3. 2新材料的應(yīng)用

　　目前可用來(lái)減輕汽車自重的材料有2大類:

　　一是輕質(zhì)材料,如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等,另一類是高強(qiáng)度材料,如高強(qiáng)度鋼。

　　1)鋁合金

　　鋁的密度只有鋼鐵的1 /3, 具有良好的機(jī)械性能,耐腐蝕性、導(dǎo)熱性好。其合金還具有高強(qiáng)度、易回收、吸能性好等特點(diǎn)。但鋁合金加工難度比鋼材高,焊接性能差。

　　當(dāng)前汽車用鋁合金以鑄件為主,約占汽車用鋁量的80% ,用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件。如轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、離合器殼、保險(xiǎn)杠、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)托架等幾十種零件。最近,重型車發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)氣歧管、油底殼、飛輪殼和齒輪室罩蓋等零件也已開始大量采用鋁合金鑄件。變形鋁合金在車身零件及結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用方面也發(fā)展較快,如鋁合金車廂蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、提升式后車門、前端翼子板、保險(xiǎn)杠、車廂底板結(jié)構(gòu)件、熱交換器、車輪以及全鋁車身等。預(yù)計(jì)鋁將會(huì)成為僅次于鋼的第2大汽車材料。

　　2)鎂合金

　　鎂的密度只有1. 8 g/ cm3 , 鎂合金性能與鋁合金相似,是當(dāng)前最理想、重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。但其鑄造性差,后處理工藝復(fù)雜,成本高。我國(guó)的鎂資源非常豐富,儲(chǔ)量占世界首位,因此前景非常廣闊。目前已大批量應(yīng)用鎂的主要是車身和底盤零件,如儀表盤骨架與橫梁、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤、進(jìn)氣歧管,以及各種支架、罩蓋等。

　　3)塑料及非金屬基復(fù)合材料

　　采用塑料和非金屬基復(fù)合材料一般可減輕部件的重量35%左右。低密度與超低密度片狀成型塑料是由非金屬為主的有機(jī)物組成的,具有密度小,成型性好,耐腐蝕,防振,隔音隔熱等性能,同時(shí)又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。

　　目前,塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上,如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護(hù)板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件、功能件和車身覆蓋件方向發(fā)展。

　　復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料,是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。復(fù)合材料( SMC)密度小,設(shè)計(jì)靈活美觀,易設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu),耐腐蝕,隔熱隔電,耐沖擊,抗振等。在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過(guò)了鋁材,整體成本更低。目前玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛,尤其在歐美車系中。

　　4)不銹鋼

　　采用高強(qiáng)度不銹鋼板試制的轎車前側(cè)防撞弓形梁和保險(xiǎn)杠、后擋板、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、LPG瓶等零部件,輕量幅度一般可達(dá)30%左右[ 6 ] 。但不銹鋼成本較高,降低成本的主要途徑有2個(gè),一是選用價(jià)格相對(duì)較低的材料;二是通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化,如減少零件數(shù)、取消防蝕處理、表面處理等,消化一部分因材料升高的費(fèi)用。

　　5)精細(xì)陶瓷

　　精細(xì)陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來(lái)的第3大類材料。它具有優(yōu)良的力學(xué)性能(包括高溫強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學(xué)性能(包括耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等) 。它用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及熱交換器等零件,不僅使之減輕重量,而且使功率提高,油耗大大下降。

　　6)高強(qiáng)度鋼

　　高強(qiáng)度鋼與鋁合金、塑料相比,具有價(jià)格低、彈性模量高、剛性好、耐沖擊性好、抗疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn),缺點(diǎn)是耐腐蝕性差。

　　目前汽車使用的高強(qiáng)度鋼主要為板材與管材,它取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其它結(jié)構(gòu)件,如北美開發(fā)的PNGV2Class級(jí)轎車,其車身全部采用高強(qiáng)度鋼,質(zhì)量只有218 kg,與全鋁車身相當(dāng)。此外,采用液壓成形技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼構(gòu)件也越來(lái)越多,如發(fā)動(dòng)機(jī)托架、散熱器支架、儀表板橫梁、座椅骨架,以及輕型車后橋殼和車架等。

　　最新的應(yīng)用情況表明,有些鋁合金、鎂合金零件,如保險(xiǎn)杠、車輪、骨架、前門、后門、橫梁等,又轉(zhuǎn)而采用高強(qiáng)度鋼。為滿足更為嚴(yán)格的安全法規(guī)要求(如側(cè)面碰撞) ,各大汽車公司均加快了高強(qiáng)度鋼在汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向系零件上的應(yīng)用,高強(qiáng)度鋼在汽車中的應(yīng)用逐年增加,預(yù)計(jì)高強(qiáng)度鋼在轎車用鋼中所占的比例會(huì)達(dá)到60%。

　　4、汽車的輕量化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程

　　德國(guó)Paderbom大學(xué)的Hahn等提出了“多材料組合的輕量化結(jié)構(gòu)”和“合適的材料用在合適的部位”2個(gè)觀點(diǎn)。他們認(rèn)為多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)多材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,既能改進(jìn)汽車性能,又能顯著減輕質(zhì)量。而“合適的材料用在合適的部位”是實(shí)現(xiàn)多材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必然選擇。當(dāng)前汽車使用材料的組合仍以高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和塑料為主。

　　汽車零部件的多材料設(shè)計(jì)、部件的零件化(減少零件設(shè)計(jì))的發(fā)展推動(dòng)了材料技術(shù)與汽車設(shè)計(jì)、制造工藝越來(lái)越緊密的結(jié)合。激光拼焊、液壓成形、金屬半固態(tài)加工以及不同材料的連接技術(shù)等新技術(shù)就是在這種發(fā)展趨勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。

　　汽車的輕量化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在開發(fā)應(yīng)用新材料的同時(shí),不斷發(fā)展相應(yīng)的汽車零部件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù),這樣才能以最低的成本獲取最佳的輕量化效果。