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輕量化
(汽車生產的技術)
鎖定
- 中文名
- 輕量化
- 外文名
- light weight
- 目 的
- 降低汽車整備質量
- 類 別
- 汽車生產技術
輕量化基本概念
由於車輛輕,起步時加速性能更好。
隨着“節能環保”越來越成為了廣泛關注的話題,輕量化也廣泛應用到普通汽車領域,在提高操控性的同時還能有出色的節油表現。汽車的油耗主要取決於發動機的排量和汽車的總質量,在保持汽車整體品質、性能和造價不變甚至優化的前提下,降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性,提高車速、降低油耗、減少廢氣排放量、提升安全性。有研究數字顯示,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;若滾動阻力減少10%,燃油效率可提高3%;若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%,燃油效率可提高7%。汽車車身約佔汽車總質量的30%,空載情況下,約70%的油耗用在車身質量上。因此,車身變輕對於整車的燃油經濟性、車輛控制穩定性、碰撞安全性都大有裨益。
主要指導思想:在確保穩定提升性能的基礎上,節能化設計各總成零部件,持續優化車型譜。
汽車的輕量化,就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,儘可能地降低汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。實驗證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車整備質量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%。當前,由於環保和節能的需要,汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。
輕量化途徑
其中,當前的主要汽車輕量化措施主要是採用輕質材料。
輕量化舉措
轎車自重的25%在車身,車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀90年代,世界範圍內的35家主要鋼鐵企業合作完成了“超輕鋼質汽車車身”(ULSAB-Ultra Light Steel Auto Body)課題。該課題的研究成果表明,車身鋼板的90%使用現已大量生產的高強度鋼板(包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板),可以在不增加成本的前提下實現車身降重25%(以4門轎車為參照),且靜態扭轉剛度提高80%,靜態彎曲剛度提高52%,第一車身結構模量提高58%,滿足全部碰撞法規要求。當然,這還是一個研究的成果,高強度鋼板在車身上的實際應用還未達到如此高的水平。在普通的IF鋼板的基礎上相繼開發了高強度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板,在保持高成型性的同時提高了強度和抗凹陷性,為車身鋼板的減薄和實現輕量化創造了條件。
近來開發的多相鋼有相當大的應用潛力。其中鐵素體-貝氏體鋼強度級別為500MPa,雙相(DP)鋼和相變誘發塑性(TRIP)鋼強度級別為600~800MPa,復相(CP)鋼強度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。日本日產汽車公司進行了590MPa級高強度鋼板在車身上的應用研究,他們選用TRIP鋼和DP鋼裸板以及DP鋼鍍鋅板並運用有限元分析技術解決了衝壓開裂和回彈問題,優化了焊接工藝參數,通過實車檢測,剛度和碰撞性能滿足要求,比採用440MPa級鋼板時降重10kg。
激光拼焊毛坯(Tailored Blank)是新近開發並應用的鋼板輕量化技術。在前述ULSAB車身有18個零件採用了此技術。
鋼鐵材料的用量雖逐年減少,但高強度鋼的用量卻有相當大的增加。高強度結構鋼使零件設計得更緊湊和小型化,有助於汽車的輕量化。
(1) 彈簧
懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設計許用應力。但是為了實現這種高應力下的輕量化,材料的高強度化是不可少的。在傳統的Si-Mn彈簧鋼的基礎上通過降低C並添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素,開發出強度和韌性都很高的鋼種,設計許用應力可達1270MPa,這種彈簧鋼的應用可實現40%的輕量化。在傳統的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能,結合改進的奧氏體軋製成型,可使鋼的拉伸強度達到1800MPa的水平。
氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V,通過晶粒細化確保韌性,由增C提高強度。這樣改進後,彈簧的高周疲勞強度約提高8%,可實現15%的輕量化。通過有限元分析,螺旋彈簧內、外側應力均勻分佈的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發,使彈簧實現7%的輕量化。
(2) 齒輪
提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強度,但單純靠合金元素來強化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝複雜,原材料成本和生產成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時,為了防止或減少異常層的出現,降低鋼中的Si和P含量,Mo量增加到0.35%~0.45%,並採用經改良的碳氮共滲工藝。改進的鋼種可使齒輪實物的衝擊壽命提高3~5倍,若在上述降低表面異常層鋼種加上強力噴丸,可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。
齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點,會降低強力噴丸的強化效果,為此開發了高純淨度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼,將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時,與前述降低表面異常層的低Si高Mo鋼相比,齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%,接觸疲勞壽命提高25%。
輕量化原理
由於車輛輕,起步時加速性能更好。
輕量化特性
輕量化歷史
近來開發的多相鋼有相當大的應用潛力。其中鐵素體-貝氏體鋼強度級別為500MPa,雙相(DP)鋼和相變誘發塑性(TRIP)鋼強度級別為600~800MPa,復相(CP)鋼強度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。