现代汽车用材料技术概述
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– 摩擦材料的最高工作温度应比预期的最高温度高，以确保转子在 最恶劣的环境下完好。
– 较低的热膨胀系数，使热变形最小。 – 较低的密度，以使簧下质量最小。 – 应耐磨，因为更换摩擦块或制动蹄更容易、更便宜。 – 应当便宜并且容易制造。
• 转子材料选择
– 铸铁：便宜，具有较好的热特性和高温强度保持性，但是密度较 高。
– 弹性模数应相对较低，以便与粗糙的热变形的转子相适应。 – 应当便宜和便于制造。
• 复杂的复合材料，由各种纤维（目前大多采用石绵纤维） 、颗粒物和填充物一起粘接到聚合体基体中，如酚醛树脂 。
• 德国Paderbom大学O. Habn等人提出“多材料轻 量化结构”（Lightweight Construction by multi material）及“合适的材料用在合适的部位” （The right material in the right place）两概 念。
– 认为多材料结构设计代表了今后汽车车身结构的发展 趋势。
– 通过对多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又 能显著减小质量。
趋势：轻量化已经成为政策性行为
• 轻量化作用：不但可以减轻车身质量、节 约能源、降低油耗、减轻污染，也可以降 低成本、提高企业竞争力、增加企业利润 。
– 汽车的一般部件质量每减轻1%，可节油1% ；运动部件每减轻1%，可节油2%。
– 与转子匹配，减缓整体失效，摩擦材料自身和支撑其钢结构之间 的粘接很重要。
– 应有相对高的温度，以防止摩擦表面产生热衰减，由于复合材料 的性质，制动块材料的工作温度始终低于最高温度。
– 衬片和制动蹄材料的较低传导性将有利于减小热传递到其它系统 部件，特别是液压油。
– 应有合理的耐磨性，但不能过大，因为磨损将会促进均匀的接触 压力分布，防止“热点”产生。
• 使用铝镁轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料 、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使 用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度 较薄的高强度钢；
– 采用先进的制造工艺，使用基于新材料加工技 术而成的轻量化结构用材
• 如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光 焊接板材等。
• 美国政府于1993年推出的PNGV（Partner of New General Vehicle ）计划：要求轿车的整 备质量降低40%，使轿车每加仑汽油可行驶80英 里（三倍燃料效率）及有效降低排放。
• 有完善的报废和再循环利用行业
– 只有在极特殊的性能需要时，才会 考虑如聚合物和陶瓷等非金属材料 。
– 除了直接的工程应用问题外，材料 选择还需考虑污染和再循环利用这 样的政治问题。
汽车材料选择需要考虑的因素
• 适用性：材料的性能必须满足具体要求。
– 必须与部件或者装置要完成的任务相匹配； – 要考虑整个使用要求，如力学载荷、载荷范围、硬度、刚度及柔
• 环境相宜性：法规的要求对汽车部件的和选择也有影响。
– 健康和安全因素制约着一些项目； – 对于处理方法、垃圾成本及再循环经济的必要性。单一组成的材
料部件的再循环利用相对容易；
• 最终材料的选择经常是折中的
– 在某些情况下，功能要求占主要地位。 – 在某些方面，成本和法规是主要因素。
– 只有对所有方案进行比较后，才能做出满意的 材料选择决策，
– 铸铁替代材料：
• 铝金属基复பைடு நூலகம்材料，碳－碳复合材料。 • 趋势：减轻簧下质量，减少对道路的损坏；减少污染，改善总体汽车
燃油消耗。
摩擦材料选择
• 制动块或制动蹄：车轮总成的静止部分。通常复合摩擦材 料粘接到钢底板或制动蹄架上。
• 摩擦材料要求
– 应产生稳定和可预测的摩擦系数，以使汽车在整个工作范围有效 可靠地制动。
– 基于提升性能及安全性的轻量化
• 80年代之后高性能车的普及带来的车体相关部件 的铝化（板材、挤型）；
• 运动性能、乘坐舒适感、操纵性的提升； • 冲撞能量的吸收。
• 汽车轻量化的途径：
– 对汽车底盘、发动机等零部件进行结构优化
• 前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法；
– 在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来 使汽车轻量化。
现代汽车用材料技术概 述
2020年4月20日星期一
一、汽车材料构成现状 二、铝、镁轻金属的应用状况 三、汽车用钢铁材料现状 四、塑料及其它轻量化材料 五、汽车材料的再生
一、汽车材料构成现状
汽车的材料构成
• 一辆汽车由上万个零部件组装而成，而上 万个零部件又是由上千种不同材料、几千 种不同的规格品种加工制造出来。
性、汽车设计对质量的特别要求、各种物理特性等。 – 质量和样式要求作为性能要求的扩展，也需要考虑。
• 噪声、振动 • 美学特点、静态造型、色彩、纹理、感觉和气味。
• 经济性：经济因素和商业因素至关重要。
– 常规的或标准化的形式提供。
• 可行性：
– 要考虑加工过程。 – 部件和产品的制造方法和规模对材料也有较大的影响。
案例：制动系统的材料选择分析
• 在制动系统操纵机构作用下，摩擦副的相对 旋转使车速降下来的摩擦阻力矩。
• 多数摩擦副是由相对较硬的金属旋转部件和 相对较软的制动块或制动蹄组成。
转子材料选择
• 转子材料要求：
– 必须有足够的刚度和硬度，能够把摩擦力矩传递到轮毂，而不会 产生过多的变形和热效应。
– 应该有较高的容积热容量和良好的导热性，以吸收和传递摩擦面 产生的热量，没有过多的温度升高。
• 据统计，钢材的1/4、橡胶的一半以上用 于汽车生产。
• 汽车用四大类工程材料及其选用
– 首先考虑采用金属材料
• 金属材料属于全能材料，能够满足承载 和其它要求，也符合经济要求。
• 金属在静态和动态条件下，具有适当的 强度、刚度和韧性。其它物理特性也满 足要求。
• 金属有众多成形及制造工艺和庞大的设 计特性数据库。
– 据测算，如汽车自重减少50 kg，则每升燃油 行驶距离可增加1km；换言之，若自重减轻 10％，则燃油经济性可提高约5.5％。
• 汽车轻量化的发展方向：
– 基于改善汽车燃油效率的轻量化
• 70年代的石油危机导致引擎相关部件的铝化（铸 件、压铸）；
• 车重每降低10%，燃油效率可提高6~8%。
– 较低的热膨胀系数，使热变形最小。 – 较低的密度，以使簧下质量最小。 – 应耐磨，因为更换摩擦块或制动蹄更容易、更便宜。 – 应当便宜并且容易制造。
• 转子材料选择
– 铸铁：便宜，具有较好的热特性和高温强度保持性，但是密度较 高。
– 弹性模数应相对较低，以便与粗糙的热变形的转子相适应。 – 应当便宜和便于制造。
• 复杂的复合材料，由各种纤维（目前大多采用石绵纤维） 、颗粒物和填充物一起粘接到聚合体基体中，如酚醛树脂 。
• 德国Paderbom大学O. Habn等人提出“多材料轻 量化结构”（Lightweight Construction by multi material）及“合适的材料用在合适的部位” （The right material in the right place）两概 念。
– 认为多材料结构设计代表了今后汽车车身结构的发展 趋势。
– 通过对多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又 能显著减小质量。
趋势：轻量化已经成为政策性行为
• 轻量化作用：不但可以减轻车身质量、节 约能源、降低油耗、减轻污染，也可以降 低成本、提高企业竞争力、增加企业利润 。
– 汽车的一般部件质量每减轻1%，可节油1% ；运动部件每减轻1%，可节油2%。
– 与转子匹配，减缓整体失效，摩擦材料自身和支撑其钢结构之间 的粘接很重要。
– 应有相对高的温度，以防止摩擦表面产生热衰减，由于复合材料 的性质，制动块材料的工作温度始终低于最高温度。
– 衬片和制动蹄材料的较低传导性将有利于减小热传递到其它系统 部件，特别是液压油。
– 应有合理的耐磨性，但不能过大，因为磨损将会促进均匀的接触 压力分布，防止“热点”产生。
• 使用铝镁轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料 、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使 用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度 较薄的高强度钢；
– 采用先进的制造工艺，使用基于新材料加工技 术而成的轻量化结构用材
• 如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光 焊接板材等。
• 美国政府于1993年推出的PNGV（Partner of New General Vehicle ）计划：要求轿车的整 备质量降低40%，使轿车每加仑汽油可行驶80英 里（三倍燃料效率）及有效降低排放。
• 有完善的报废和再循环利用行业
– 只有在极特殊的性能需要时，才会 考虑如聚合物和陶瓷等非金属材料 。
– 除了直接的工程应用问题外，材料 选择还需考虑污染和再循环利用这 样的政治问题。
汽车材料选择需要考虑的因素
• 适用性：材料的性能必须满足具体要求。
– 必须与部件或者装置要完成的任务相匹配； – 要考虑整个使用要求，如力学载荷、载荷范围、硬度、刚度及柔
• 环境相宜性：法规的要求对汽车部件的和选择也有影响。
– 健康和安全因素制约着一些项目； – 对于处理方法、垃圾成本及再循环经济的必要性。单一组成的材
料部件的再循环利用相对容易；
• 最终材料的选择经常是折中的
– 在某些情况下，功能要求占主要地位。 – 在某些方面，成本和法规是主要因素。
– 只有对所有方案进行比较后，才能做出满意的 材料选择决策，
– 铸铁替代材料：
• 铝金属基复பைடு நூலகம்材料，碳－碳复合材料。 • 趋势：减轻簧下质量，减少对道路的损坏；减少污染，改善总体汽车
燃油消耗。
摩擦材料选择
• 制动块或制动蹄：车轮总成的静止部分。通常复合摩擦材 料粘接到钢底板或制动蹄架上。
• 摩擦材料要求
– 应产生稳定和可预测的摩擦系数，以使汽车在整个工作范围有效 可靠地制动。
– 基于提升性能及安全性的轻量化
• 80年代之后高性能车的普及带来的车体相关部件 的铝化（板材、挤型）；
• 运动性能、乘坐舒适感、操纵性的提升； • 冲撞能量的吸收。
• 汽车轻量化的途径：
– 对汽车底盘、发动机等零部件进行结构优化
• 前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法；
– 在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来 使汽车轻量化。
现代汽车用材料技术概 述
2020年4月20日星期一
一、汽车材料构成现状 二、铝、镁轻金属的应用状况 三、汽车用钢铁材料现状 四、塑料及其它轻量化材料 五、汽车材料的再生
一、汽车材料构成现状
汽车的材料构成
• 一辆汽车由上万个零部件组装而成，而上 万个零部件又是由上千种不同材料、几千 种不同的规格品种加工制造出来。
性、汽车设计对质量的特别要求、各种物理特性等。 – 质量和样式要求作为性能要求的扩展，也需要考虑。
• 噪声、振动 • 美学特点、静态造型、色彩、纹理、感觉和气味。
• 经济性：经济因素和商业因素至关重要。
– 常规的或标准化的形式提供。
• 可行性：
– 要考虑加工过程。 – 部件和产品的制造方法和规模对材料也有较大的影响。
案例：制动系统的材料选择分析
• 在制动系统操纵机构作用下，摩擦副的相对 旋转使车速降下来的摩擦阻力矩。
• 多数摩擦副是由相对较硬的金属旋转部件和 相对较软的制动块或制动蹄组成。
转子材料选择
• 转子材料要求：
– 必须有足够的刚度和硬度，能够把摩擦力矩传递到轮毂，而不会 产生过多的变形和热效应。
– 应该有较高的容积热容量和良好的导热性，以吸收和传递摩擦面 产生的热量，没有过多的温度升高。
• 据统计，钢材的1/4、橡胶的一半以上用 于汽车生产。
• 汽车用四大类工程材料及其选用
– 首先考虑采用金属材料
• 金属材料属于全能材料，能够满足承载 和其它要求，也符合经济要求。
• 金属在静态和动态条件下，具有适当的 强度、刚度和韧性。其它物理特性也满 足要求。
• 金属有众多成形及制造工艺和庞大的设 计特性数据库。
– 据测算，如汽车自重减少50 kg，则每升燃油 行驶距离可增加1km；换言之，若自重减轻 10％，则燃油经济性可提高约5.5％。
• 汽车轻量化的发展方向：
– 基于改善汽车燃油效率的轻量化
• 70年代的石油危机导致引擎相关部件的铝化（铸 件、压铸）；
• 车重每降低10%，燃油效率可提高6~8%。