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        汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展探析

        2021-11-24 07:33:37孟召軍
        商品與質(zhì)量 2021年9期
        關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料汽車

        孟召軍

        凱勒(南京)新材料科技有限公司 江蘇南京 211505

        隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,人們的生活水平不斷提高,家庭汽車保有量持續(xù)增長(zhǎng),這一方面給人們的日常出行帶來了極大的便利,而另一方面又引發(fā)了能源損耗、環(huán)境污染等問題。近年來的研究表明,汽車輕量化是減少能耗、降低污染的有效手段之一,同時(shí)還有利于改善汽車性能,提升汽車的運(yùn)行質(zhì)量,對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此,進(jìn)入新世紀(jì)以來,全球各國都加大了汽車輕量化技術(shù)的研究與應(yīng)用。

        1 汽車輕量化的研究意義

        近年來,汽車生產(chǎn)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,人們對(duì)其綜合性能的要求也在不斷提高,同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,汽車輕量化逐漸成為一種趨勢(shì),這樣一來,不僅汽車的油耗有所降低,尾氣排放量也可以得到更好的控制,從而起到保護(hù)環(huán)境的作用。要想實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化,首先要從新材料的研發(fā)入手,開發(fā)高強(qiáng)度、低能耗的高效汽車材料??梢哉f,汽車生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步離不開高性能材料的應(yīng)用。研究表明,汽車整車重量減少十分之一,油耗量可減少7%左右,而且汽車輕量化還可以大幅提升汽車的加速性能,系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等也能夠得到明顯的改善。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明,汽車車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)等可占到汽車總重的三分之二。其中,車身的重量又是占比最高的,因此,降低車身的重量對(duì)汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。總的來講,要想實(shí)現(xiàn)汽車輕量化,需要從車身材料入手,研究低能耗、高強(qiáng)度的綠色環(huán)保材料,以此提升汽車的總體性能[1]。

        2 汽車輕量化的主要措施

        2.1 結(jié)構(gòu)的輕量化

        隨著數(shù)字化、智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用,計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)深入到汽車生產(chǎn)、制造的整個(gè)流程當(dāng)中,對(duì)于汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。在輕量化過程中,結(jié)構(gòu)的輕量化是其中的重要組成部分,利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)已有的汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化,能夠在確保車輛安全性的前提下,減少總體質(zhì)量并且提升綜合性能。通過計(jì)算機(jī)輔助軟件的應(yīng)用,可在虛擬環(huán)境下對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、柔韌度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛總體性能的仿真評(píng)估,從而確保了汽車輕量化過程中不會(huì)影響到最終的安全性能。此外,在虛擬環(huán)境下,可進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn),以此對(duì)碰撞事故的發(fā)生進(jìn)行模擬,雖然所得數(shù)據(jù)趨于理想化,但其結(jié)果仍然有著很高的參考價(jià)值,尤其在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,仍然具有重要的意義[2]。通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用,大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期,為汽車結(jié)構(gòu)的輕量化提供了可能。

        2.2 材料的輕量化

        材料科技的發(fā)展,使得汽車、飛機(jī)等工業(yè)產(chǎn)品從理論化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)??梢哉f,材料科技是諸多學(xué)科從理論變?yōu)閷?shí)際的必要前提,是一個(gè)企業(yè)、乃至一個(gè)國家提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。塑料和復(fù)合材料是近年來最熱門的研究方向之一,已被應(yīng)用到多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。比如:在飛機(jī)制造中,碳纖維復(fù)合材料就得到了廣泛的應(yīng)用,不僅實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的輕量化,提升了總體的安全性,還帶來了更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于汽車生產(chǎn)來說,同樣要重視材料的輕量化,很多專家都認(rèn)為塑料和復(fù)合材料的應(yīng)用將是汽車輕量化的重要途徑。若想通過材料的優(yōu)化來減輕車身重量,并提升汽車的安全性、舒適性,就必須讓塑料和復(fù)合材料逐步取代部分金屬構(gòu)件。

        3 復(fù)合材料與汽車輕量化

        3.1 復(fù)合材料特點(diǎn)

        復(fù)合材料,主要是利用物理或化學(xué)手段將多種不同特性的材料集合到一起,從而獲得新的性能。通過復(fù)合材料的大量應(yīng)用,能夠有效減輕汽車重量,汽車輕量化才能得以實(shí)現(xiàn)。一般來說,復(fù)合材料具有以下特點(diǎn):

        (1)密度小、質(zhì)量輕。在汽車的輕量化生產(chǎn)中,金屬材料往往需要通過降低強(qiáng)度、硬度等措施來優(yōu)化車身結(jié)構(gòu),進(jìn)而減少車輛的總質(zhì)量。通過對(duì)復(fù)合材料的研究發(fā)現(xiàn),在相同尺寸下,其質(zhì)量要遠(yuǎn)低于金屬材料,尤其是碳纖維復(fù)合材料,不僅使得汽車的整體結(jié)構(gòu)更加輕質(zhì)化,在性能方面也能得到明顯的改善。

        (2)研發(fā)的方向更加寬廣。材料技術(shù)的不斷進(jìn)步,使得復(fù)合材料的研究前景更加寬廣。根據(jù)人們的不同需求,可以定制生產(chǎn)更具個(gè)性化的車身結(jié)構(gòu),以方便各種不同的運(yùn)行狀況,不論是專業(yè)性還是應(yīng)用性,都獲得了大幅增強(qiáng)[3]。

        (3)安全性更高。金屬材料在使用中,難免會(huì)出現(xiàn)老化、磨損等情況,特別是長(zhǎng)期暴露在惡劣環(huán)境下,更是會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的老化問題,這必然會(huì)造成較大的安全隱患。復(fù)合材料的抗老化、耐腐蝕能力更強(qiáng),其在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用,可有效提升汽車的安全性能。

        3.2 塑料和碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

        塑料和碳纖維復(fù)合材料,已在汽車生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。汽車的儀表板、后備箱等部分,都開始用到塑料??紤]到單一塑料無法滿足現(xiàn)有的使用需要,復(fù)合材料的作用愈加凸顯出來。復(fù)合材料所具有的低密度、耐腐蝕、耐沖擊等特點(diǎn),更好的滿足了汽車生產(chǎn)低重量、高強(qiáng)度等性能要求,在綜合性能方面更是實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。比如,碳纖維復(fù)合材料有著非常理想的強(qiáng)度、剛度,可滿足底盤、車身等結(jié)構(gòu)的性能需要。當(dāng)前的新型電動(dòng)汽車,外殼就普遍應(yīng)用到了碳纖維復(fù)合材料,比傳統(tǒng)材料的重量大幅減輕。當(dāng)然,我們也必須意識(shí)到,復(fù)合材料在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用,給汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑,同時(shí)也對(duì)制造技術(shù)提出了更高的要求,如沖壓、焊裝等生產(chǎn)制造技術(shù)、管理形式等都必須做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。

        4 結(jié)語

        總的來說,隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,帶來了更加嚴(yán)重的能源損耗、環(huán)境污染問題,這就使得汽車輕量化成為重要的研究方向。材料的輕量化,是汽車輕量化的重要途徑,應(yīng)根據(jù)車輛的不同需要,選擇相應(yīng)的材料。當(dāng)然,只有將多種輕量化技術(shù)結(jié)合起來,才能充分展現(xiàn)輕量化的優(yōu)勢(shì),這就需要進(jìn)一步加強(qiáng)集成化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)研究。

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