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        新型材料和工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用

        2019-03-13 13:00:16杜行
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019年5期
        關(guān)鍵詞:新材料輕量化工藝

        杜行

        摘? 要:車身的輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑,也是當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展研究的重要課題,而輕質(zhì)新材料開發(fā)、輕量化工藝的應(yīng)用是輕量化的主要實(shí)施途徑。文章主要介紹了研究車身輕量化意義,綜述了新型輕質(zhì)材料和先進(jìn)工藝的研究進(jìn)展,總結(jié)出了我國汽車輕量化發(fā)展中所面臨的主要難題及發(fā)展趨勢。

        關(guān)鍵詞:輕量化;新材料;工藝;應(yīng)用

        中圖分類號:U462.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號:2095-2945(2019)05-0148-03

        目前,國內(nèi)外紛紛出臺關(guān)于安全、排放、油耗等方面法規(guī)來強(qiáng)制規(guī)范汽車產(chǎn)品的安全及環(huán)保性能,隨著能源的不斷開發(fā)和消耗,我國對汽車的節(jié)能減排要求也變得日益嚴(yán)格,安全、節(jié)能和環(huán)保顯然已成為汽車領(lǐng)域研究學(xué)者最為關(guān)注的性能指標(biāo),如何開發(fā)出更加環(huán)保、節(jié)能的汽車已然成了當(dāng)今汽車研究領(lǐng)域最為重要的方向之一。汽車的燃油經(jīng)濟(jì)、排放量與汽車的整車質(zhì)量息息相關(guān),研究數(shù)據(jù)顯示,汽車的質(zhì)量越輕,與之對應(yīng)所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷就可以相應(yīng)的降低,當(dāng)車重每減輕10%時(shí),油耗則可降低6%~8%。由于普通白車身占整車質(zhì)量的20%~35%,所以車身的輕量化對于整車的輕量化至關(guān)重要[1-3]。

        由于傳統(tǒng)的鋼材工藝優(yōu)化空間有限、加工設(shè)備也難以適應(yīng)新的車身材料,采用新型材料和工藝是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的主要途徑。新型輕量化材料主要可以分為低密度和高強(qiáng)度兩類材料,當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的低密度輕質(zhì)材料有鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等,而高強(qiáng)度的材料主要指高強(qiáng)度鋼[4-5]。

        1 新型材料在輕量化中的應(yīng)用

        1.1 高強(qiáng)度鋼材料

        一般規(guī)定,將屈服強(qiáng)度介于210-550MPa間的鋼稱之為高強(qiáng)度鋼,其特點(diǎn)是價(jià)格低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗疲勞性能優(yōu)良以及易于沖壓和焊接,能夠充分的利用傳統(tǒng)的生產(chǎn)線,是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)輕量化的首選材料。目前,高強(qiáng)度鋼材料主要用在車身的加強(qiáng)件上面,如側(cè)圍的AB柱、地板邊梁、車門防撞桿等特殊重要部位。其減重的主要機(jī)理是充分利用自身超高強(qiáng)度來減薄鋼板的厚度,在實(shí)現(xiàn)車身減重的同時(shí),也提高了車輛的安全性能。高強(qiáng)度鋼材料在歐美國家車身的應(yīng)用比達(dá)到了55%以上,我國自主品牌的應(yīng)用也占到了45%左右。

        1.2 鋁合金材料

        鋁合金密度低、抗沖擊性能好,與鋼相比,鋁合金的密度只有鋼的35%,而吸能性卻是鋼的兩倍,因此,在安全碰撞性能方面,具有很大的優(yōu)勢,此外鋁合金儲量大、回收利用率高,作為新型輕量化材料,目前已在汽車制造領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)研究數(shù)據(jù)可知,鋁制產(chǎn)品在車身應(yīng)用減重率可以達(dá)到 50%左右,在滿足車身性能條件下,大大減輕車身的重量,實(shí)現(xiàn)車身的輕量化。鋁制與鋼制機(jī)蓋重量比較如表1。

        表1 鋁制和鋼制機(jī)艙蓋重量比較

        目前應(yīng)用較為廣泛的主要是5系和6系的鋁合金材料,5系列主要用于車身加強(qiáng)件,6系列主要運(yùn)用在車身的框架和外覆蓋件。奧迪A8、捷豹XJ等車型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全鋁車身,其車身采用鋁材制造,框架為立體結(jié)構(gòu),外覆蓋件為鋁板沖壓,與同類的鋼制車身對比,車身質(zhì)量減輕了30%-50%,油耗降低了5%-8%。

        1.3 鎂合金材料

        鎂合金作為所有的金屬材料中密度最小的一種,其比強(qiáng)度和比剛度都高于鋁合金和鋼,此外,還擁有很好的吸能、散熱和降噪的特點(diǎn),是鑄造件最好的材料之一,目前運(yùn)用較為廣泛的是鑄造變速箱殼體、轉(zhuǎn)向盤、發(fā)動(dòng)機(jī)托架等等,具有很大的輕量化應(yīng)用前景[7]。但是由于鎂元素熔點(diǎn)小、凝固結(jié)晶范圍大,不易形成熔池,接頭可靠性不高,加上化學(xué)活性高,制造生產(chǎn)中危險(xiǎn)性大,這些都很大程度的制約了鎂合金輕量化材料發(fā)展,現(xiàn)階段的應(yīng)用范圍要低于鋁合金材料。

        1.4 塑料和復(fù)合材料

        在目前的車身材料應(yīng)用中,為了滿足輕量化、防腐、美觀性等要求,非金屬材料越來越受到汽車開發(fā)人員的青睞,應(yīng)用于車身的輕量化非金屬材料主要有工程塑料和復(fù)合材料兩類。

        工程塑料材料主要包括PE、PVC、PA等,由于這類材料密度低、防腐、防震效果好、成型優(yōu)良等特點(diǎn),通過氣輔成型(GAM)、水輔成型(WAM)、雙組份注塑成型(DAM)等成型技術(shù)的加工制造,使其在車身材料中得到較大的應(yīng)用,比如保險(xiǎn)杠、翼子板及整車內(nèi)外飾等汽車零部件。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料組合,通常由基體和增強(qiáng)體兩部分構(gòu)成,增強(qiáng)材料主要包括纖維類和高分子類材料。由于復(fù)合材料的低密度、高強(qiáng)度和較好的耐高溫、耐腐蝕性特點(diǎn),主要運(yùn)用在汽車的懸架、車架等車身構(gòu)件上。

        2 新工藝在輕量化中的應(yīng)用

        2.1 激光拼焊成型技術(shù)

        激光拼焊(TWB)將厚度、材質(zhì)、沖壓性能、強(qiáng)度和表面處理等狀況不同的板坯先拼焊在一起,然后進(jìn)行整體的沖壓成型的一種加工方法[6]。1985年,德國大眾汽車最早采用激光拼焊技術(shù),接著,北美在1993年也普及了此項(xiàng)技術(shù)。我國于上世紀(jì)90年代末引進(jìn)激光拼焊技術(shù),目前,寶鋼是我國最大也是亞洲最大的激光拼焊公司,擁有二十余條激光拼焊線,年產(chǎn)板坯可達(dá)兩千多萬片,市場占有率70%以上。激光拼焊技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于車門內(nèi)板、車身側(cè)框架、地板和輪罩等車身部件。激光拼焊成型工藝見圖1。

        2.2 熱沖壓成型技術(shù)

        對于高強(qiáng)度鋼板而言,隨著材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的不斷增大,板材回彈也會變得嚴(yán)重,成型性能會明顯下降,零件的尺寸精度難以得到保證,特別是對于強(qiáng)度超過1000MPa且形狀復(fù)雜的零件,一般的沖壓工藝較難成型,此時(shí)高強(qiáng)度鋼的熱沖壓成型技術(shù)就能較好的得到運(yùn)用。熱沖壓成型技術(shù)主要通過熱處理和高溫成型結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)板材加工制造,工藝過程主要包括板材下料、加熱到奧氏體狀態(tài)、沖壓成型、冷卻淬火,最終獲得均勻馬氏體組織的高強(qiáng)度成型零件。由于成型的材料具有高強(qiáng)度、無回彈、輕量化的特點(diǎn),其應(yīng)用范圍非常廣泛,最典型的為側(cè)圍的AB柱,前后保險(xiǎn)杠等加強(qiáng)件。熱沖壓成型工藝見圖2。

        2.3 其他成型技術(shù)

        除了上述成型技術(shù)外,目前應(yīng)用較為廣泛的還有液壓成形工藝、不等厚度軋制工藝、復(fù)合材料注射成型工藝等等,這些先進(jìn)的成型工藝很好的滿足了新型輕量化材料和結(jié)構(gòu)的要求,為實(shí)現(xiàn)車身輕量化道路開辟了廣闊的途徑。

        3 我國車身輕量化面對的難題和挑戰(zhàn)

        經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國的汽車工業(yè)制造取得巨大的成績,然而在輕量化研究領(lǐng)域仍然面臨著較多的難題,主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。首先,我國的汽車行業(yè)沒有完整的關(guān)于汽車輕量化部件的技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),絕大多數(shù)整車企業(yè)在車身開發(fā)項(xiàng)目上一直沿用著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念;其次,我國的輕量化材料研究起步較晚,材料在車身的應(yīng)用不夠深入,輕質(zhì)材料的種類、性能與國外還有很大的差距;最后,由于技術(shù)不成熟,新型材料的開發(fā)、制造和加工成本很大,短期難以形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈,致使車身應(yīng)用成本明顯上升。

        汽車工業(yè)的快速發(fā)展為我國制造業(yè)提供了新的機(jī)遇,也帶來了更多挑戰(zhàn)。任何新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展都不是一蹴而就,涉及到眾多領(lǐng)域和學(xué)科的車身輕量化技術(shù)亦是如此,相信在輕量化浪潮的推動(dòng)下,更多的輕量材料和技術(shù)將得以應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn):

        [1]何莉萍.汽車輕量化車身新材料及其應(yīng)用技術(shù)[M].湖南大學(xué)出版社,2016,9.

        [2]李永兵,馬運(yùn)五,樓銘,等.輕量化多材料汽車車身連接技術(shù)進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(24):1-24.

        [3]陳玉蓮.汽車車身輕量化的研究進(jìn)展[J].熱加工工藝,2012,41(5):24-26.

        [4]慕溫周,楊人杰,朱珍厚,等.車身輕量化實(shí)現(xiàn)的思路及途徑[J].汽車電器,2018(2):6-8.

        [5]胡朝暉.面向汽車輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湖南:湖南大學(xué),2010.

        [6]林建平,孫東繼,胡巧聲,等.汽車用拼焊國內(nèi)外研究進(jìn)展[J].汽車技術(shù),2007(8):1-5.

        [7]Mordike B L,Ebert T.Magnesium properties-applications potential[J].Materials Science and Engineering A,2001,302:37-45.

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