔自動(dòng)線）清理毛刺稱重、精銑連桿大小端凸臺(tái)至規(guī)定重量（去重平衡銑） 中間檢查清理毛刺 零件清洗（清洗機(jī)）珩磨連桿大小頭孔（單軸液壓珩磨機(jī)、珩磨自動(dòng)線）零件清洗（清洗機(jī)）復(fù)檢重量并分組（連