蘇麗旭，劉莉滋，何 湧

（重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404130）

0 引言

20世紀(jì)80年代，能源危機(jī)讓全球各個(gè)國(guó)家引發(fā)了石油資源緊張，導(dǎo)致各國(guó)開(kāi)始了將輕量化技術(shù)應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域的研究。一些發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)怎樣才能解決地方資源匱乏和環(huán)境污染惡化等問(wèn)題，擬定并采用了一些強(qiáng)制性的法律條例與規(guī)章制度。各大品牌汽車(chē)制造商為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，開(kāi)始研發(fā)節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)、可適用輕量化、可回收的新型材料，并投入了大量的科技人才及先進(jìn)設(shè)備。同時(shí)，各國(guó)政府對(duì)國(guó)內(nèi)一些企業(yè)、高等院校以及研究機(jī)構(gòu)撥款，提供資金上的幫助，用于支持汽車(chē)輕量化材料的研發(fā)，以助推汽車(chē)輕量化技術(shù)的發(fā)展[1]。

如今，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)已成為全球共同關(guān)注并亟待解決的問(wèn)題。汽車(chē)使用消耗低碳化是整個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域減少排放、節(jié)約能源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)測(cè)算，車(chē)的總重降低1/10，可以減少8%的石油使用量；同時(shí)，石油的使用性價(jià)比增長(zhǎng)7%。所以，減少污染排放、節(jié)約能源、減少車(chē)身重量之間是密不可分的[2]。

與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)是我國(guó)重要的基礎(chǔ)行業(yè)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化普遍代替人工作業(yè)，縮減成本，帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益。將輕量化技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上，重量減少的同時(shí)降低了油耗，更方便與農(nóng)機(jī)協(xié)同作業(yè)。從國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，節(jié)約了能源，保護(hù)了環(huán)境。同時(shí)，降低了農(nóng)戶生產(chǎn)成本，科研工作者研發(fā)和創(chuàng)造的時(shí)間也大大減少，極大地降低了研發(fā)成本，消費(fèi)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力也得到改善[3]。

1 輕量化現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，農(nóng)業(yè)機(jī)械輕量化技術(shù)設(shè)計(jì)在農(nóng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)業(yè)、大型機(jī)械制造等領(lǐng)域已成為生產(chǎn)潮流，雖然我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但輕量化在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域涉及不多。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械輕量化的主要方法有兩個(gè)：一是改變農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的材料；二是采用先進(jìn)設(shè)計(jì)手段，使機(jī)械結(jié)構(gòu)更加合理。農(nóng)機(jī)輕量化能減少資源的使用量和設(shè)計(jì)制造時(shí)的用料，并且在農(nóng)機(jī)工作時(shí)各種操作性能也得到改善，大大激發(fā)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中農(nóng)用機(jī)械的競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

輕量化是在穩(wěn)定提升車(chē)輛性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，節(jié)能化、性能化地設(shè)計(jì)車(chē)體結(jié)構(gòu)零部件，使其逐漸薄壁化、中空化、集成化，從而降低農(nóng)機(jī)車(chē)架和部分機(jī)械覆蓋件的重量。對(duì)于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，降低自身重量達(dá)到減少油耗的效果，從而大大減少了能源的消耗。而且尾氣的排放量也隨之減少，進(jìn)而減少對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)環(huán)境[5]。

從農(nóng)機(jī)作業(yè)的角度來(lái)看，輕量化后在穩(wěn)定性、噪聲和振動(dòng)性也有所提高。從安全方面來(lái)看，如果農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)錯(cuò)誤發(fā)生急停，本身的慣性較小，制動(dòng)距離就減少，預(yù)防生產(chǎn)損失。再加上在行駛碰撞過(guò)程中塑料材料的沖擊較小，因此會(huì)更安全。實(shí)現(xiàn)車(chē)體輕量化的方法有：1）車(chē)架小型化，設(shè)計(jì)小排量農(nóng)機(jī)。2）農(nóng)業(yè)機(jī)械的合理化結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。3）就現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，解決農(nóng)業(yè)機(jī)械輕量化最關(guān)鍵方法之一就是采用新的輕量化制造材料。在汽車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)，如車(chē)身、車(chē)子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車(chē)體懸架、輪子、覆蓋件、制動(dòng)等上應(yīng)用輕量化材料，都是農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選方向[6]。

目前，在輕量化方面的研究大多集中于采用新型材料，但由于制造成本、加工工藝、保護(hù)環(huán)境等方面的問(wèn)題，這些材料很難用在一般農(nóng)用機(jī)械上；在設(shè)計(jì)優(yōu)化保證滿足機(jī)械零件所有力學(xué)性能的需求下，農(nóng)業(yè)機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)才更有實(shí)際意義[7]。

2 輕量化材料

當(dāng)今，汽車(chē)優(yōu)化程度與設(shè)計(jì)制造的程度息息相關(guān)。而優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械的重中之重就是材料。由于當(dāng)今世界的潮流是節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，農(nóng)機(jī)制造企業(yè)應(yīng)規(guī)劃新對(duì)策，想方設(shè)法減少損耗以及污染氣體的排放。因此，只能從降低車(chē)身重量入手。通過(guò)新型制作材料來(lái)增強(qiáng)汽車(chē)的綜合性，從而讓車(chē)架結(jié)構(gòu)重量減少，實(shí)現(xiàn)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展[8]。

2.1 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼制造材料應(yīng)用在車(chē)輛設(shè)計(jì)制造材料中的比值，是其他類(lèi)金屬制造材料的4倍，金屬制造材料的輕量化對(duì)車(chē)身重量輕量化有著舉足輕重的影響。高強(qiáng)度鋼本身屬性能很好地提高車(chē)輛安全駕駛和穩(wěn)定可靠性能[9]。

通過(guò)運(yùn)用力學(xué)性能較好的材料以降低材料使用量，來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，有著巨大潛力。在保持制造費(fèi)用不變的基礎(chǔ)上，保證車(chē)輛駕駛的安全可靠，可減少鋼板的厚度值，大大降低車(chē)身質(zhì)量，達(dá)到減少排放、節(jié)約能源的目的。由于高強(qiáng)度鋼板可以提升車(chē)輛抗碰撞能力，減輕自身重量。依靠其強(qiáng)度可以縮小車(chē)身結(jié)構(gòu)零件及支撐件的橫截面積，從而改善材料的抗碰撞和抗疲勞方面的性能[10]。

如今，從抗拉強(qiáng)度來(lái)定義劃分，車(chē)輛設(shè)計(jì)制造行業(yè)中使用最廣的制造材料是高強(qiáng)度鋼，其中還包括雙相鋼、馬氏體鋼等。通過(guò)自身的硬度高的優(yōu)點(diǎn)，減少自重的同時(shí)加強(qiáng)駕駛安全可靠性。目前，主要應(yīng)用在安全方面（保險(xiǎn)杠）、主受力結(jié)構(gòu)方面（防撞梁、支撐柱）等[11]。

在農(nóng)機(jī)制造行業(yè)中，高強(qiáng)度鋼盡管應(yīng)用比較普遍，但也有幾個(gè)難題。比如，其本身的延伸率較低，硬度增強(qiáng)的同時(shí)延伸率反而慢慢下降；在制造過(guò)程中，鋼材的彎曲強(qiáng)度隨著長(zhǎng)度增加而減少，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)回彈性能，控制難度大。隨著制造技術(shù)的不斷改善，其本身的性能獲得很大的提高，鋼的延伸率也獲得改善。使用制造行業(yè)前沿的新技術(shù)工藝達(dá)到降低車(chē)身自重的目標(biāo)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車(chē)輛領(lǐng)域輕量化作出了很大的貢獻(xiàn)[12]。

2.2 鋁合金

鋁合金是一種輕金屬合金，自身的密度達(dá)到了鋼的一半，但屈服強(qiáng)度卻跟鋼材質(zhì)的一樣，鋁材料作為輕金屬，在制造行業(yè)中使用比較廣泛。用其制造的車(chē)身能在很大程度上降低質(zhì)量數(shù)值，鋁合金相對(duì)于鋼鐵等材料，可減少一半以上，從而起到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境等作用，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。由于本身的研發(fā)費(fèi)用高，現(xiàn)如今使用全鋁車(chē)身的大都集中在世界制造廠商的名牌汽車(chē)[13]。

在吸能性能方面，鋁材料要比鋼材好得多，這同時(shí)也是比鋼材普遍應(yīng)用的原因。在設(shè)計(jì)制造的相撞測(cè)驗(yàn)中得出鋁材料更具有安全可靠性，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生車(chē)禍時(shí)，通過(guò)車(chē)前部形成褶皺和變形，車(chē)前部可吸能緩沖大部分的撞擊力，從而保障車(chē)內(nèi)人員的生命安全。在應(yīng)用鋁材料制造農(nóng)業(yè)機(jī)械時(shí)，用在農(nóng)機(jī)的前后車(chē)身覆蓋件或車(chē)身橫梁等，車(chē)身質(zhì)量大大減輕，行駛速度一樣的情況下降低動(dòng)能，車(chē)禍發(fā)生時(shí)能降低傷害[14]。

目前，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。鋁材料得不到廣泛應(yīng)用主要還是因?yàn)閮r(jià)格太昂貴，生產(chǎn)成本費(fèi)用較高。其次，能夠修復(fù)鋁材料的廠家企業(yè)比較少?，F(xiàn)在，鋁合金材料大都應(yīng)用在車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部零件上，像油底殼、內(nèi)燃機(jī)機(jī)體、活塞等[15]。

2.3 鎂合金

鎂在力學(xué)性能方面與鋁材料相仿，密度僅是鋁材料的三分之二，減震能力也比鋁的效果好，并且可回收性好，符合環(huán)保要求，是農(nóng)業(yè)機(jī)械輕量化所選用金屬制造材料中效果最好的首選材料。具有機(jī)械加工性能好、屈服強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在穩(wěn)定性、減震性、散熱性方面都有不錯(cuò)的效果[16]。鎂合金密度一般比鋁合金輕30%～50%，比鋼材輕65%以上。由于其良好的鑄造性能以及模態(tài)[17]，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的各零部件的設(shè)計(jì)研究中，可用在農(nóng)機(jī)內(nèi)裝系統(tǒng)如窗框架、轉(zhuǎn)向盤(pán)、座椅底座、前端支架、車(chē)身、車(chē)門(mén)、前后艙體、儀表板、座椅、中控支架等；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中副車(chē)架、輪載、懸架、轉(zhuǎn)向器也可采用[18]。

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械而言，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、駕駛安全、行駛舒適、更智能化和網(wǎng)絡(luò)控制是未來(lái)農(nóng)機(jī)發(fā)展的大趨勢(shì)[19]。隨著全球資源和能源危機(jī)加劇，降低能耗和污染、節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境是大勢(shì)所趨。通過(guò)將鎂合金用于車(chē)輛的輕量化，對(duì)降低能源消耗、減少污染、保障國(guó)家安全有著極其重大的意義[20]。

現(xiàn)如今，鎂合金材料及其制品已列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展高性能鎂合金材料和技術(shù)，需要大規(guī)模宣傳和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)鎂合金研究尚處起步階段，材料本身在性能上也存在著眾多的問(wèn)題。比如，它的耐腐蝕性比其他制作材料要差一些，限用于車(chē)身內(nèi)部的零件，或者車(chē)輛工作環(huán)境好的情況下[21]。因此，還需要對(duì)新的鎂合金材料和其制造成型技術(shù)進(jìn)行深入研究，加大對(duì)科研人員和研究設(shè)備的投入，才能推動(dòng)在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的規(guī)?；瘧?yīng)用，產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[22]。

2.4 鈦合金

鈦合金各個(gè)方面的性能良好，相比于其他幾種材料有很大的優(yōu)勢(shì)。它的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、密度低、屈服強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕性好等，適合用在農(nóng)業(yè)機(jī)械上。通過(guò)減輕農(nóng)機(jī)工作部件的重量以及緩解車(chē)架相關(guān)結(jié)構(gòu)零件的負(fù)載能力，提高內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，能很好地降低農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)的車(chē)身震動(dòng)，提高工作效率[23]。

鈦材料在環(huán)保方面的性能也是不錯(cuò)的。因?yàn)槠浔旧碛兄滦筒牧系奶攸c(diǎn)，所以也得到了各國(guó)汽車(chē)制造商的關(guān)注。鈦材料本身密度不高，密度值在鋁材料和鐵材料密度值之間，農(nóng)用機(jī)械將其應(yīng)用在制造設(shè)計(jì)各零件當(dāng)中，也會(huì)有相當(dāng)顯著的效果?，F(xiàn)如今，各類(lèi)品牌汽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和生產(chǎn)零件上使用鈦材料也是普遍存在的[24]。

鈦材料也普遍應(yīng)用于車(chē)輛的排氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制成的零器件可比其他材料制成的輕一半。在生產(chǎn)作業(yè)穩(wěn)定性和強(qiáng)度不變的情況下，重量越輕車(chē)速更快，并且節(jié)省燃料?，F(xiàn)如今，鈦加工技術(shù)越來(lái)越完備，一些經(jīng)過(guò)改善后的加工設(shè)備、刀具能對(duì)大型結(jié)構(gòu)件、零構(gòu)件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工處理，大大提高了加工制造的效率[25]。

雖然車(chē)輛輕量化技術(shù)發(fā)展較快，但是鈦合金在國(guó)內(nèi)制造行業(yè)中的使用并不多，最根本問(wèn)題就是鈦合金材料價(jià)格昂貴，各個(gè)零部件加工費(fèi)用高，焊接技工差也是亟待解決的問(wèn)題。在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中，如果可以降低原材料的研發(fā)費(fèi)用，降低鈦制零部件的銷(xiāo)售價(jià)格，并通過(guò)有效的加工方法改善鈦合金性能，就能促使鈦合金在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展[26]。

2.5 復(fù)合材料

塑料金屬?gòu)?fù)合材料。由于各種塑料金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)構(gòu)致密，老化程度相對(duì)較小，擁有良好的保溫防水和隔熱性、耐腐蝕性，容易用于制造和加工成型車(chē)輛中一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要零配件[27]。所以汽車(chē)使用的各種塑料金屬?gòu)?fù)合材料及其制造工藝加工簡(jiǎn)便，耐沖擊，隔熱性能好，設(shè)計(jì)利用空間大，外觀設(shè)計(jì)多樣化，絕熱保溫性能良好。目前，在新一代能源和純電動(dòng)車(chē)輛中，塑料金屬?gòu)?fù)合材料是能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、輕質(zhì)量和小量化技術(shù)應(yīng)用的重要復(fù)合材料[28]。比如，塑料鋼的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)要低于鋁和鎂合金，是一種十分典型的輕質(zhì)重量化耐用建筑材料。

塑料材料在非金屬制造中普遍應(yīng)用的是聚丙烯和聚氨酯等。它有著抗腐蝕性強(qiáng)、費(fèi)用低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，能提高車(chē)輛整體舒適性，對(duì)于車(chē)輛裝飾美化方面有著顯著效果。在整個(gè)車(chē)輛設(shè)計(jì)構(gòu)造中內(nèi)飾件、外飾件都采用塑料材質(zhì)，盡管?chē)?guó)內(nèi)車(chē)輛制造中應(yīng)用最少就是非金屬材料，但仍然占到總車(chē)質(zhì)量的5%[29]。

一般民用級(jí)別的復(fù)合材料由于其強(qiáng)度問(wèn)題，主要用在后排的座底骨架，且由于其成本問(wèn)題，現(xiàn)階段主要的進(jìn)展在通過(guò)有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化上，并無(wú)太多的實(shí)際使用。另外，成本高也是使用少的原因。待以后生產(chǎn)費(fèi)用成本有所降低后，實(shí)際應(yīng)用可能性才有所提升和推廣。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，機(jī)械設(shè)計(jì)制造輕量化已是大勢(shì)所趨，現(xiàn)代汽車(chē)制造、工程機(jī)械制造、重工業(yè)制造等領(lǐng)域，鎂、鋁合金、鋼材、復(fù)合材料、鈦合金等材料已經(jīng)有了不同程度的應(yīng)用。但恰恰在我國(guó)這樣一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的國(guó)家，輕量化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造反而特別少。主要應(yīng)用在大型的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品，而應(yīng)對(duì)各種場(chǎng)景、性能、功能的產(chǎn)品，面向中小類(lèi)車(chē)型推廣，減少輕量化零件費(fèi)用等問(wèn)題，亟需進(jìn)一步研究和解決[30]。

因此，要增強(qiáng)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，就必須大力推廣輕量化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有效降低機(jī)械原料的大量使用，減少燃耗，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械操作和運(yùn)行的穩(wěn)定性[31]。因此，隨著國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械向高端和環(huán)保化的方向發(fā)展，輕量化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在一定程度可能會(huì)逐漸成為國(guó)內(nèi)大型農(nóng)機(jī)、機(jī)械制造企業(yè)未來(lái)發(fā)展的重心。同時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)能有效降低資源消耗，減少環(huán)境污染，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[32]。