目前幾乎所有的優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路都是在保持車(chē)身性能不下降的前提下降低車(chē)身重量，通過(guò)給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的車(chē)身結(jié)構(gòu)；與此同時(shí)，大量的新材料新工藝也在幫助車(chē)身降低重量。本文興迪源機(jī)械帶來(lái)分享 | 常見(jiàn)輕量化材料的優(yōu)缺點(diǎn)。
一、為什么要推行輕量化：
1.1 基于環(huán)保的考慮
世界各國(guó)均在推行強(qiáng)制汽車(chē)制造商降低汽車(chē)油耗的政策。有研究數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車(chē)整車(chē)重量，每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，CO2排放量可減少約5g/km。由此可見(jiàn)，汽車(chē)輕量化可以提高燃油效率和降低油耗，進(jìn)而環(huán)保節(jié)能。所以，汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)企業(yè)的共識(shí)。
1.2 倒逼汽車(chē)制造技術(shù)的升級(jí)換代
如果不能保證行駛安全，汽車(chē)再輕再省油，沒(méi)有誰(shuí)敢開(kāi)。如果追求絕對(duì)的安全和耐撞，那就只能開(kāi)重達(dá)數(shù)十噸的坦克，忍受每小時(shí)數(shù)百升的耗油量。因此輕量化是汽車(chē)制造的趨勢(shì)，目前輕量化主要是減少汽車(chē)自重，但是，車(chē)身作為汽車(chē)的主要承載件，需要保證足夠的剛度、強(qiáng)度和疲勞耐久性能，從而使整車(chē)具有良好的安全、振動(dòng)噪音和耐久性能，而輕量化無(wú)疑對(duì)上述要素提出了更高的要求，這對(duì)倒逼汽車(chē)制造技術(shù)升級(jí)換代無(wú)疑是一大刺激。
二、實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的基本原理：
2.1 保證足夠的剛度
剛度指的是材料抵抗外力變形的能力，通常在車(chē)身開(kāi)發(fā)中特指材料在屈服前的彈性特性，良好的剛度是整車(chē)NVH性能、車(chē)輛動(dòng)力性能和疲勞耐久性能的基礎(chǔ)，常見(jiàn)的評(píng)判指標(biāo)有車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度等。剛度與材料的彈性模量相關(guān)，基本上材料種類(lèi)確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強(qiáng)鋼并不會(huì)提升車(chē)身的剛性，因?yàn)殇摰膹椥阅Ａ慷家粯印?/span>
2.2 保證足夠的強(qiáng)度。
強(qiáng)度是指零件受到?jīng)_擊載荷發(fā)生屈服后仍能維持功能的能力，常用于車(chē)身碰撞安全性、耐沖擊等性能的評(píng)估。強(qiáng)度與材料的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度相關(guān)，為了提升車(chē)子的安全性能，現(xiàn)代車(chē)身設(shè)計(jì)大量采用高強(qiáng)度鋼材就是這個(gè)原因。
2.3 保持良好的疲勞耐久性能。
疲勞耐久性能是指零件受長(zhǎng)期交變載荷后維持功能的能力，車(chē)子的可靠性、耐用性就是基于此進(jìn)行評(píng)估的。疲勞耐久特性與材料的疲勞曲線相關(guān)，當(dāng)然，在車(chē)子上更重要的是焊點(diǎn)或其他連接方式的疲勞性能。
三、實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的途徑：
3.1 優(yōu)化車(chē)聲結(jié)構(gòu)，提高材料利用率。
比如車(chē)身下部由非連續(xù)性改為連續(xù)性，使得汽車(chē)在碰撞時(shí)有效分散撞擊能量；增加加強(qiáng)筋；加強(qiáng)防滾架平衡桿；有限元法設(shè)計(jì)；采用承載式車(chē)身，減薄車(chē)身板料厚度等。
3.2 新材料的研發(fā)與應(yīng)用：
比如使用高強(qiáng)度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。
3.3 優(yōu)化制造工藝：
比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。
再比如結(jié)構(gòu)膠，過(guò)去烘烤硬化結(jié)構(gòu)膠只在車(chē)身上有少量應(yīng)用，但是現(xiàn)在的趨勢(shì)是可以通過(guò)采用更多的結(jié)構(gòu)膠提升車(chē)身剛度性能，從而降低結(jié)構(gòu)件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車(chē)身上采用了超過(guò)100米的結(jié)構(gòu)膠；再比如填充在車(chē)身接頭的發(fā)泡硬化材料，可以有效替代傳統(tǒng)加強(qiáng)板形式的加強(qiáng)件，即提升性能，又降低重量。
可見(jiàn)目前幾乎所有的優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路都是在保持車(chē)身性能不下降的前提下降低車(chē)身重量，通過(guò)給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的車(chē)身結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，大量的新材料新工藝也在幫助車(chē)身降低重量。
四、常見(jiàn)輕量化材料的優(yōu)缺點(diǎn)：
4.1 鋁合金
優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、耐磨、耐腐蝕、彈性好、抗沖擊性能優(yōu)、加工成型好和100%可回收等特點(diǎn)，逐漸成為汽車(chē)企業(yè)鐘愛(ài)的材料。福特公司日前展示了 一款與美國(guó)能源部合作開(kāi)發(fā)的基于Fusion/蒙迪歐打造的輕量化技術(shù)驗(yàn)證車(chē)，由于使用大量鋁合金，該款車(chē)比標(biāo)準(zhǔn)版的蒙迪歐輕了363公斤，減重約25%。路虎攬勝越野車(chē)、大眾奧迪A8、奔馳CLA、通用雪佛蘭Corvette跑車(chē)等車(chē)身部分或全部采用鋁材料。新能源車(chē)方面，特斯拉Model S車(chē)型是全鋁車(chē)身，其前后懸架大部分材料也采用鋁材。
缺點(diǎn)：鋁合金的抗承載能力較鋼有很大的差距，所以即使是市面上全鋁車(chē)身的汽車(chē)，其底盤(pán)一般仍然采用鋼鐵材料。而且，鋁合金的制備工藝復(fù)雜，成本相對(duì)較高。目前，較多使用鋁合金的車(chē)型往往是中高檔的汽車(chē)。
4.2 鎂合金
優(yōu)點(diǎn)：鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，也是汽車(chē)輕量化材料中的一員。純鎂的密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度。而且鎂合金的比強(qiáng)度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強(qiáng)度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量減輕大約25%。此外，鎂合金還有良好的焊接和鑄造性能、對(duì)振動(dòng)與沖擊的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于機(jī)械加工。
缺點(diǎn)：由于價(jià)格較高和高溫抗蠕變問(wèn)題尚未得到有效解決，鎂合金目前主要應(yīng)用于儀表盤(pán)基座、風(fēng)扇架、方向盤(pán)軸、燈托架等汽車(chē)零部件中。
4.3 碳纖維
優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。寶馬最新的i3就采用了一個(gè)碳纖維的頂棚。
缺點(diǎn)：碳纖維是脆性材料，受力過(guò)大直接斷裂，因此損壞后基本無(wú)法修復(fù)。它高強(qiáng)度只限于軸向，徑向強(qiáng)度較低。最致命的是高昂的成本，使得碳纖維目前只能局限在部分超豪華車(chē)型上，難以普及。例如雷克薩斯推出的全碳纖維車(chē)身和底盤(pán)的LFA，售價(jià)高達(dá)30萬(wàn)-40萬(wàn)英鎊。很明顯，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，碳纖維不會(huì)成為汽車(chē)的主要材料。
4.4 工程塑料
優(yōu)點(diǎn)：具有質(zhì)輕、防銹、吸震、可設(shè)計(jì)自由大等特點(diǎn)，工程塑料在汽車(chē)零部件，特別是內(nèi)飾部件的應(yīng)用越來(lái)越大。工程塑料在汽車(chē)上的用量，甚至超過(guò)了鑄鐵的用量。很多塑料零件應(yīng)用于車(chē)身上，比如大眾系的車(chē)子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車(chē)子有塑料的后地板等等。
缺點(diǎn)：滿滿的塑料感，檔次低。
4.5 鋼鐵材料
提高性能：高強(qiáng)度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金、碳纖維具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足減輕汽車(chē)質(zhì)量和提高碰撞安全性能的雙重需要。從成本與性能角度雙重來(lái)看，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是滿足車(chē)身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。高強(qiáng)鋼，通過(guò)提升鋼材的屈服強(qiáng)度，使同樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下，縱梁能吸收更多能量，A柱B柱不發(fā)生明顯變形等等。現(xiàn)在屈服強(qiáng)度1000MPa的熱成形鋼已經(jīng)普及了，未來(lái)屈服強(qiáng)度超過(guò)2000MPa的馬氏體鋼也已經(jīng)開(kāi)始了產(chǎn)業(yè)化。
降低成本：在保證性能的前提下，生產(chǎn)廠商會(huì)使用成本更低的材料，以獲得更高的利潤(rùn)。以我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的易拉罐為例。寶鋼生產(chǎn)的鋼制易拉罐，罐壁最薄處只有0.007毫米，毫不遜色于鋁制易拉罐，而且能耗更低、更容易降解。最重要的是，每個(gè)鋼制易拉罐比鋁制易拉罐的成本少1分錢(qián)。這就意味著寶鋼每年向可口可樂(lè)公司提供數(shù)十億個(gè)鋼制易拉罐，其節(jié)省成本約上千萬(wàn)。
【興迪源機(jī)械簡(jiǎn)介】
興迪源機(jī)械(Xingdi Machinery)是一家專(zhuān)注流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備制造企業(yè)。自2007年創(chuàng)立以來(lái)，興迪源機(jī)械一直致力于內(nèi)高壓成形的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)。主營(yíng)產(chǎn)品范圍從生產(chǎn)普通液壓設(shè)備，現(xiàn)今發(fā)展至生產(chǎn)、研發(fā)國(guó)內(nèi)頂尖流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備。
目前，興迪源內(nèi)高壓成形智能設(shè)備已運(yùn)用在制造航空、航天、核電、石化、汽車(chē)、摩托車(chē)、自行車(chē)業(yè)的沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形或異形截面空心構(gòu)件以及管路配件的生產(chǎn)制造中。同時(shí)也適用于生產(chǎn)航空飛行器上輕體構(gòu)件有空心結(jié)構(gòu)框架、發(fā)動(dòng)機(jī)上中空軸類(lèi)件、進(jìn)排氣系統(tǒng)異型管和復(fù)雜管件等。
