新材料与工艺手册

[轻量化材料] 浅谈金属材料在汽车轻量化中的应用

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发表于 2020-7-24 09:59:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】浅谈金属材料在汽车轻量化中的应用

卢振生 吕关想 史爱平 常家伟 赵宏隽

绥化学院 黑龙江省绥化市 152061


摘 要: 在新时代背景下,我国经济水平逐步提高,汽车产业的发展得到了人们普遍的关注。尽管工业的发展速度非常快,但是能源短缺以及环境污染的问题越发严重,对人们的日常生活带来了诸多影响。为了能够充分贯彻我们国家提出的可持续性发展政策,理应促进汽车实现轻量化改造。为了能够实现这一目标,在设计汽车的时候,应当充分利用轻量化材料,如此可以有效减少能源的使用,促使汽车的整体性能有所增强,进而能够推动我国汽车产业进一步发展。本篇文章主要描述了金属材料在汽车轻量化中应用的意义,并对于金属材料在汽车轻量化中的具体应用方面发表一些个人的观点和看法。

关键词:轻量化;铝及铝合金;镁及镁合金高强度钢钛合金


1 引言

伴随我国的快速发展,人们的生活质量越来越高,几乎每个家庭都已经拥有了汽车。根据相关数据资料能够了解,在整个2018年,我国汽车总销售量达到了2808.2万辆,整体销量一直处在世界的顶尖位置。尽管汽车能够给人们的日常生活带来诸多便利,但在环境污染方面以及能源损耗方面,都造成了诸多问题出现。基于这一背景,汽车轻量化发展的理念便被提了出来,以此可以有效减少能源消耗。因此,这也成为了汽车未来发展的一大方向。



2 金属材料在汽车轻量化中应用的意义

对于汽车轻量化而言,主要在其原本性能、抗震能力、抗撞能力以及舒适度不会受到任何影响的基础上,尽可能降低汽车自身的整体质量。一般来说,汽车质量往往会对其行驶的阻力带来影响,因此二者之间的关系十分密切。通过相关数据资料能够得知,汽车在运行过程中,自身60%的燃料都会用在质量方面。每当汽车的整体质量下降1kg,则在1L汽油的驱动下,汽车的行驶距离能够增加0.011km,同时二氧化碳的排量也会大幅度下。因此,当汽车的质量越低,其燃料的消耗自然也越低。此外,推进汽车的轻量化发展,还能使其行驶能力有所提高,根据研究资料可以了解,每当汽车的整体质量下降25%,当汽车从0加速到96.57km/h的时候,早期汽车需要耗费10s,而当前则会降低到6s。不仅如此,提升汽车的轻量化,还可以有效减少汽车自身的整体动力,同时使其外部的系统负荷有所下降,确保汽车在较低牵引的基础上,可以展现出更强的综合性能。由此可以看出,推动汽车轻量化发展,对于环境保护工作的开展有着非常大的意义。因此,汽车的轻量化发展是未来汽车产业发展的重要方向,也是一项重要的系统性工程[1]。



3 金属材料在汽车轻量化中的具体应用

一般而言,汽车的轻量化发展主要能够在内部设计、工艺水平以及材料使用方面有所体现。这其中,最为重要的便是材料的轻量化。而如果针对材料本身展开分类,则又能分成两类,分别是低密度材料以及高密度材料。轻密度材料主要包括铝、镁、钛合金材料、塑料以及复合材料,而高密度材料基本上都是高强度钢。但需要注意的是,塑料很容易造成污染出现,所以在实际使用的时候,理应进行合理控制。当前应用率最高的材料主要是铝、镁以及钛合金材料,通过综合性使用,确保其演变成合金,不仅能够达到轻量化的基本要求,同时汽车自身的安全性能也会大幅度提升。



3.1 铝和铝合金

对于金属铝来说,自身密度相对偏低,基本上只有铁的三分之一,并有着很强的导热性能,仅仅只比铜低。同时自身也有着很强的可塑性,非常适合材料加工。但需要注意的是,金属铝的强度相对偏低,因此并不适合制作一些结构件。但由于整体性能非常强,可以制作成多种不同的合金,因此人们又将其称作是铝合金。这种金属材料密度非常小,同时整体强度也很高,非常适合使用[2]。

在铝合金之中,内部金属元素主要包括铜、锌、锰、硅以及镁等。这种材料的熔点偏低,同时又有着很强的流行性,所以可以完成一些较为复杂性质的构件,尤其是在制作壳体零件以及箱型零件方面,有着非常强的效果。而对其采取变形处理之后,可以制作成铝合金轮毂。一般来说,此类材料在车身、发动机以及传动系方面均有着非常高的应用率。

从当前情况来看,发动机内部零件基本上已经全部都采用了铝合金,诸如机体、活塞以及油底壳等。通常而言,机体是应用率最高的一类部件,自身有着诸多优势,应用于散热器的时候,可以促使其整体尺寸大幅度降低,促使发动机变得更具轻量性特点。

底盘位置之中,铝合金同样有着很高的应用率,包括变速器壳体、转向器壳体、转向节、制动钳以及轮毂等。此外,部分汽车自身的踏板以及方向盘也都采用了这类材料。尤其是应用在了轮毂之后,可以确保相关使用条件不受影响的基础上,可以有效降低整体质量,同时还能将原有的散热性特点全部发挥出来,以防会有爆胎的问题出现[3]。



3.2 镁和镁合金

在现有的金属材料之中,镁是其中密度最小的材料,当温度只有20摄氏度时,仅仅只有1.74g/cm3,相比于铝,基本上低了37%,而相比于铁,则低了79%。目前来说,这类材料主要在交通工具之中有所应用。此外,由于自身可塑性废气,因此通过调整之后,可以制作成一些复杂的基本零件。

在当前汽车之中,镁和镁合金最为常见的类型便是压铸件,基本上能够分成两类,分别是壳体类以及支架类。诸如前盖、刹车架、方向盘以及转向支架等,基本上都用的是这类材料。

镁合金尽管性能极佳,但同样有缺陷存在,主要是外部抗性非常差。为了能够有效提升此类材料的使用案例,理应从耐高温以及抗疲劳两个方面入手,使其综合性能达到更高层次。



3.3 钛和钛合金

钛和钛合金的性能非常强,尤其是促进汽车的环保性能方面,效果非常好。由于此类材料属于新型材料,因此受到了人们广泛的关注。钛自身密度偏小,一直处在铝和铁之间,尤其是韧性方面,非常强。因此在汽车零件之中进行应用,整体效果非常明显,因此是一种有着较强应用率的优秀材料[4]。

钛和钛合金由于弹性模量相对偏低,因此在弹性元件的制作方面有着非常好的效果。如果和钢材料弹簧展开对比,当性能没有太大改变的基础上,可以有效降低整体高度,基本上可以达到65%,同时整体质量也能缩小大约65%到75%。



3.4 高强度钢

所谓高强度钢,也就是指一些屈服强度超过1380MPa,同时抗拉强度超过1630MPa的合金钢。由于自身有着较好的屈服强度以及抗拉强度,因此通常都会在车身的主体位置之中进行应用,以此能够大幅度降低车身的整体质量。

由于绝大多数汽车的车身都应用的是钢材,而如果调整成高强度钢,则车板的厚度便会大幅度下降,同时整体质量也不会特别高。通过和普通钢板车展开对比,厚度大概可以减少1.0mm到2.0mm,而在质量方面,基本上可以降低15%到22%。由此可以看出,在使用了高强度钢之后,汽车的整体质量会全面下降,油耗也会有所减少,进而能够实现节能减排的基本要求。



4 结束语

综上所述,汽车是当前人们使用率最高的交通工具。因此,在未来的汽车设计中,理应对金属材料进行合理利用,以此降低汽车的总体质量,减少油耗,从而确保其性能得到增强。同时还能减少污染,推动整个汽车行业不断发展。


参考文献:

[1]李炎粉.浅析金属材料在汽车轻量化生产中的运用[J].装备制造技术,2016(8):134-135,共2页.

[2]汽车轻量化用金属材料的现状及展望[J].水利电力机械,2019(03):38-40.

[3]祝明明,张庆帅,石旭.金属材料在汽车轻量化中的应用与发展[J].南方农机,2017(5).

[4]李家锐,张林,方静,etal.汽车轻量化材料的应用研究[J].化工管理,2019,512(05):124-126.

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