轻型锻造计划:钢铁在混合动力汽车和重型卡车中的轻量化潜力

2020-7-29 13:48 364 0 来自: 中国汽车材料网
简介
【汽车轻量化在线】如果以具体的,具有代表性的车辆为基础进行论证,则更容易谈论可行的轻量化设计潜力。“轻型锻造计划”研究项目表明,在混合动力汽车和重型卡车的子系统中存在轻型设计的潜力。其中驱动轴、减震器 ...

汽车轻量化在线】如果以具体的,具有代表性的车辆为基础进行论证,则更容易谈论可行的轻量化设计潜力。“轻型锻造计划”研究项目表明,在混合动力汽车和重型卡车的子系统中存在轻型设计的潜力。其中驱动轴、减震器、轮架和连杆的重量减轻了23%至35%。

  • 锻造和轻量化

当人们想到锻造时,轻量化并不是一个立刻浮现在脑海中的词。然而,锻造技术被证明是一种经济有效的方法,可以在汽车应用中实现轻量化的设计进步,从而适合大批量生产。通过利用锻造技术提供的潜力。在当前的“轻型锻造计划”研究项目中展示了在双桥(splitaxle,分段式驱动桥)混合动力汽车(HybridElectric Vehicle,HEV)和重型卡车子系统中轻量化设计的潜力。

  • 项目和评估车辆

图1显示了项目详细信息和技术车辆数据:研究项目共提出了733个混合动力汽车轻量化设计构思和251个卡车轻量化构思。

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  • 轻量化设计潜力概述

混合动力汽车:作为研究的一部分,考虑了混合动力汽车中总重量为816千克的零部件–大约相当于参考汽车的51%。分析了来自混合动力汽车的动力总成、底盘和电子设备的3600多个comCOVER组件,总共开发了733种轻量化设计思想。然后根据轻量级设计潜力、制造工作和市场实施工作的标准对这些想法进行权衡和分类。这样就可以根据轻量化设计的成本效益比来评估相关的设计想法,如图2所示。

总的来说,该研究确定了混合动力汽车93千克的轻量化设计潜力,这相当于所分析部件质量的大约11%。然后,根据潜在的重量节省和实施努力,这些想法可以被分类为速效方案、平衡和较难实施的三类,具体取决于潜在的重量减轻和实施工作。

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商用车:对于商用车动力总成而言,在设计基准测试期间共分析了460个组件,总重量为909kg。在该总重量中,290千克来自传动装置,而619千克来自传动轴和后轴。基于技术可能性,开发了250多个轻型设计思想。最终的轻量化设计潜力总计达到124千克,大约是所分析组件质量的14%。这些想法可以归类为通过材料、设计或生产概念实现的轻量化设计。但是,这些概念并不是完全独立的,有时它们是相互依赖的,图3。

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  • 采用材料创新的轻量化设计

现代的高强度钢可以为减轻单个零件的重量,从而减轻车辆的总重量做出重要且具有成本效益的贡献。倡议的钢铁制造商和锻造公司提议使用大约20种不同的高强度钢,以实现轻量化,更精简的零部件设计。这些钢具有广泛的成分,金相组织和性能范围。建议的一些沉淀硬化铁素体-珠光体(弥散硬化钢,DHS)和调质(Q+ T)高强度钢,以及在锻件冷却后具有贝氏体组织的钢在图4的材料谱中显示了这些材料的锻造温度、以及它们的强度和延展性。

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Saarstahl,Sidenor和Georgsmarien-hütte建议连杆,曲轴和轮架使用高强度弥散硬化钢,例如38MnVS6和46MnVS6,它们通过锻造热的冷却控制而达到机械性能,而无需额外的热处理工艺。在某些情况下,这种弥散硬化钢的强度可能会超过传统的调质钢的强度,例如42CrMo4。

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高强度贝氏体钢有时会通过锻造热的受控冷却获得更高的强度,同时改善延展性。图4显示了几种贝氏体钢。在图5提出了几种用于具体应用的贝氏体。图5中的百分比表示与轻量化设计方案相比,系列零件的重量增加了多少。

铁姆肯钢公司(TimkenSteel)展示了具有较高强度的冲击性能(夏比能量值)的钢。在如此高的强度下,钢的清洁度起着至关重要的作用。铁姆肯钢铁公司表示,因此在生产过程中使用了其“超洁净铀”技术。

弹簧钢可实现最高的抗拉强度,例如55Cr3,Saarstahl建议的热机械轧制54SiCrV6、60SiCrV7或ArcelorMittal展示的SolamM2050 S-Cor,强度可达2050MPa。这种钢可以减轻诸如横杆或弹簧之类的车辆部件的重量。

通过使用高强度钢实现的重量减轻不仅在锻件的情况下是可能的。使用可以承受更高载荷的锻钢也可以替代铸件。因此,德国DeutscheEdelstahlwerke建议使用不锈钢,耐磨、高碳浓缩和氮合金钢来代替重35.5千克的铸造卡车制动盘。在此应用中,Sidenor在使用耐磨的锰合金钢1.3401(X120Mn12)时发现了轻量化的设计潜力。

在图5(左上方)中,介绍了在分析的混合动力SUV中应用的差速器输入轴的轻量化设计潜力。该空心轴目前由一种称为SCr420H的CrMn渗碳钢制成,重量为1182g。作为此类CrMn渗碳钢的高强度替代品,Georgsmarienhütte与Hirschvogel合作开发了一种微合金化贝氏体钢,称为16MnCrV7-7(1.8195)。该钢还可以进行表面硬化处理,并在高达1050°C的渗碳温度下保持稳定的细晶粒结构。其特征还在于更高的淬透性值。这种用于差速器输入轴的高强度钢可实现优化的薄壁设计,从而有望减轻307g的重量。

在该计划中进行的分析还表明,对于管件(例如在减震器中组装的管件),可以实现可观的重量减轻。因此,本特勒建议用屈服强度为500-600兆帕的高强度铁素体-贝氏体多相钢FB590替换屈服强度至少为235MPa的E235+ CR钢制成的管件。这样,外管的壁厚可以从2.8毫米减小到2.0毫米,从而实现250g的相应轻量化减重(图5左下)。

安赛乐米塔尔(ArcelorMittal)建议使用铁素体-珍珠岩钢或其贝氏体钢SolamB1100作为铸造材料的轻质替代品,例如用于转向节。通过在零件上进行的有限元模拟,可以估算出所减轻的重量。通过使用贝氏体锻钢,可以实现4100克重量的铸件替换原先的5060克铸件——只需通过锻造热控制冷却,而无需进行昂贵的热处理工艺。

钢铁制造商Sidenor建议使用其Micro1100钢(44MnSiVS6)来减轻图5(右上方)所示转向节的重量。通过直接从锻造热中冷却钢,生成了铁素体-珠光体晶粒组织,其抗张强度为1100MPa。Sidenor认为这种轻量化设计潜力约为20%。

连杆的轻型设计建议由ArcelorMittal,DeutscheEdelstahlwerke,Georgsmarienhütte,NipponSteel,Nis-san,Saarstahl,SchmiedetechnikPletten-berg,Schuler和TimkenSteel提出。根据Mahle[5]的分析,通过使用用于锻造连杆的高强度钢36/46MnVS6Mod,铁姆肯钢公司估算出了高达35%的轻量化设计潜力,右图5。仅考虑同心轴时,Georgsmarienhütte和SchmiedetechnikPlettenberg预测,使用高强度弥散硬化钢46MnVS5或贝氏体钢16MnCrV7-7将产生10%至15%的轻量化设计潜力。


  • 传动系统中的轻量化设计:材料是关键因素

通过改变承重值,可以评估材料优化对变速器轻量化设计潜力的有效性。图6显示了后轴变速箱的计算。依次列出了各种材料的输入值,并且铁姆肯钢公司使用超洁净渗碳钢似乎可以增加20%。相应地,计算出可能的重量减轻和减少的装配空间。通过这种方式,通过增加承载能力(最好相互结合)来开发轻量化设计储备。因此,为了在变速器的轻量化设计上取得进展,钢材是绝对值得研究改进的。

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  • 结论

钢铁是汽车工业中最重要,也是最先进的材料。尽管如此,可以看出,对钢材的性能和成本效率(例如通过锻造热的受控冷却)有进一步提高的需要。此处概述的示例以令人印象深刻的方式证明了这一点。并且,使流程链的所有合作伙伴(从钢铁厂和锻造公司到成品组件的制造商)参与联合开发过程中的优化变得越来越重要。

来源:由中国汽车材料网翻译整理。



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