面向環(huán)境的汽車輕量化技術(shù)及應(yīng)用

李登科　解念鎖

摘 要：汽車自重越大，燃油消耗量越大，廢氣排放量越大。汽車輕量化對節(jié)省資源、能源和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。文章論述了復(fù)合材料、輕有色金屬及其合金、鑄鐵零件的薄壁化工藝在汽車量化技術(shù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：面向環(huán)境；汽車輕量化；節(jié)約能源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.259

1 前言

我國是世界上汽車擁有量和汽車消費(fèi)量最大國，汽車工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。汽車燃油消耗量越大，廢氣排放量越多。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，充分考慮汽車選材、生產(chǎn)、加工等環(huán)節(jié)對節(jié)省資源、能源、保護(hù)環(huán)境的要求，從而提高汽車使用中對資源及能源的利用效率，降低成本，提高質(zhì)量，增大可靠性，延長設(shè)備使用壽命。現(xiàn)代汽車選用材料除滿足力學(xué)性能和使用壽命的基本要求外，還應(yīng)滿足比強(qiáng)度、比模量、價格、外觀、環(huán)保、安全、節(jié)能等需要。汽車選用材料種類繁多，包括鋼鐵、鋁合金、樹脂。汽車選用材料中的表面處理鋼板、高強(qiáng)度鋼板逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，非金屬材料也逐步增長，高性能復(fù)合材料和工程塑料品種繁多，有的替代了普通塑料，有的在汽車上的應(yīng)用范圍廣泛。汽車輕量化材料的選擇可以降低整車的重量，并為汽車的性能服務(wù)，如降噪音、消震動、合理氣流、減重量和降低成本等。因此，應(yīng)用和研制輕型汽車材料，提高汽車發(fā)動機(jī)功效，減少油耗及廢氣排放，減輕整車重量，提高整車性能，保障其安全性、可靠性是世界汽車發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)。

2 復(fù)合材料在汽車量化技術(shù)中的應(yīng)用

汽車量化技術(shù)中應(yīng)用的復(fù)合材料主要有金屬基復(fù)合材料和聚合物基復(fù)合材料。復(fù)合材料的各組分之間的協(xié)同作用，使其能夠取長補(bǔ)短，獲得基體材料和增強(qiáng)材料所沒有的新性能。汽車用復(fù)合材料不僅可進(jìn)行各組分之間選擇材料設(shè)計，還可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過改變增強(qiáng)體的比例進(jìn)行設(shè)計。大部分金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料具有密度小，剛度大，強(qiáng)度高等性能特點(diǎn)；金屬基復(fù)合材料的基體材料具有成形性能好的特點(diǎn)。目前，金屬基復(fù)合材料已逐步取代部分金屬合金，廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)活塞、連桿、軸瓦、電器原件、保險杠等。滿足汽車發(fā)動機(jī)向高負(fù)荷、高速、增壓方向發(fā)展要求，從而減輕汽車自重，節(jié)約材料，節(jié)約燃油，減少廢氣排放，保護(hù)環(huán)境。聚合物基復(fù)合材料的具有較大的比強(qiáng)度、比模量大是其最突出的特點(diǎn)。玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料有較高的比模量、比強(qiáng)度；碳纖維、有機(jī)纖維、硼纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的比強(qiáng)度相當(dāng)于鈦合金的3-5倍，比模量相當(dāng)于金屬材料的4倍之多。聚合物基復(fù)合材料還具有耐疲勞性能好的特點(diǎn)，復(fù)合材料纖維與基體的界面能有效阻止內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，使其疲勞破壞從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始進(jìn)行，然后逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上，破壞前有明顯的預(yù)兆。聚合物基復(fù)合材料還具有很好的加工工藝性，可采用手糊成型、注射成型、模壓成型、拉擠成型、纏繞成型等各種方法制成各種形狀的復(fù)合材料產(chǎn)品。同時聚合物基復(fù)合材料具有多種功能性，例如耐燒燭性好，具有較高的比熱、熔融熱和氣化熱的材料，可以有效吸收高溫?zé)g時的大量熱能；具有有良好的摩阻特性及減摩特性；具有高度的電絕緣性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能、特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)的特性。目前聚合物基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車燃油管、汽車散熱器水箱部件、底盤、發(fā)動機(jī)等零部件，可以有效的減輕汽車自重，提高發(fā)動機(jī)效率。特別是碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料應(yīng)用于汽車工業(yè)中，作為發(fā)動機(jī)內(nèi)部零件，使用增強(qiáng)及自潤滑的高性能復(fù)合材料上進(jìn)展很快。碳（石墨）纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料用于制造發(fā)動機(jī)零件汽車車身等，可有效提高汽車性能，降低汽車自重，是汽車輕量化的重要發(fā)展方向之一。

3 輕有色金屬及其合金在汽車量化技術(shù)中的應(yīng)用

有色金屬及其合金具有密度小、加工工藝性能好、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。鋁合金擠壓型材應(yīng)用于無骨架式車體結(jié)構(gòu)和空間框架車體結(jié)構(gòu)，使得車身外板具有各種復(fù)雜斷面形狀和中空狀型材，具有比重小，比強(qiáng)度大，制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。用中空鋁型材作車身結(jié)構(gòu)和保險杠與鋼材件具有同等的抗沖擊強(qiáng)度，車身重能大大減輕，當(dāng)汽車發(fā)生意外時，還能吸收沖擊能，保護(hù)乘客安全。擠壓型材料用于保險杠，可比鋼板焊接保險杠大幅度減少重量。鋁合金通常用來制作覆蓋件、保險杠、車輪、空調(diào)系統(tǒng)、窗框、保險杠、座椅、換熱器擾流板等。鎂合金比鋁合金輕，其比強(qiáng)度及比剛度高，減振性能優(yōu)良，彈性模量較低，具有優(yōu)良的切削加工性能及鑄造性能。鎂合金以其優(yōu)良的可回收性、導(dǎo)熱性，被譽(yù)為綠色工程材料，有人稱其為21世紀(jì)的時代金屬。鎂合金代替鋼鐵，使設(shè)備重量大大減輕。鎂合金替代鋼鐵降低整車自重正在普及中，汽車殼體、車身件、骨架等零部件的輕量化已經(jīng)實(shí)施，福特汽車每輛車鎂合金用量逐年增加；許多汽車已在汽缸罩蓋、轉(zhuǎn)向盤骨架、踏板等零件上采用了鎂合金，汽車工業(yè)正在汽車身件、鑄造殼體等零部件上推廣鎂合金材料，近幾年每輛車使用有色金屬材料還在增加。目前，在汽車上儀表盤底座、發(fā)動機(jī)閥蓋、座位框架、變速箱殼、方向盤軸等部件鎂合金的使用普及率最高，為汽車汽車輕量化做出了貢獻(xiàn)。

4 鑄鐵零件的薄壁化技術(shù)在汽車量化技術(shù)中的應(yīng)用

汽車工業(yè)生產(chǎn)中需要大量的鑄鐵零件，汽車工業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟(jì)的第五大支柱產(chǎn)業(yè)。汽車鑄鐵零件薄壁化、輕量化、強(qiáng)韌化是為了滿足汽車工業(yè)對鑄鐵零件能源消耗、資源少，循環(huán)再生利用率高的要求，適應(yīng)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的需要。對汽車工業(yè)而言，降低整車自重對節(jié)能、減少廢氣排放有關(guān)鍵性的意義。鑄件的薄壁高強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用也將日益成熟并將迅速拓展，將來3-5mm的高強(qiáng)薄膜球鐵件將會大量出現(xiàn)在汽車鑄鐵零件中。

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