新材料在農(nóng)機輕量化的應(yīng)用研究*

蘇麗旭，劉莉滋，何 湧

（重慶三峽學(xué)院機械工程學(xué)院，重慶 404130）

0 引言

20世紀(jì)80年代，能源危機讓全球各個國家引發(fā)了石油資源緊張，導(dǎo)致各國開始了將輕量化技術(shù)應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的研究。一些發(fā)達國家針對怎樣才能解決地方資源匱乏和環(huán)境污染惡化等問題，擬定并采用了一些強制性的法律條例與規(guī)章制度。各大品牌汽車制造商為了響應(yīng)國家號召，開始研發(fā)節(jié)約能源、環(huán)境保護、可適用輕量化、可回收的新型材料，并投入了大量的科技人才及先進設(shè)備。同時，各國政府對國內(nèi)一些企業(yè)、高等院校以及研究機構(gòu)撥款，提供資金上的幫助，用于支持汽車輕量化材料的研發(fā)，以助推汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展[1]。

如今，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，節(jié)約能源和環(huán)境保護已成為全球共同關(guān)注并亟待解決的問題。汽車使用消耗低碳化是整個設(shè)計領(lǐng)域減少排放、節(jié)約能源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)測算，車的總重降低1/10，可以減少8%的石油使用量；同時，石油的使用性價比增長7%。所以，減少污染排放、節(jié)約能源、減少車身重量之間是密不可分的[2]。

與此同時，農(nóng)業(yè)是我國重要的基礎(chǔ)行業(yè)，農(nóng)業(yè)機械化普遍代替人工作業(yè)，縮減成本，帶來了經(jīng)濟效益。將輕量化技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械上，重量減少的同時降低了油耗，更方便與農(nóng)機協(xié)同作業(yè)。從國家長遠(yuǎn)發(fā)展來看，節(jié)約了能源，保護了環(huán)境。同時，降低了農(nóng)戶生產(chǎn)成本，科研工作者研發(fā)和創(chuàng)造的時間也大大減少，極大地降低了研發(fā)成本，消費市場的競爭力也得到改善[3]。

1 輕量化現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，農(nóng)業(yè)機械輕量化技術(shù)設(shè)計在農(nóng)機設(shè)備產(chǎn)業(yè)、大型機械制造等領(lǐng)域已成為生產(chǎn)潮流，雖然我國是農(nóng)業(yè)大國，但輕量化在農(nóng)機領(lǐng)域涉及不多。目前，農(nóng)業(yè)機械輕量化的主要方法有兩個：一是改變農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的材料；二是采用先進設(shè)計手段，使機械結(jié)構(gòu)更加合理。農(nóng)機輕量化能減少資源的使用量和設(shè)計制造時的用料，并且在農(nóng)機工作時各種操作性能也得到改善，大大激發(fā)了國內(nèi)市場中農(nóng)用機械的競爭力[4]。

輕量化是在穩(wěn)定提升車輛性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，節(jié)能化、性能化地設(shè)計車體結(jié)構(gòu)零部件，使其逐漸薄壁化、中空化、集成化，從而降低農(nóng)機車架和部分機械覆蓋件的重量。對于大型農(nóng)業(yè)機械來說，降低自身重量達到減少油耗的效果，從而大大減少了能源的消耗。而且尾氣的排放量也隨之減少，進而減少對環(huán)境的污染，保護環(huán)境[5]。

從農(nóng)機作業(yè)的角度來看，輕量化后在穩(wěn)定性、噪聲和振動性也有所提高。從安全方面來看，如果農(nóng)機作業(yè)時錯誤發(fā)生急停，本身的慣性較小，制動距離就減少，預(yù)防生產(chǎn)損失。再加上在行駛碰撞過程中塑料材料的沖擊較小，因此會更安全。實現(xiàn)車體輕量化的方法有：1）車架小型化，設(shè)計小排量農(nóng)機。2）農(nóng)業(yè)機械的合理化結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計優(yōu)化。3）就現(xiàn)狀來說，解決農(nóng)業(yè)機械輕量化最關(guān)鍵方法之一就是采用新的輕量化制造材料。在汽車車架的結(jié)構(gòu)，如車身、車子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車體懸架、輪子、覆蓋件、制動等上應(yīng)用輕量化材料，都是農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選方向[6]。

目前，在輕量化方面的研究大多集中于采用新型材料，但由于制造成本、加工工藝、保護環(huán)境等方面的問題，這些材料很難用在一般農(nóng)用機械上；在設(shè)計優(yōu)化保證滿足機械零件所有力學(xué)性能的需求下，農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計才更有實際意義[7]。

2 輕量化材料

當(dāng)今，汽車優(yōu)化程度與設(shè)計制造的程度息息相關(guān)。而優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械的重中之重就是材料。由于當(dāng)今世界的潮流是節(jié)約能源和保護環(huán)境，農(nóng)機制造企業(yè)應(yīng)規(guī)劃新對策，想方設(shè)法減少損耗以及污染氣體的排放。因此，只能從降低車身重量入手。通過新型制作材料來增強汽車的綜合性，從而讓車架結(jié)構(gòu)重量減少，實現(xiàn)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展[8]。

2.1 高強度鋼

高強度鋼制造材料應(yīng)用在車輛設(shè)計制造材料中的比值，是其他類金屬制造材料的4倍，金屬制造材料的輕量化對車身重量輕量化有著舉足輕重的影響。高強度鋼本身屬性能很好地提高車輛安全駕駛和穩(wěn)定可靠性能[9]。

通過運用力學(xué)性能較好的材料以降低材料使用量，來實現(xiàn)輕量化的目的，有著巨大潛力。在保持制造費用不變的基礎(chǔ)上，保證車輛駕駛的安全可靠，可減少鋼板的厚度值，大大降低車身質(zhì)量，達到減少排放、節(jié)約能源的目的。由于高強度鋼板可以提升車輛抗碰撞能力，減輕自身重量。依靠其強度可以縮小車身結(jié)構(gòu)零件及支撐件的橫截面積，從而改善材料的抗碰撞和抗疲勞方面的性能[10]。

如今，從抗拉強度來定義劃分，車輛設(shè)計制造行業(yè)中使用最廣的制造材料是高強度鋼，其中還包括雙相鋼、馬氏體鋼等。通過自身的硬度高的優(yōu)點，減少自重的同時加強駕駛安全可靠性。目前，主要應(yīng)用在安全方面（保險杠）、主受力結(jié)構(gòu)方面（防撞梁、支撐柱）等[11]。

在農(nóng)機制造行業(yè)中，高強度鋼盡管應(yīng)用比較普遍，但也有幾個難題。比如，其本身的延伸率較低，硬度增強的同時延伸率反而慢慢下降；在制造過程中，鋼材的彎曲強度隨著長度增加而減少，經(jīng)常會出現(xiàn)回彈性能，控制難度大。隨著制造技術(shù)的不斷改善，其本身的性能獲得很大的提高，鋼的延伸率也獲得改善。使用制造行業(yè)前沿的新技術(shù)工藝達到降低車身自重的目標(biāo)，為進一步實現(xiàn)車輛領(lǐng)域輕量化作出了很大的貢獻[12]。

2.2 鋁合金

鋁合金是一種輕金屬合金，自身的密度達到了鋼的一半，但屈服強度卻跟鋼材質(zhì)的一樣，鋁材料作為輕金屬，在制造行業(yè)中使用比較廣泛。用其制造的車身能在很大程度上降低質(zhì)量數(shù)值，鋁合金相對于鋼鐵等材料，可減少一半以上，從而起到節(jié)能減排、保護環(huán)境等作用，帶來經(jīng)濟效益和社會效益。由于本身的研發(fā)費用高，現(xiàn)如今使用全鋁車身的大都集中在世界制造廠商的名牌汽車[13]。

在吸能性能方面，鋁材料要比鋼材好得多，這同時也是比鋼材普遍應(yīng)用的原因。在設(shè)計制造的相撞測驗中得出鋁材料更具有安全可靠性，當(dāng)車輛發(fā)生車禍時，通過車前部形成褶皺和變形，車前部可吸能緩沖大部分的撞擊力，從而保障車內(nèi)人員的生命安全。在應(yīng)用鋁材料制造農(nóng)業(yè)機械時，用在農(nóng)機的前后車身覆蓋件或車身橫梁等，車身質(zhì)量大大減輕，行駛速度一樣的情況下降低動能，車禍發(fā)生時能降低傷害[14]。

目前，國際競爭越來越激烈。鋁材料得不到廣泛應(yīng)用主要還是因為價格太昂貴，生產(chǎn)成本費用較高。其次，能夠修復(fù)鋁材料的廠家企業(yè)比較少?，F(xiàn)在，鋁合金材料大都應(yīng)用在車輛發(fā)動機的內(nèi)部零件上，像油底殼、內(nèi)燃機機體、活塞等[15]。

2.3 鎂合金

鎂在力學(xué)性能方面與鋁材料相仿，密度僅是鋁材料的三分之二，減震能力也比鋁的效果好，并且可回收性好，符合環(huán)保要求，是農(nóng)業(yè)機械輕量化所選用金屬制造材料中效果最好的首選材料。具有機械加工性能好、屈服強度高、重量輕等優(yōu)點，在穩(wěn)定性、減震性、散熱性方面都有不錯的效果[16]。鎂合金密度一般比鋁合金輕30%～50%，比鋼材輕65%以上。由于其良好的鑄造性能以及模態(tài)[17]，在農(nóng)業(yè)機械的各零部件的設(shè)計研究中，可用在農(nóng)機內(nèi)裝系統(tǒng)如窗框架、轉(zhuǎn)向盤、座椅底座、前端支架、車身、車門、前后艙體、儀表板、座椅、中控支架等；動力傳動系統(tǒng)中副車架、輪載、懸架、轉(zhuǎn)向器也可采用[18]。

對于農(nóng)業(yè)機械而言，節(jié)約能源、保護環(huán)境、駕駛安全、行駛舒適、更智能化和網(wǎng)絡(luò)控制是未來農(nóng)機發(fā)展的大趨勢[19]。隨著全球資源和能源危機加劇，降低能耗和污染、節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展、保護環(huán)境是大勢所趨。通過將鎂合金用于車輛的輕量化，對降低能源消耗、減少污染、保障國家安全有著極其重大的意義[20]。

現(xiàn)如今，鎂合金材料及其制品已列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展高性能鎂合金材料和技術(shù)，需要大規(guī)模宣傳和應(yīng)用。國內(nèi)的研發(fā)機構(gòu)對鎂合金研究尚處起步階段，材料本身在性能上也存在著眾多的問題。比如，它的耐腐蝕性比其他制作材料要差一些，限用于車身內(nèi)部的零件，或者車輛工作環(huán)境好的情況下[21]。因此，還需要對新的鎂合金材料和其制造成型技術(shù)進行深入研究，加大對科研人員和研究設(shè)備的投入，才能推動在農(nóng)機產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用，產(chǎn)生顯著的社會效益和經(jīng)濟效益[22]。

2.4 鈦合金

鈦合金各個方面的性能良好，相比于其他幾種材料有很大的優(yōu)勢。它的優(yōu)點是重量輕、密度低、屈服強度高、耐高溫、耐腐蝕性好等，適合用在農(nóng)業(yè)機械上。通過減輕農(nóng)機工作部件的重量以及緩解車架相關(guān)結(jié)構(gòu)零件的負(fù)載能力，提高內(nèi)部的發(fā)動機性能，能很好地降低農(nóng)機作業(yè)時的車身震動，提高工作效率[23]。

鈦材料在環(huán)保方面的性能也是不錯的。因為其本身有著新型材料的特點，所以也得到了各國汽車制造商的關(guān)注。鈦材料本身密度不高，密度值在鋁材料和鐵材料密度值之間，農(nóng)用機械將其應(yīng)用在制造設(shè)計各零件當(dāng)中，也會有相當(dāng)顯著的效果?，F(xiàn)如今，各類品牌汽車在發(fā)動機系統(tǒng)和生產(chǎn)零件上使用鈦材料也是普遍存在的[24]。

鈦材料也普遍應(yīng)用于車輛的排氣系統(tǒng)，設(shè)計制成的零器件可比其他材料制成的輕一半。在生產(chǎn)作業(yè)穩(wěn)定性和強度不變的情況下，重量越輕車速更快，并且節(jié)省燃料?，F(xiàn)如今，鈦加工技術(shù)越來越完備，一些經(jīng)過改善后的加工設(shè)備、刀具能對大型結(jié)構(gòu)件、零構(gòu)件實現(xiàn)精準(zhǔn)加工處理，大大提高了加工制造的效率[25]。

雖然車輛輕量化技術(shù)發(fā)展較快，但是鈦合金在國內(nèi)制造行業(yè)中的使用并不多，最根本問題就是鈦合金材料價格昂貴，各個零部件加工費用高，焊接技工差也是亟待解決的問題。在未來的發(fā)展趨勢中，如果可以降低原材料的研發(fā)費用，降低鈦制零部件的銷售價格，并通過有效的加工方法改善鈦合金性能，就能促使鈦合金在各個領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展[26]。

2.5 復(fù)合材料

塑料金屬復(fù)合材料。由于各種塑料金屬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)致密，老化程度相對較小，擁有良好的保溫防水和隔熱性、耐腐蝕性，容易用于制造和加工成型車輛中一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要零配件[27]。所以汽車使用的各種塑料金屬復(fù)合材料及其制造工藝加工簡便，耐沖擊，隔熱性能好，設(shè)計利用空間大，外觀設(shè)計多樣化，絕熱保溫性能良好。目前，在新一代能源和純電動車輛中，塑料金屬復(fù)合材料是能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、輕質(zhì)量和小量化技術(shù)應(yīng)用的重要復(fù)合材料[28]。比如，塑料鋼的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)要低于鋁和鎂合金，是一種十分典型的輕質(zhì)重量化耐用建筑材料。

塑料材料在非金屬制造中普遍應(yīng)用的是聚丙烯和聚氨酯等。它有著抗腐蝕性強、費用低、重量輕等優(yōu)點，能提高車輛整體舒適性，對于車輛裝飾美化方面有著顯著效果。在整個車輛設(shè)計構(gòu)造中內(nèi)飾件、外飾件都采用塑料材質(zhì)，盡管國內(nèi)車輛制造中應(yīng)用最少就是非金屬材料，但仍然占到總車質(zhì)量的5%[29]。

一般民用級別的復(fù)合材料由于其強度問題，主要用在后排的座底骨架，且由于其成本問題，現(xiàn)階段主要的進展在通過有限元軟件進行優(yōu)化上，并無太多的實際使用。另外，成本高也是使用少的原因。待以后生產(chǎn)費用成本有所降低后，實際應(yīng)用可能性才有所提升和推廣。

3 結(jié)語

目前，機械設(shè)計制造輕量化已是大勢所趨，現(xiàn)代汽車制造、工程機械制造、重工業(yè)制造等領(lǐng)域，鎂、鋁合金、鋼材、復(fù)合材料、鈦合金等材料已經(jīng)有了不同程度的應(yīng)用。但恰恰在我國這樣一個以農(nóng)業(yè)為主的國家，輕量化農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造反而特別少。主要應(yīng)用在大型的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品，而應(yīng)對各種場景、性能、功能的產(chǎn)品，面向中小類車型推廣，減少輕量化零件費用等問題，亟需進一步研究和解決[30]。

因此，要增強我國農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品在國際市場的競爭力，就必須大力推廣輕量化產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用優(yōu)勢，有效降低機械原料的大量使用，減少燃耗，增強農(nóng)業(yè)機械操作和運行的穩(wěn)定性[31]。因此，隨著國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械向高端和環(huán)?；姆较虬l(fā)展，輕量化的產(chǎn)品設(shè)計在一定程度可能會逐漸成為國內(nèi)大型農(nóng)機、機械制造企業(yè)未來發(fā)展的重心。同時，農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計能有效降低資源消耗，減少環(huán)境污染，推動農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[32]。