面向环境的汽车轻量化技术及应用

李登科　解念锁

摘 要：汽车自重越大，燃油消耗量越大，废气排放量越大。汽车轻量化对节省资源、能源和保护环境具有重要意义。文章论述了复合材料、轻有色金属及其合金、铸铁零件的薄壁化工艺在汽车量化技术中的应用。

关键词：面向环境；汽车轻量化；节约能源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.259

1 前言

我国是世界上汽车拥有量和汽车消费量最大国，汽车工业是我国的支柱产业之一。汽车燃油消耗量越大，废气排放量越多。随着可持续发展理念的深入人心，充分考虑汽车选材、生产、加工等环节对节省资源、能源、保护环境的要求，从而提高汽车使用中对资源及能源的利用效率，降低成本，提高质量，增大可靠性，延长设备使用寿命。现代汽车选用材料除满足力学性能和使用寿命的基本要求外，还应满足比强度、比模量、价格、外观、环保、安全、节能等需要。汽车选用材料种类繁多，包括钢铁、铝合金、树脂。汽车选用材料中的表面处理钢板、高强度钢板逐年上升，有色金属材料总体有所增加，非金属材料也逐步增长，高性能复合材料和工程塑料品种繁多，有的替代了普通塑料，有的在汽车上的应用范围广泛。汽车轻量化材料的选择可以降低整车的重量，并为汽车的性能服务，如降噪音、消震动、合理气流、减重量和降低成本等。因此，应用和研制轻型汽车材料，提高汽车发动机功效，减少油耗及废气排放，减轻整车重量，提高整车性能，保障其安全性、可靠性是世界汽车发展中面临的挑战。

2 复合材料在汽车量化技术中的应用

汽车量化技术中应用的复合材料主要有金属基复合材料和聚合物基复合材料。复合材料的各组分之间的协同作用，使其能够取长补短，获得基体材料和增强材料所没有的新性能。汽车用复合材料不仅可进行各组分之间选择材料设计，还可以根据结构特点进行复合结构设计，通过改变增强体的比例进行设计。大部分金属基复合材料的增强材料具有密度小，刚度大，强度高等性能特点；金属基复合材料的基体材料具有成形性能好的特点。目前，金属基复合材料已逐步取代部分金属合金，广泛应用于汽车发动机活塞、连杆、轴瓦、电器原件、保险杠等。满足汽车发动机向高负荷、高速、增压方向发展要求，从而减轻汽车自重，节约材料，节约燃油，减少废气排放，保护环境。聚合物基复合材料的具有较大的比强度、比模量大是其最突出的特点。玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料有较高的比模量、比强度；碳纤维、有机纤维、硼纤维增强聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的3-5倍，比模量相当于金属材料的4倍之多。聚合物基复合材料还具有耐疲劳性能好的特点，复合材料纤维与基体的界面能有效阻止内部裂纹的扩展，使其疲劳破坏从纤维的薄弱环节开始进行，然后逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。聚合物基复合材料还具有很好的加工工艺性，可采用手糊成型、注射成型、模压成型、拉挤成型、缠绕成型等各种方法制成各种形状的复合材料产品。同时聚合物基复合材料具有多种功能性，例如耐烧烛性好，具有较高的比热、熔融热和气化热的材料，可以有效吸收高温烧蚀时的大量热能；具有有良好的摩阻特性及减摩特性；具有高度的电绝缘性能、优良的耐腐蚀性能、特殊的光学、电学、磁学的特性。目前聚合物基复合材料广泛应用于汽车燃油管、汽车散热器水箱部件、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。特别是碳纤维增强尼龙复合材料应用于汽车工业中，作为发动机内部零件，使用增强及自润滑的高性能复合材料上进展很快。碳（石墨）纤维增强聚合物复合材料用于制造发动机零件汽车车身等，可有效提高汽车性能，降低汽车自重，是汽车轻量化的重要发展方向之一。

3 轻有色金属及其合金在汽车量化技术中的应用

有色金属及其合金具有密度小、加工工艺性能好、耐腐蚀性能好等优点。铝合金挤压型材应用于无骨架式车体结构和空间框架车体结构，使得车身外板具有各种复杂断面形状和中空状型材，具有比重小，比强度大，制造成本低的优点。用中空铝型材作车身结构和保险杠与钢材件具有同等的抗冲击强度，车身重能大大减轻，当汽车发生意外时，还能吸收冲击能，保护乘客安全。挤压型材料用于保险杠，可比钢板焊接保险杠大幅度减少重量。铝合金通常用来制作覆盖件、保险杠、车轮、空调系统、窗框、保险杠、座椅、换热器扰流板等。镁合金比铝合金轻，其比强度及比刚度高，减振性能优良，弹性模量较低，具有优良的切削加工性能及铸造性能。镁合金以其优良的可回收性、导热性，被誉为绿色工程材料，有人称其为21世纪的时代金属。镁合金代替钢铁，使设备重量大大减轻。镁合金替代钢铁降低整车自重正在普及中，汽车壳体、车身件、骨架等零部件的轻量化已经实施，福特汽车每辆车镁合金用量逐年增加；许多汽车已在汽缸罩盖、转向盘骨架、踏板等零件上采用了镁合金，汽车工业正在汽车身件、铸造壳体等零部件上推广镁合金材料，近几年每辆车使用有色金属材料还在增加。目前，在汽车上仪表盘底座、发动机阀盖、座位框架、变速箱壳、方向盘轴等部件镁合金的使用普及率最高，为汽车汽车轻量化做出了贡献。

4 铸铁零件的薄壁化技术在汽车量化技术中的应用

汽车工业生产中需要大量的铸铁零件，汽车工业已成为我国国民经济的第五大支柱产业。汽车铸铁零件薄壁化、轻量化、强韧化是为了满足汽车工业对铸铁零件能源消耗、资源少，循环再生利用率高的要求，适应建设环境友好型、资源节约型社会的需要。对汽车工业而言，降低整车自重对节能、减少废气排放有关键性的意义。铸件的薄壁高强化技术应用也将日益成熟并将迅速拓展，将来3-5mm的高强薄膜球铁件将会大量出现在汽车铸铁零件中。

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