新材料与工艺手册

[轻量化材料] 汽车应用材料轻量化浅谈

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发表于 2020-12-2 11:46:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车应用材料轻量化浅谈
孟祥龙
(诺博汽车系统有限公司,河北 保定 071000)
摘 要:作为实现节能减排的重要措施之一,汽车新材料、先进的设计和工艺制造技术,能促进汽车工业可持续发展。轻量化材料一方面节约汽车制造成本,另一方面还可以低碳环保循环利用。新材料和新技术之间相辅相成,先进的工艺技术为轻量化材料更新提供基础,新材料的广泛应用推动工艺技术的发展。
关键词:汽车;内外饰;结构设计;成型工艺
1 汽车内外饰轻量化发展现状1.1 铝合金替代钢材
(1)铝合金的应用。铝合金作为轻质金属,是汽车轻量化的理想替代材料。铝合金在汽车领域的用量在逐步增加,且种类越来越多样化,汽车车身使用铝合金作为主要材料的趋势正在形成。
(2)应用于汽车上的铝合金部件。奥迪在A8车型上使用了全铝合金车身,其刚度提高60%,焊点减少40%,重量更轻。无论是灵活性、安全性,或平稳性均表现出色。而在内外饰上有众多的零部件实现铝合金替代钢,如仪表台横梁,由于强刚度指标要求,长期以来横梁都是采取钢材支架焊接的方式。而目前宝马,奥迪等车型已经在使用铝合金设计的横梁,其比钢横梁要减重40%。
其他众多的零部件应用如座椅支架、发动机周边部件等。
1.2 热塑性塑料的应用
热塑性轻量化塑料LFT-PP,以金发的材料为例,其增强玻璃纤维长度达6-25 mm(SFT-PP是0.2-0.6 mm),由于出色的力学性能、机械性能和热老化性能成为比较理想的轻量化产品的原材料。LFT-PP材料目前应用范围是“以塑代钢”,如前端模块,后尾门。目前汽车市场上,众多的品牌如日产、雷诺、标致等相继研发出LFT-PP的塑料后尾门,相比钢制后尾门,减重达30%,其作为注塑工艺应用在后背门上是前瞻性的轻量化工艺;注塑后尾门有轻量化、模块化、产品精度高等特点。
2 内外饰轻量化的设计原则2.1 人机交互原则
所谓人机交互就是驾驶者或乘客在使用汽车时与车辆系统的“对话”,这种对话必须合理、简单、易用,因而设计过程必须充分考虑这三个基本人机交互原则。汽车轻量化设计绝不能违背这些原则或者说牺牲人机交互的某些原则,可以说轻量化设计难度要比一般意义的设计要大得多,轻量化设计就是在满足原有指标基础上增加指标条件,而这些条件都是充分必要条件。
2.2 节能环保原则
随着社会经济发展,可持续发展成为我国工业发展的基本策略,而节能环保则是可持续发展的重要一环。轻量化设计过程必须考虑运用此材料和工艺的各个环节是否可以保证节能环保,任何一个环节如果对环境造成不良影响将导致设计推行艰难,最终有可能导致设计永远停留在设计阶段,不能导入生产的轻量化设计没有任何意义。
2.3 安全法规原则
汽车内外饰轻量化必须在满足国家安全法规的前提下,减重才有意义。安全性保障是汽车内饰轻量化设计的一个基本的原则。这一原则不仅要求内饰的材料本身的强度要符合要求,而且要求产品本身设计可以作为其他产品的载体,可以满足一定的负荷要求。除了承载的载荷之外,对于内外饰设计的安装(固定)强度也有着一定的要求,最基本的就是要能承受车辆高速运行过程中产生的主动和被动冲击载荷,强度和稳定性都能符合设计验证(DV)要求。
3 汽车应用材料轻量化的具体运用3.1 塑料材料在汽车内装饰中的运用
在汽车内装饰零部件主要包括门内装饰、车厢隔板、扶手、仪表板、顶板、座椅、地毯。传统的汽车车内装饰主要是以金属、木材、人造革、毛毡、针织品等为构造结构,其中塑料材料在其中运用不到一半分量,使得汽车内部可视性、舒适度和触感都明显不足。而如果汽车内装饰提高塑料材料在设计、制造中的分量,则不会出现上述问题。我国塑料材料的运用于国际水平还有相当大的差距。
3.2 汽车用碳纤维复合材料的应用
(1)底盘传动系统方面应用。以DodgeViper型跑车为例,碳纤维复合材料就被应用到了挡板支架系统中,实现了碳纤维在大型底盘及车身外部件的应用,该车型的碳纤维挡板支架重量仅在1.9千克左右,碳纤维复合材料中有掺加55%碳纤维碎屑,受无其他填充物的影响,其密度较低,约为1.4 g/cm3,加之金属零件的减少,从而就在一定程度上实现了减重。值得注意的是,虽然碳纤维复合材料挡板支架壁厚在2毫米左右,但其却发挥着较强的支撑作用,可将车身前端支撑起来,通过与其它零件的有效连接,刚性也得到了明显的提高。
(2)压气机叶轮应用。汽车涡轮增压器压气机叶轮的制造,有利于减轻叶轮质量,这不仅会降低转子惯量,且还可促进转子加速性能的提高,在一定程度上减少了涡轮增压器响应滞后时间。同时,为进一步达到叶轮强度、耐久及可靠性方面的要求,就需处理了碳纤维表面,实现了碳纤维复合材料强度的提高,这主要是因为基体树脂使用了玻璃化转变的温度聚醚酮,相较于铝合金,复合材料的就充分体现出了较高抗拉强度优势。
(3)制动器衬片应用。针对汽车制动器的衬片而言,其构成材料主要为石棉摩擦材料,当处于高温制动情况下时,该材料极有可能发生摩擦性能“热衰退”,且所产生的石棉粉尘,还具有致癌风险,会危害的人体健康。基于此,现阶段各国都加大了对新一代摩阻材料的研究,旨在替代石棉摩擦材料,碳纤维复合材料通过其强度高、耐热性强等特点,已逐渐取代了石棉。
(4)传动轴应用。在制造传动轴的过程中,碳纤维复合材料的应用能够实现对整体结构重量的减轻,且振动噪声较小,不仅促进了传动轴临界转速的提高,且还在一定程度上减轻了后期的维护费用。
(5)在变速箱同步器齿环中的应用。针同步器而言,其属于机械式手动变速箱的主要零部件之一,发挥的作用极为关键,实现了换挡操纵的进一步简化,这在减轻司机劳动强度的同时,也在一定程度上规避了换挡冲击。同时,从同步器的结构来说,摩擦环属于重要零件,通过锥面产生的摩擦力矩,可促使两个换挡元件间的同步运转。但就目前来说,传统的同步器已渐渐无法满足现代化机械要求,而碳纤维摩擦材料同步器通过其使用时间长、高强度等特点得到了较好的应用。
4 结束语
汽车减重显然能带来很多的好处,但从目前市场表现来看,我国的轻量化技术起步较晚,缺乏经验,仍未建立起完善的产业链。在汽车轻量化之路上,仍然面临着众多难题。当前,随着新能源汽车的发展,轻量化更是重中之重。


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