成亮
[摘要]隨著汽車節(jié)能減排和環(huán)保的要求越來越高,除了“新能源”技術外,如何減輕汽車重量,從而降低汽車油耗,輕量化技術在汽車領域的應用可以有效地解決這些問題。
[關鍵詞]汽車;輕量化;碳纖維
1輕量化的意義
輕量化概念最早起源于賽車,重量輕了,并能導致更好的操控,發(fā)動機的功率輸出能夠產(chǎn)生更高的加速度的。作為車輛用燈具,啟動性能和更好的加速,制動剎車距離較短。隨著“綠色能源”已日益成為普遍關注的話題,也輕巧廣泛應用到汽車領域,以提高操控性,同時仍然突出的燃油經(jīng)濟性能。汽車的油耗和排放取決于汽車發(fā)動機的總質量,在保持汽車整體品質,性能和成本優(yōu)化不變甚至減少汽車的自身重量可以提高輸出功率的前提下,降低噪音,提升操控可靠,提高速度,降低油耗,減少排放,提高安全性。有研究數(shù)字顯示,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;若滾動阻力減少10%,燃油效率可提高3%;若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%,燃油效率可提高7%。汽車車身約占汽車總質量的30%,空載情況下,約70%的油耗用在車身質量上。因此車身變輕對于整車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。
2輕量化技術主要有以下幾方面
2.1具有更高強度的輕質材料的應用
構成汽車的2萬多個零件中,約86%是金屬材料,且鋼鐵占了約80%,這表明通過材料的輕量化來減輕汽車重量有巨大潛力。目前鋁合金、高強度鋼、碳纖維、工程塑料和復合材料等輕質材料的開發(fā)與應用在汽車的輕量化中發(fā)揮了重大作用。
鋁是最廣泛使用的汽車材料的輕質材料,鋁具有良好的機械性能,并且它的密度是鋼的,易于加工,導熱性,耐腐蝕性。高強度鋁合金的約113,而且具有良好的能量吸收。根據(jù)鋁的美國研究所,利用每車鋁0.45kg可以減輕車重1kg,車鋁理論上可以減肥比鋼汽車約40%。因為鋁具有上述優(yōu)點,它已成為最常用的鋁輕質材料在車內。越來越多的鋁合金輪轂和全鋁制發(fā)動機出現(xiàn)在各種車型,逐步取代傳統(tǒng)的鋼構件。
高強度鋼也是一種廣泛應用的輕量化材料,它的應用可以減少鋼板的設計用量和厚度。高強度鋼保留了甚至提高了鋼材的優(yōu)點。與鋁、鎂、復合材料等相比,高強度鋼板的原料與制造價格較低,經(jīng)濟性較好,可以大量取代現(xiàn)在所用的車用鋼材,支撐起乘員艙結構的鋼材通常使用的都是高強度鋼。
碳纖維這種材料具有重量輕、剛性好、吸能性好、易塑性高、耐腐蝕等優(yōu)點。碳纖維在車輛裝飾方面的應用是占多數(shù)的,例如發(fā)動機蓋、尾翼、內飾面板等。碳纖維比鋁輕30%、比鋼輕50%,強度是鋼的7到9倍。鋼鐵材料約占車體重量的3/4,如果汽車的鋼材部件全部由碳纖維復合材料置換,車體重量可減輕300kg,燃油效率提高36%,二氧化碳排放量可削減17%。而且有的汽車廠商已經(jīng)把碳纖維復合材料應用在汽車傳動軸、板簧、構架和剎車片等關鍵零件上,例如:賽車底盤、碳纖維制動盤、碳纖維輪轂、傳動軸。碳纖維還具有極佳的能量吸收率,碰撞吸能能力是鋼的6倍-7倍、鋁的3倍-4倍。
基于這幾點原因,碳纖維材料才逐漸小幅度地在中檔汽車身上運用,再加上新能源汽車的普及,對車身重要的要求進一步提高了,這也促進了碳纖維材料車身的應用,例如奧新新能源汽車公司在2015年成功研發(fā)的碳纖維車身電動車,這樣不但能達到節(jié)能減排的省油需求,也能滿足消費者關心的安全問題。碳纖維車身的普及另外還有一個重要問題,就是碳纖維材料的來源,相信大家都知道,碳纖維零部件是由碳纖維絲束貼制而成,所以絲束才是技術關鍵。
在全球主要的高性能纖維年產(chǎn)能33萬噸,中國只有7.3萬噸,供應乏力。在競爭激烈的碳纖維領域,我國年產(chǎn)量僅為4000噸,大多數(shù)企業(yè)處在虧損狀態(tài)。中國碳纖維企業(yè)有30多家,每家投入幾億元到十幾億元,最大規(guī)模不超過3000噸,相比國際龍頭3萬噸的規(guī)模而言,競爭力多少顯得有些不足。因此碳纖維車身的普及在國內比在國外,要面對的困難會更多。制造碳纖維絲束。需要芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維、玄武巖纖維、聚酰亞胺纖維等材料,以及相關設備。而我國生產(chǎn)碳纖維的關鍵材料和設備還依靠進口。據(jù)介紹,由于碳纖維油劑、碳化設備依靠進口,沒有大型石墨碳材料,許多企業(yè)不得不從國外購買要價不菲的汽車零部件自動化生產(chǎn)線。
2.2結構輕量化設計與優(yōu)化
在承載式車身,設計與鋼體結構的強度是安全決策的一個重要因素。強大的軟件設計工程師可以優(yōu)化設計和檢查汽車結構的強度和剛度,降低體重和板的厚度,從而使中空部,小型化或復合,以確保車輛的質量和性能。謀求材料成本,重量。安全性能指標和點的其他最佳組合,我們需要使用的各種材料的組合,和用于安排多材料組合必須使用每個材料的最好的部分進行設計。豪華車采用了空間框架結構、成分大多是多功能的大型鑄件,大型整體結構和鍛件比例高,可以減少身體各部分的數(shù)量,一系列的優(yōu)化,輕量化設計使得整車的同時提高安全性能。因為車重每減小10%,油耗可降低6%-8%,排放量可降低5%-6%,0km/h-100km/h加速性可提升8%-10%,制動距離縮短2m-7m。
車輛主要是人的事故發(fā)生時的保障,而不是損壞的汽車程度的安全性來衡量。大型車具有輕便車相撞的重量,損失重的汽車程度比較小,但是傷害人員吸能車身設計,以及主動和被動安全的程度密切相關。例如,通過優(yōu)化結構設計一些模型,它能夠更好地吸收撞擊能量分散到一個高強度A柱和車身下部,提高乘客的安全,同時也降低了在進攻對方車輛。該車輛的重心的體重后的中心可以實現(xiàn)向下以提高車輛的操縱性和穩(wěn)定性。實際上,對于不同的部分安全車有不同的要求。例如,有緩沖的無左右兩側必須改善通過高沖擊鋼安全梁剛性部分。而且對于前部和后部保險杠、發(fā)動機、軀干吸收更多重要的緩沖器。門沖擊梁的內部采取一些垂直布置,有一對角型,也就是,從該幀的底部一直延伸到窗玻璃的底部邊緣。不管如何他們的具體位置,車門防撞梁乘客堅固的結構,最直接、最有效的保護,這可以減少乘員的力量可以從外面受苦。事實證明在車門沖擊梁擊中固定物體(如樹)時的保護作用是很明顯的。豪華車采用了空間框架結構、成分大多是多功能的大型鑄件,大型整體結構和鍛件比例高,可以減少身體各部分的數(shù)量,一系列的優(yōu)化,輕量化設計使得整車的同時提高安全性能。
3結語
實際上在應對節(jié)能與環(huán)保的問題上,國際車企對于輕量化都十分重視。目前歐洲、美國、日本等主要汽車生產(chǎn)廠商都在推進汽車輕量化項目。目前國際上平均每車每年自重減輕1%,國內自主乘用車較國外同類車自重高約8%~10%,國內自主商用車較國外同類車自重高約10%-15%。正是看到這種差距,國內整車廠和研發(fā)機構共同成立了“汽車輕量化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”,試圖通過聯(lián)合研發(fā)一定時間內達到跨國公司目前整車的輕量化水平。相信在不久的將來,輕量化汽車將會走進千家萬戶。與“新能源”技術共同打造一個更加環(huán)保的地球。
[責任編輯:楊玉潔]