分享 | 常见轻量化材料的优缺点

行业动态     |     2020-04-16
摘要:目前几乎所有的优化设计的思路都是在保持车身性能不下降的前提下降低车身重量,通过给定的工况下求出载荷的最佳传递路径,从而设计出最优的车身结构;与此同时,大量的新材料新工艺也在帮助车身降低重量。本文兴迪源机械带来分享 | 常见轻量化材料的优缺点。

  目前几乎所有的优化设计的思路都是在保持车身性能不下降的前提下降低车身重量,通过给定的工况下求出载荷的最佳传递路径,从而设计出最优的车身结构;与此同时,大量的新材料新工艺也在帮助车身降低重量。本文兴迪源机械带来分享 | 常见轻量化材料的优缺点。
 
  一、为什么要推行轻量化
 
  1.1 基于环保的考虑
 
  世界各国均在推行强制汽车制造商降低汽车油耗的政策。有研究数据显示,汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;汽车整车重量,每减少100kg,百公里油耗可降低0.3-0.6升,CO2排放量可减少约5g/km。由此可见,汽车轻量化可以提高燃油效率和降低油耗,进而环保节能。所以,汽车轻量化已成为汽车企业的共识。
 
 
  1.2 倒逼汽车制造技术的升级换代
 
  如果不能保证行驶安全,汽车再轻再省油,没有谁敢开。如果追求绝对的安全和耐撞,那就只能开重达数十吨的坦克,忍受每小时数百升的耗油量。因此轻量化是汽车制造的趋势,目前轻量化主要是减少汽车自重,但是,车身作为汽车的主要承载件,需要保证足够的刚度、强度和疲劳耐久性能,从而使整车具有良好的安全、振动噪音和耐久性能,而轻量化无疑对上述要素提出了更高的要求,这对倒逼汽车制造技术升级换代无疑是一大刺激。
 
  二、实现汽车轻量化的基本原理
 
  2.1 保证足够的刚度
 
  刚度指的是材料抵抗外力变形的能力,通常在车身开发中特指材料在屈服前的弹性特性,良好的刚度是整车NVH性能、车辆动力性能和疲劳耐久性能的基础,常见的评判指标有车身扭转刚度等。刚度与材料的弹性模量相关,基本上材料种类确定,弹性模量也就确定了,比如采用高强钢并不会提升车身的刚性,因为钢的弹性模量都一样。
 
  2.2 保证足够的强度。
 
  强度是指零件受到冲击载荷发生屈服后仍能维持功能的能力,常用于车身碰撞安全性、耐冲击等性能的评估。强度与材料的屈服强度和断裂强度相关,为了提升车子的安全性能,现代车身设计大量采用高强度钢材就是这个原因。
 
  2.3 保持良好的疲劳耐久性能。
 
  疲劳耐久性能是指零件受长期交变载荷后维持功能的能力,车子的可靠性、耐用性就是基于此进行评估的。疲劳耐久特性与材料的疲劳曲线相关,当然,在车子上更重要的是焊点或其他连接方式的疲劳性能。
 
  三、实现汽车轻量化的途径
 
  3.1 优化车声结构,提高材料利用率。
 
  比如车身下部由非连续性改为连续性,使得汽车在碰撞时有效分散撞击能量;增加加强筋;加强防滚架平衡杆;有限元法设计;采用承载式车身,减薄车身板料厚度等。
 
  3.2 新材料的研发与应用:
 
  比如使用高强度钢材(热成型钢材)、轻合金(铝合金、碳纤维、镁合金)、记忆金属(微晶钢)、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等。
 
  3.3 优化制造工艺:
 
  比如激光焊接、搅拌摩擦焊、挤压成型、热处理、锁锚连接等。
 
  再比如结构胶,过去烘烤硬化结构胶只在车身上有少量应用,但是现在的趋势是可以通过采用更多的结构胶提升车身刚度性能,从而降低结构件的重量,奥迪、沃尔沃的一些车身上采用了超过100米的结构胶;再比如填充在车身接头的发泡硬化材料,可以有效替代传统加强板形式的加强件,即提升性能,又降低重量。
 
  可见目前几乎所有的优化设计的思路都是在保持车身性能不下降的前提下降低车身重量,通过给定的工况下求出载荷的最佳传递路径,从而设计出最优的车身结构。与此同时,大量的新材料新工艺也在帮助车身降低重量。
 
 
  四、常见轻量化材料的优缺点
 
  4.1 铝合金
 
  优点:质量轻、耐磨、耐腐蚀、弹性好、抗冲击性能优、加工成型好和100%可回收等特点,逐渐成为汽车企业钟爱的材料。福特公司日前展示了 一款与美国能源部合作开发的基于Fusion/蒙迪欧打造的轻量化技术验证车,由于使用大量铝合金,该款车比标准版的蒙迪欧轻了363公斤,减重约25%。路虎揽胜越野车、大众奥迪A8、奔驰CLA、通用雪佛兰Corvette跑车等车身部分或全部采用铝材料。新能源车方面,特斯拉Model S车型是全铝车身,其前后悬架大部分材料也采用铝材。
 
  缺点:铝合金的抗承载能力较钢有很大的差距,所以即使是市面上全铝车身的汽车,其底盘一般仍然采用钢铁材料。而且,铝合金的制备工艺复杂,成本相对较高。目前,较多使用铝合金的车型往往是中高档的汽车。
 
  4.2 镁合金
 
  优点:镁合金是工程应用中最轻的结构材料,也是汽车轻量化材料中的一员。纯镁的密度仅为铝的2/3,钢的1/4,接近工程塑料的密度。而且镁合金的比强度也比铝合金、钢铁高。因此在不降低零部件强度条件下,镁合金铸件比铝铸件的重量减轻大约25%。此外,镁合金还有良好的焊接和铸造性能、对振动与冲击的吸收性能好,抗凹陷性能好,易于机械加工。
 
  缺点:由于价格较高和高温抗蠕变问题尚未得到有效解决,镁合金目前主要应用于仪表盘基座、风扇架、方向盘轴、灯托架等汽车零部件中。
 
  4.3 碳纤维
 
  优点:强度高。碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。宝马最新的i3就采用了一个碳纤维的顶棚。
 
  缺点:碳纤维是脆性材料,受力过大直接断裂,因此损坏后基本无法修复。它高强度只限于轴向,径向强度较低。最致命的是高昂的成本,使得碳纤维目前只能局限在部分超豪华车型上,难以普及。例如雷克萨斯推出的全碳纤维车身和底盘的LFA,售价高达30万-40万英镑。很明显,在相当长时期内,碳纤维不会成为汽车的主要材料。
 
  4.4 工程塑料
 
  优点:具有质轻、防锈、吸震、可设计自由大等特点,工程塑料在汽车零部件,特别是内饰部件的应用越来越大。工程塑料在汽车上的用量,甚至超过了铸铁的用量。很多塑料零件应用于车身上,比如大众系的车子都采用了塑料的前端水箱框架,有些车子有塑料的后地板等等。
 
  缺点:满满的塑料感,档次低。
 
  4.5 钢铁材料
 
  提高性能:高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较铝、镁合金、碳纤维具有明显的优势,能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要。从成本与性能角度双重来看,先进高强度钢是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。高强钢,通过提升钢材的屈服强度,使同样结构设计的情况下,纵梁能吸收更多能量,A柱B柱不发生明显变形等等。现在屈服强度1000MPa的热成形钢已经普及了,未来屈服强度超过2000MPa的马氏体钢也已经开始了产业化。
 
  降低成本:在保证性能的前提下,生产厂商会使用成本更低的材料,以获得更高的利润。以我们日常生活中常见的易拉罐为例。宝钢生产的钢制易拉罐,罐壁最薄处只有0.007毫米,毫不逊色于铝制易拉罐,而且能耗更低、更容易降解。最重要的是,每个钢制易拉罐比铝制易拉罐的成本少1分钱。这就意味着宝钢每年向可口可乐公司提供数十亿个钢制易拉罐,其节省成本约上千万。
 
  【兴迪源机械简介
 
  兴迪源机械(Xingdi Machinery)是一家专注流体压力成形技术的锻压设备制造企业。自2007年创立以来,兴迪源机械一直致力于内高压成形的技术创新和产品研发。主营产品范围从生产普通液压设备,现今发展至生产、研发国内顶尖流体压力成形技术的锻压设备。
框架式内高压成形液压机设备
 
  目前,兴迪源内高压成形智能设备已运用在制造航空、航天、核电、石化、汽车、摩托车、自行车业的沿构件轴线变化的圆形、矩形或异形截面空心构件以及管路配件的生产制造中。同时也适用于生产航空飞行器上轻体构件有空心结构框架、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管件等。