汽车车身轻量化材料的应用实践探究

2018-09-18 14:12:00
陆启蒙
原创
3909

摘要:当前车身 轻量化目标的实现途径主要是 轻量化材料的应用,随着车身轻量化需求的提升,车身轻量化材料的应用也不断增多。主要针对几种车身轻量化材料的特征进行了分析,针对车身结构性能及相关特点进行了研究,阐述了轻量化材料在 汽车车身中的实践应用及发展前景。

在汽车设计与制造中,轻量化车身是发展的趋势。汽车轻量化的实现是在确保汽车安全性与强度的基础上,尽可能的将自身重量降低,从而使汽车的运载能力提升、油耗降低、污染气体排放减少等。相关资料显示,汽车重量降低 10%,燃油消耗可降低 6%-10%,因此汽车轻量化也是节能环保的要求。现阶段,车身轻量化研究的方向主要是车身结构的优化和轻质车身材料的选择,而其中发展的空间较大的是对轻量
材料的研究,这也是车身轻量化实现的主要途径。

1 新型高强度钢

近年来,随着科学技术的发展,在原高强度钢的基础上研究出高强度、深拉伸性、烘烤硬化等新型高强度钢。现阶段,车身采用的主要板材与管材主要是高强度钢,

如:(1)烘烤硬化钢,该钢板的强度在烘烤涂漆过程中强化,钢板的厚度可以降低,但其抗凹陷性得到提高,在成形难和强度高的零件中应用较多,如车门、车顶等部位;

(2)相变诱发塑性钢,属于一种高强度结构件,在发生碰撞的时候可以将撞击的能量吸收,主要用于车身框架结构中;

(3)马氏体相位钢,在防撞要求比较高的零件中应用较多,可在短时间内的碰撞行程中,将大量的能量吸收掉,主要用于车身侧方防撞保护件中;

(4)硼钢,在高成形度与高强度零件中应用较多。以上高强度钢的应用,可以显著降低车身重量,降低整车总重量。

2 轻合金材料

2.1 铝合金材料

在汽车轻量化材料中,铝材是非常理想的材料,其重量轻、资源丰富,在节约资源、再生利用、耐腐蚀、吸收冲击能等方面的作用非常明显。铝材在车身上应用,主要以变形铝合金为主。不同的变形铝合金的性能是不同的,可以根据性能用于车身不同部位,如根据刚度和强度,可用于发动机罩、车厢盖等位置。现阶段 AI-LI 型铝合金以其高弹性模量、高强度、低密度、超塑性等优势,在车辆防震板中已经得到
了广泛的应用。铝合金的成型性较好,车体结构采用铝合金型材作为框架,通常中强度铝材即可满足要求。对于挤压铝合金型材,除了刚性高和重量轻以外,其耐腐蚀、耐高温等特性也较为突出。一般铝制车身选择厚壁锻铝梁焊接而成,其强度与刚度高于冲压薄钢,框架整体稳定性更高。从铝板覆盖件的应用与发展来看,表面质量优良、强度高、成型加工性好的铝板会逐步取代钢板成为车身轻量化发展中的主要材料。与钢板相比,相同强度铝板质量降低了近 50%。受我国铝的产量、价格及 汽车制造水平等因素影响,铝材现今在汽车中使用量还不是很大。因此,降低成本、提高质量、增加品种已经成为我国汽车行业与铝加工行业向世界先进水平发展的主要方向。

2.2 镁合金材料

与铝合金相比,镁合金的密度更小,重量更轻,而且其耐腐蚀、耐挤压、耐高温的特性都要高于铝材,并且便于回收,是当前汽车节能环保的重要结构材料。现阶段应用在汽车车身上的镁合金材料有日本生产的 IM Mg-Y 系变形镁合金、美国生产高强度 ZK60 变形镁合金,以及一些可以进行加工的镁合金板材。目前,西方国家正在研究应用于汽车零部件的镁合金汽车零部件已经近百种,如果这些零部件能够对现有汽车零部件全部进行成功替换,那么车身重量会大大降低。我国属于镁资源生产大国,而且镁矿产品种类多、储量大,占世界可用镁资源的七成左右。而且镁合金生产企业在我国也非常多,关于镁合金汽车用零配件项目在多个企业中已经开始研发并生产。在汽车上镁合金材料的应用逐渐增加,从其发展的趋势来看,镁合金材料在以后的汽车工业发展中,必定是车身轻量化发展中的重要材料。

3 工程塑料及复合材料

在汽车轻量化材料中,工程塑料与复合材料是也重要的类型。

工程塑料和一般的塑料相比,具有尺寸稳定、耐磨、耐热、耐化学性、机械性能良好等优势,并且质量非常轻,如果取代车身部分金属零部件,车身质量必定会大大降低。现阶段,工程塑料主要用在车体内饰和外饰等装饰件上,如仪表盘、车门内板、顶棚、车门防撞条、散热器罩、车床、座椅支架等,和金属材料相比,重量可减轻 40%左右。工程塑料对轻微碰撞与腐蚀有较好的耐受性,低速碰撞条件下,不需要维修。从制造角度看,其成形方便,零件集成容易,是理想的轻量化材料。

纤维增强塑料属于一种复合材料,比较常用的是带有热固性树脂和玻璃纤维的纤维增强塑料。这种材料设计灵活、密度小、耐腐蚀、易成型、抗震、抗冲击、强度高、具有和金属材料类似的机械性能,在一些特定条件下,有金属薄板所达不到的优势,降低车身重量的能力高于铝材,而且生产成本较低。当前在车身使用的主要是玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料,用于前挡泥板延伸部件、灯罩、前翼子板、发动机罩等部位。此外,碳纤维也是一种纤维状复合材料,碳纤维增强聚合物基复合材料的抗拉强度与韧性较好,质量仅为钢材的 1/4,而强度高、重量轻的性能正适应了当前车身轻量化发展的需求,但由于该材料的成本相对较高,因此当前只应用于高端汽车中。

4 结语

现阶段,大多数的车辆车身材料主要有高强度钢、铝、镁及工程塑料等材料。而基于这些基础材料而出现的一些新技术、新工艺、新材料的研发,使汽车产品设计中可采用多种轻量化材料,大大降低了车身重量,提高了车辆的运载能力、降低了油耗、保护了环境。因此,轻量化车身设计是汽车工业发展的一个重要方向。


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