汽车设计的未来趋势-轻量化材料

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1 国际汽车用材料的发展现状与趋势
当前世界汽车材 料技术发展的主要特征如下: ( 1)轻量化与环 保是当今汽车材料发展的主要方向; ( 2)尽管近阶段 钢铁材料仍保 持主导地 位, 但各种 材料 在汽车上的应用比例 正在发生变化。主要变化趋势是高强
交稿日期: 2009- 10- 21 作者简介: 石秀忠 ( 1976车学院工程硕士.
2 国内发展状况分析
我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起 来的。
尤其是在 / 七五 0至 / 九 五 0期间, 我 国通过 合资 的方 式引进 了国外先进的 汽车 产品 技术, 缩 短了 与发 达国 家 之间 的差 距。在引进技术的带动下, / 九五 0期间 / 轿车新材料 技术开 发 0被列入国家科技 攻关计 划, 同 时在国 家 863高技 术计划 新材料领域的支持下, 先后开发出 了一批轿车国产化急需的 金属材料和非金属材料, 促 进了国产 汽车材 料的 技术进 步。 但是, 同国外相比, 我国汽车工业整体技术水平还比较 落后, 汽车材料领域 的差 距更 大。主 要表 现 为: 企业 开 发能 力不 足, 缺乏创新、竞争能力; 技术与管理水平落 后, 生产规 模小, 劳动生产率低, 产品 质量差; 产品 结构 不合理, 技 术含量 低, 低档产品过剩, 高端 产品依 靠进口; 汽车 行业采 用的 材料系 列与品种繁杂、数量 少, 使 汽车专 用材料 的产量 难以 达到经 济规模; 汽车材料基 础技术 研究薄弱, 缺 少材料 评价 技术与 体系, 材料技术标准混乱, 基础数据贫乏。从总体上看, 国内
70% 的油耗是用在车身质量上的, 所以汽车车身的铝化 对减 轻汽车自重, 提高整车燃料经济性至关重要。铝合金材 料在 现代汽车轻量已经 显示出 非常重 要的作 用。车身 用铝合 金 必要的性能有: 强 度、成 形性 、耐蚀 性、焊 接性、表 面 处理 性 等, 产品要有刚性、耐撞凹性、耐久性等 122。制约铝合金在汽 车上大量应用的主要原因之一 是其价格比钢材高, 为了 促进 铝在汽车上的应用, 必须降低材料成本。除开发低成本 的铝 合金和先进的铝合金成型工艺 外, 回收再生技术可进一 步降 低铝的成本, 铝合金是最 常见的 汽车用 轻金属, 而 且在汽 车 上使用较早, 相对比较成熟。现代轿车发动机活塞几乎 都用 铸铝, 这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来 减小 惯性, 减轻曲轴配 重, 提 高效 率, 并需 要 材料 有良 好 的导 热 性, 较小的热膨胀 系数, 以 及在 350e 左右 有较 好的 力学 性 能, 而铸铝能符合这些 要求。同时 由于活 塞、连杆 采用了 铸 铝件, 减轻了重量, 从 而减少 发动机 的振动, 降 低了 噪声, 使 发动机的油耗下降, 这也符合了汽车的发展趋势。像上 海通 用新 项目投 入的 L850全 铝发动 机。德国 Audi汽 车公司 已 经将铝合金车身用于 成批生产的 轿车, Aud iA8 车身已 经采 用 了 第 一 代 铝 合 金 空 间 构 架 ASF ( A lum in ium - Space F rame) 132。 ASF 车身超过了现 代轿车 钢板车 身的 强度和 安 全水平, 但汽车自身的重量减轻了大 约 40% 。 2002年, 奥迪 铝材及轻量设计中心 又见 证了第 二代 奥迪 A8的诞 生, 图 1 示。
10
辽宁科技学院学报
文章编号: 1008- 3723( 2009) 04- 0010- 05
轻量化材料在汽车领域的应用趋势
第 11卷
石秀忠
(同济大学 汽车学院 , 上海 2018042)
摘要: 轻量化材料在汽车领域的应用, 是降低车身重量的重要方式之一, 可以有 效地降低废 气排放, 节约能 源。轻量化材
现代汽车车身除满足强度 和使用寿命的要求外, 还 应该 满足基本性能、外观、安全、价格、环 保、节 能等 方面 的需要。 在 九 十年 代 以 前, 以 轿车 为 例, 其 整 车质 量 中, 钢 铁 占 有 80% , 铝占 3% , 树脂占 4% 。 由于能 源价 格不断 上升, 作 为 轻量化材料的高强 度钢板、表面 处理钢 板用量 逐年 上升, 有 色金属材料的用量 也在不 断增加, 其中, 铝合 金材 料的应 用 明显增加, 非金属材料也逐步增加。本文主要就车身轻 量化 材料的发展做研究。
料的应用也从另一面 推动了车身结构设计的优化, 推动了汽车领域的发展 。
关键词: 轻量化材料; 铝合 金材料; 车身; 重量
中图分类号: TG14
Biblioteka Baidu
文献标识码: A
汽车车身、底盘 (含悬挂系 统 )、发动 机三大 件约占 一辆 轿车总重量的 65% 以 上。其 中车 身外、内 覆盖 件的 重量 又 居首位。因此减少汽 车车身重 量对降 低发动 机的 功耗和 减
用途 300- 500 150- 400 350- 700
飞 机、气缸 盖、活 塞、电位 器、钢 钉、油 压部件 建材、车辆、家 俱、船舶、家电、照相 机、 电线、网球拍 飞机、车辆、船舶、散热片、垒 球棒
表 4 主要铝合金板的机械性能
种类
1100- 0 1100- H24
3003- 0 3003- H14
第 11卷 第 4期
辽宁科技学院学报
V o.l 11 No. 4
2009年 12月
JOURNAL OF L IAON ING INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Dec. 2009
汽车材料领域的现状 还不能满足我国汽车工业的发展需要。 国内汽车工业 的迅 速发展 以及 加入 WTO, 使我 国汽 车
目前, 车身轻量化的主要 途径 有 2条: 效 果比 较明显 的 是用轻型材料 (如镁、铝、塑料盒复合 材料等 )替 代车身 骨架 及内、外壁板原有的钢材, 目前 已制造出部分产品; 另一 种有 效的方法是通过优化车身结构 实现轻量化, 其代表性成 果为 ULSAB( U ltra L ight Steel Auto Body)项目 112。
表 2 SG112- T4A 铝板与普通铝板硬度比较
材料 SG112 - T4A涂装前 SG112- T4A涂装后 普通铝板
硬度 MP a
11 0
21 0
14 0
虽然 SG112- T4A的板材价 格是钢板的 2 倍, 但 质量可 减轻 50% , 并且点焊工作量也 减少 30% 以上, 是一 种很理想 的车身用铝板。
钢板厚 板质量 铝板厚 板质量 轻量化率 零件名称
( mm ) ( kg) ( mm ) ( kg) ( % )
发动机罩外板 0. 75 8. 50 1. 00 3. 90
54
发动机罩内板 0. 75 10. 47 1. 00 4. 50
54
日本住友轻金属工 业公司 与美国 雷诺尔兹 铝制 品公司 共同开发出一种代号为 SG112- T4A 的车身 铝合金板 材, 硬 度比普通铝板高 1. 5倍, 同时也具有良好的冲 压加工性。此 种材料在冲压 加工 时较 软便 于拉 延, 而通 过涂 装 即热 处理 后, 硬度提高近 1倍 ( 表 2) 。
( 4)更重视汽车材料的回收技术; ( 5)电动汽车、代用 燃料汽车专 用材料以 及汽车 功能材 料的开发和应用工作不断加强。 减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的
最有效措施之一。世界铝业协会的报告指出, 汽车的自身质 量每减少 10% , 燃油的 消耗 可降低 6~ 8% , 根据 最新资 料, 国外汽车自身质量同过去相 比减轻 了 20~ 26% 。预 计在未 来的 10年内, 轿车自身质量还将继续减轻 20% 。铝合金、镁 合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化 材料的开发与应用在 汽车的轻 量化中 将发挥 重大 作用。可 以看出, 尽管钢铁材 料在当 前仍然占 主导地 位, 但其 份额却 在逐年减少, 而铝合金、镁合金、塑 料等轻量化材料的用量则 呈持续上升的趋势。在最近投产的某些新车型中, 钢铁材料 的比例更低, 例如在奥迪 A2中, 钢材的比 例仅为 34% , 轻质 材料则高达 52% 。国外 开发 的全 铝车 身 已经 在 AUDI A8、 BMW Z8、FERRAR I360等 很 多 车型 上 使 用, 甚 至 全 铝 发动 机、轮輞都已经开始实际 应用。
德国汽车车身用铝已经规范化, 应用实例见表 5。
合金 主要合金成 分 典型合金型号

100 0 系


300 0 系


400 0 系


500 0 系
Fe、S i、Cu Mn Si Mg
表 3 铝合金的种类和特性
拉伸强度 (MP a)
用途
10 70、10 50、110 0、120 0
50- 200
), 男, 山东烟台市人, 同济大 学汽
度钢和超高强度钢、铝合 金、镁合金、塑料和复合材料的用量 将有较大的增长, 铸铁和 中、低强度钢的比例将会逐步 下降, 但载重车的用材变化不如轿车明显;
( 3)轻量化材料技术与汽车 产品设 计、制 造工艺 的结合 将更为密切, 汽车车身结 构材料将趋向多材料设计方向;
汽车用铝在日本已经制 定了 JISH4000 标准, 从 1000到 7000进行了分类, 用于汽车的铝合金, 包括热处理型 6000系 列和非热处理型 5000 系列 , 其中 5038和 5183是 汽车 车身 最常用的型号。表 3列出日本的铝合金分类和特性, 表 4是 主要铝合金板的机械性能及其与冷轧钢板的比较。
少汽车总重量具有 双重的 效应, 是汽车 轻量化 的重 要途径。 车身轻量化 的研 究是 现代 车身 设 计的 一 大主 流。当 前, 节 能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展 的总趋势, 尤其是节能 和环 保更 是关 系人 类可 持续 发展 的 重大 问题。 汽车油耗与车重关 系密切, 汽车 行驶过 程中受 到空 气阻力、 轮胎阻力、加速阻力和爬 坡阻力 等, 其 中后面 三项 均与车 身 本身的重量成正比, 这直接影响轿车的油耗, 因此, 降低 燃油 消耗、减少向大气 排出 CO2 和有 害气 体及 颗粒 已成 为汽 车 界主要的研究课题。 减小汽车 自身质 量是汽 车降 低燃油 消 耗及减少排放的最 有效措 施之一。尤 其是当 前全 球能源 缺 少的危机之下, 轻量 化技术 对于 未来 轿车发 展有 着巨大 的 意义。实现轻质车身, 最主要就是大量应用使车身轻量 化的 材料, 同时进行车身轻量化的结构设计等。
材料领域面临着前 所未有 的机遇 与挑战。不 仅汽 车材料 的 需求量持续增长 (预计从现在起到 2020年, 年均增长率可达 20% 以上 ), 而且对材料的品质提出了更高的要求, 这为我国 汽车材料领域的发展 创造了十分有利的条件。
3 轻量化材料的应用
3. 1 铝材的应用 汽车车身约占汽车总质 量的 30% , 对汽 车本身 来说, 约
图 1 采用全铝结构的奥迪 A8轿车车身
图 2是北美近年来轿车 所用铝 材的发 展变化。 而且 铝质汽 车零件基本上都可回收;
图 2 典型轿车所用材料变化 情况 回收再生所需要能源 少, 并 且铝 可以多 次循 环再生, 对 其性能来讲没有多大 变化。对于 两个特 定的车 身覆 盖件采
用铝板后与采用钢板的对比结果列入表 1。 表 1 轻量化实例
12
辽宁科技学院学报
第 11卷
续表 3: 合金 主要合金成 分 典型合金型号

200 0 系



600 0 系


700 0 系
Cu、、Mg M g、Si Zn、M g
拉伸强度 (MP a) 20 11、20 17、202 4
60 61、60 63、626 2 70 03、7N0 1、707 5
30 03、30 04、300 5 40 32、40 43、434 3
100- 300
50 52、50 82、518 2、508 3
100- 400
日 用品、散 热 片、罩盖、铭 牌、包 装、建 材、印刷板、电线、装饰品、反 射板 日用品、散热片、包 、罐、建材 、彩铝
活塞、气缸盖、热交 换器、焊条、建材 建 材、车辆、船 舶、照 相机、扣钉、低 温 油箱、压力容器
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