面向環境的汽車輕量化技術及應用

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。汽車輕量化對節省資源、能源和保護環境具有重要意義。文章論述了復合材料、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中的應用。

關鍵詞：面向環境；汽車輕量化；節約能源

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量最大國，汽車工業是我國的支柱產業之一。汽車燃油消耗量越大，廢氣排放量越多。隨著可持續發展理念的深入人心，充分考慮汽車選材、生產、加工等環節對節省資源、能源、保護環境的要求，從而提高汽車使用中對資源及能源的利用效率，降低成本，提高質量，增大可靠性，延長設備使用壽命。現代汽車選用材料除滿足力學性能和使用壽命的基本要求外，還應滿足比強度、比模量、價格、外觀、環保、安全、節能等需要。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，如降噪音、消震動、合理氣流、減重量和降低成本等。因此，應用和研制輕型汽車材料，提高汽車發動機功效，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展中面臨的挑戰。

2 復合材料在汽車量化技術中的應用

汽車量化技術中應用的復合材料主要有金屬基復合材料和聚合物基復合材料。復合材料的各組分之間的協同作用，使其能夠取長補短，獲得基體材料和增強材料所沒有的新性能。汽車用復合材料不僅可進行各組分之間選擇材料設計，還可以根據結構特點進行復合結構設計，通過改變增強體的比例進行設計。大部分金屬基復合材料的增強材料具有密度小，剛度大，強度高等性能特點；金屬基復合材料的基體材料具有成形性能好的特點。目前，金屬基復合材料已逐步取代部分金屬合金，廣泛應用于汽車發動機活塞、連桿、軸瓦、電器原件、保險杠等。滿足汽車發動機向高負荷、高速、增壓方向發展要求，從而減輕汽車自重，節約材料，節約燃油，減少廢氣排放，保護環境。聚合物基復合材料的具有較大的比強度、比模量大是其最突出的特點。玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料有較高的比模量、比強度；碳纖維、有機纖維、硼纖維增強聚合物基復合材料的比強度相當于鈦合金的3-5倍，比模量相當于金屬材料的4倍之多。聚合物基復合材料還具有耐疲勞性能好的特點，復合材料纖維與基體的界面能有效阻止內部裂紋的擴展，使其疲勞破壞從纖維的薄弱環節開始進行，然后逐漸擴展到結合面上，破壞前有明顯的預兆。聚合物基復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合材料產品。同時聚合物基復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，可以有效吸收高溫燒蝕時的大量熱能；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、優良的耐腐蝕性能、特殊的光學、電學、磁學的特性。目前聚合物基復合材料廣泛應用于汽車燃油管、汽車散熱器水箱部件、底盤、發動機等零部件，可以有效的減輕汽車自重，提高發動機效率。特別是碳纖維增強尼龍復合材料應用于汽車工業中，作為發動機內部零件，使用增強及自潤滑的高性能復合材料上進展很快。碳（石墨）纖維增強聚合物復合材料用于制造發動機零件汽車車身等，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展方向之一。

3 輕有色金屬及其合金在汽車量化技術中的應用

有色金屬及其合金具有密度小、加工工藝性能好、耐腐蝕性能好等優點。鋁合金擠壓型材應用于無骨架式車體結構和空間框架車體結構，使得車身外板具有各種復雜斷面形狀和中空狀型材，具有比重小，比強度大，制造成本低的優點。用中空鋁型材作車身結構和保險杠與鋼材件具有同等的抗沖擊強度，車身重能大大減輕，當汽車發生意外時，還能吸收沖擊能，保護乘客安全。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、空調系統、窗框、保險杠、座椅、換熱器擾流板等。鎂合金比鋁合金輕，其比強度及比剛度高，減振性能優良，彈性模量較低，具有優良的切削加工性能及鑄造性能。鎂合金以其優良的可回收性、導熱性，被譽為綠色工程材料，有人稱其為21世紀的時代金屬。鎂合金代替鋼鐵，使設備重量大大減輕。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實施，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、轉向盤骨架、踏板等零件上采用了鎂合金，汽車工業正在汽車身件、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、發動機閥蓋、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。

4 鑄鐵零件的薄壁化技術在汽車量化技術中的應用

汽車工業生產中需要大量的鑄鐵零件，汽車工業已成為我國國民經濟的第五大支柱產業。汽車鑄鐵零件薄壁化、輕量化、強韌化是為了滿足汽車工業對鑄鐵零件能源消耗、資源少，循環再生利用率高的要求，適應建設環境友好型、資源節約型社會的需要。對汽車工業而言，降低整車自重對節能、減少廢氣排放有關鍵性的意義。鑄件的薄壁高強化技術應用也將日益成熟并將迅速拓展，將來3-5mm的高強薄膜球鐵件將會大量出現在汽車鑄鐵零件中。

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