新材料在汽車上的應用

2021-03-04 09:37:18 字數 4543 閱讀 7223

汽車新材料簡介

現代對汽車效能要求越來越高,輕量化、節能降耗和降低排放汙染是現在汽車發展的趨勢,而輕量化必須從改進汽車的材料出發,研製效能更好更輕的汽車材料從而帶來能源消耗的減少,進而排放汙染隨之降低,汽車材料的發展是汽車技術發展的重要方面,新材料新工藝對於****的發展是至關重要的,

一車身新材料的種類

(一)鍍鋅鋼板

隨著****發展,為了提高車體使用壽命和增強車體材料的抗腐效能,鍍鋅鋼板得到廣泛使用。由於在目前汽車車身製造中,主要採用電阻點焊方法,與無鍍層鋼板相比,鍍鋅鋼板的點焊過程中還存在一些問題:先於鋼板熔化的鋅層形成鋅環而分流,致使焊接電流密度減小;鋅層表面燒損、汙染電極而使電極壽命降低;鋅層電阻率低,接觸電阻小;容易產生焊接飛濺、裂紋及氣孔等缺陷。

(二)高強度鋼板

從前的高強度鋼板,拉延強度雖高於低碳鋼板,但延伸率只有後者的50%,故只適用於形狀簡單、延伸深度不大的零件。現在的高強度鋼板是在低碳鋼內加入適當的微量元素,經各種處理軋制而成,其抗拉強度高達420n/mm2,是普通低碳鋼板的2~3倍,深拉延效能極好,可軋制成很薄的鋼板,是車身輕量化的重要材料。到2023年,其用量已上公升到50%左右。

中國奇瑞汽車公司與寶鋼合作,2023年在試製樣車上使用的高強度鋼用量為262kg,佔車身鋼板用量的46%,對減重和改進車身效能起到了良好的作用。

美國轎車材料構成的變化

低合金高強度鋼板的品種主要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙相鋼板和高強度1f冷軋鋼板等,車身設計師可根據板製零件受力情況和形狀複雜程度來選擇鋼板品種。

1 含磷高強度冷軋鋼板:含磷高強度冷軋鋼板主要用於轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋公升板,也可用於載貨汽車駕駛室的沖壓件。主要特點為:

具有較高強度,比普通冷軋鋼板高15%~25%;良好的強度和塑性平衡,即隨著強度的增加,伸長率和應變硬化指數下降甚微;具有良好的耐腐蝕性,比普通冷軋鋼板提高20%;具有良好的點焊效能;

2 烘烤硬化冷軋鋼板:經過沖壓、拉延變形及烤漆高溫時效處理,屈服強度得以提高。這種簡稱為bh鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強度,是車身外板輕量化設計首選材料之一;

3 冷軋雙向鋼板:具有連續屈服、屈強比低和加工硬化高、兼備高強度及高塑性的特點,如經烤漆後其強度可進一步提高。適用於形狀複雜且要求強度高的車身零件。

主要用於要求拉伸效能好的承力零部件,如車門加強板、保險槓等;

4 超低碳高強度冷軋鋼板:在超低碳鋼(c≤0.005%)中加入適量的鈦或鈮,以保證鋼板的深衝效能,再新增適量的磷以提高鋼板的強度。

實現了深衝性與高強度的結合,特別適用於一些形狀複雜而強度要求高的沖壓零件。

(三)輕量化迭層鋼板

迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的複合材料,表層鋼板厚度為0.2~0.3mm,塑料層的厚度佔總厚度的25%~65%。

與具有同樣剛度的單層鋼板相比,質量只有57%。隔熱防振效能良好,主要用於發動機罩、行李箱蓋、車身底板等部件。

(四)鋁合金

與汽車鋼板相比,鋁合金具有密度小(2.7g/cm3)、比強度高、耐鏽蝕、熱穩定性好、易成形、可**再生等優點,技術成熟。德國大眾公司的新型奧迪a2型轎車,由於採用了全鋁車身骨架和外板結構,使其總質量減少了135kg,比傳統鋼材料車身減輕了43%,使平均油耗降至每百公里3公升的水平。

全新奧迪a8通過使用效能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件,車身零件數量從50個減至29個,車身框架完全閉合。這種結構不僅使車身的扭轉剛度提高了60%,還比同類車型的鋼製車身車重減少50%。由於所有的鋁合金都可以**再生利用,深受環保人士的歡迎。

根據車身結構設計的需要,採用雷射束壓合成型工藝,將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復合成型,再在表面塗覆防腐蝕材料使其結構輕量化且具有良好的耐腐蝕性。

(五)鎂合金

鎂的密度為1.8g/cm3,僅為鋼材密度的35%,鋁材密度的66%。此外它的比強度、比剛度高,阻尼性、導熱性好,電磁遮蔽能力強,尺寸穩定性好,因此在航空工業和****中得到了廣泛的應用。

鎂的儲藏量十分豐富,鎂可從石棉、白雲石、滑石中提取,特別是海水的鹽分中含 3.7%的鎂。近年來鎂合金在世界範圍內的增長率高達20%。

鑄造鎂合金的車門由成型鋁材製成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內板組成。另一種鎂合金製成的車門,它由內外車門板和中間蜂窩狀加強筋構成,每扇門的淨質量比傳統的鋼製車門輕10kg,且剛度極高。隨著壓鑄技術的進步,已可以

製造出形狀複雜的薄壁鎂合金車身零件,如前、後擋板、儀錶盤、方向盤等。

(六)泡沫合金板

泡沫合金板由粉末合金製成,其特點是密度小,僅為0.4~0.7g/cm3,彈性好,當受力壓縮變形後,可憑自身的彈性恢復原料形狀。

泡沫合金板種類繁多,除了泡沫鋁合金板外,還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等,可根據不同的需要進行選擇。由於泡沫合金板的特殊效能,特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振效能,深受汽車製造商的青睞。目前,用泡沫鋁合金製成的零部件有發動機罩、行李箱蓋等。

(七)蜂窩夾芯複合板

蜂窩夾芯複合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據夾芯材料的不同,可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強樹脂蜂窩、鋁蜂窩等;面板可以採用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。由於蜂窩夾芯複合板具有輕質、比強度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃等特點,故在汽車車身上獲得較多應用,如車身外板、車門、車架、保險槓、座椅框架等。

英國發明了一種以聚丙烯作芯,鋼板為面板的薄夾層板用以替代鋼製車身外板,使零件質量減輕了50%~60%,且易於沖壓成型。

(八)工程塑料

與通用塑料相比,工程塑料具有優良的機械效能、電效能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩定性等特點,且比要取代的金屬材料輕、成型時能耗少。二十世紀七十年代起,以軟質聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩衝材料等塑料在****中被廣泛採用。福特公司開發的ltd試驗車,塑料化後的車身取得了輕量化方面的明顯成果。

福特ltd試驗車的輕量化效果

中國工程塑料工業普遍存在工藝落後、裝置陳舊、規模小、品種少、質量不穩定的狀況,而且**高,缺乏市場競爭力。工程塑料在汽車上的應用僅相當於國外上世紀八十年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量僅為2.

86kg/輛,紅旗ca7228型轎車為2.4kg/輛,而日本轎車平均為14kg/輛,寶馬則更高,為35.64kg/輛。

但這種局面將很快被打破,由上海普利特複合材料****投資新建、國內最大的汽車用高效能abs工程塑料生產基地日前在上海建成投產。此專案引進了世界先進的工程塑料生成線和試驗檢測儀器等裝置,形成了年產15,000噸高效能abs工程塑料的能力。

(九)高強度纖維複合材料

高強度纖維複合材料,特別是碳纖維複合材料(cfrp),因其質量小,而且具有高強度、高剛性,有良好的耐蠕變與耐腐蝕性,因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維複合材料在汽車上的應用,美國開展的最好。

二十世紀八十年代後期,複合材料車身外覆件得到大量的應用和推廣,如發動機罩、翼子板、車門、車頂板、導流罩、車廂後擋板等,甚至出現了全複合材料的卡車駕駛室和轎車車身。據統計,在歐美等國汽車複合材料的用量約佔本國複合材料總產量的33%左右,並繼續呈增長態勢,複合材料作為汽車車身的外覆件來說,無論從設計還是生產製造、應用都已成熟,並已從車身外覆件的使用向汽車的內飾件和結構件方向發展。圖2為法國sora公司為雷諾汽車公司開發的全複合材料轎車車身和重型卡車駕駛室。

上海通用柳州汽車公司和東風公司計畫推出全複合材料車身的家庭用小轎車。

二汽車燃料新材料的種類

汽車新能源及代用能源簡介

隨著汽車保有量的增長和世界石油資源的日益減少,各國都在千方百計降低汽車的燃料消耗和致力於代用燃料和新能源的開發研究工作,以減輕對石油資源的過分依賴。另一方面,汽車用的汽油、柴油造成的環境汙染,也是人們使用其他清潔能源替代石油產品的重要原因。當前汽車尾氣中汙染物已成為當前城市空氣汙染的主要汙染源之一。

因此減少汽車尾氣汙染物排放量已成為保護環境的迫切需要,使用清潔待用燃料是減少汽車排放汙染的有效途徑。因此,發展清潔代用燃料刻不容緩。以下是對主要汽車代用燃料和新能源的簡述:

(一) 電動汽車

電能是二次能源,它可以**於如風、水能、核能、熱能、太陽能、等多種方式。因此電動汽車是非常有發展前景的代用能源汽車。電動汽車是全部或部分由電能驅動電機作為動力系統的汽車,包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車三種型別。

1純電動汽車

純電動汽車由電力驅動及控制系統、去動力傳動系統等組成。電力驅動及控制系統是電動汽車的核心,也是區別於內燃機汽車的最大不同點。電力驅動及控制系統由驅動電動機、電源和電動機的調速控制裝置等組成。

電動汽車的其他裝置基本與內燃機汽車相同。

而蓄電池是電動汽車發展的關鍵因素,目前電動汽車上應用最廣泛的電源鉛酸電池,但由於比能量較低,充電速度較慢,壽命較短,逐漸被其他蓄電池所取代。如納硫電池、鎳鉻電池、鋰電池、燃料電池等等。

2 電動汽車的特點:

無汙染、雜訊低。電動汽車無內燃機汽車工作時產生的廢氣,不產生排氣汙染,十分有利於環境保護和空氣的潔淨。同時電動機的雜訊也比內燃機小。

能源效率高、多樣化。電動汽車的能源效率已超過汽油機汽車,特別是在城市執行,汽車走走停停,行駛速度不高,電動汽車更加適宜。電動汽車停止時不消耗電量。

在制動過程中,電動機可自動轉化為發電機,實現制動減速時能量的再利用。另一方面,電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴,可將有限的石油用於更重要的方面。除此之外,如果夜間向蓄電池充電,還可以避開用電高峰,有利於電網均衡負荷,減少費用。

結構簡單,使用維修方便。電動汽車較內燃機汽車結構簡單,運轉、傳動部件少,維修保養工作量小,當採用交流感應電動機時,電機無須保養維護,更重要的是電動汽車易操作。

潤滑脂在汽車上的應用現狀

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