【汽车轻量化正在线】本文对于汽车轻量化的须要性、后果、可完成范畴、研讨范畴做了概述，剖析了差别轻量化资料的合作力，引见了汽车行业的高强度钢使用趋向，瞻望了将来汽车开辟的研讨课题。

汽车轻量化对于金属资料的需要

朴明洙 金妍青

上海帅丰实业无限公司

汽车轻量化不过是以后汽车行业最抢手的话题之一,而轻量化后果最为分明的体式格局便是正在资料上完成轻量化。用于汽车轻量化的资料大抵可分为4种:

◇高强度钢,包含TWIP(Twinning Induced Plasticity,孪晶引诱塑性钢)、HSS(High Strength Steel,高强度钢)、AHSS(Advanced High Strength Steel,进步前辈高强度钢)、UHSS(Ultra High Strength Steel,超高强度钢);

◇铝合金(Aluminum Alloy);

◇镁合金(Magnesium Alloy);

◇碳纤维加强复合资料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)、玻璃纤维加强复合资料GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer/Plastic)。

这些资料各有差别的密度与特征,可以正在满意须要功用的同时还能完成轻量化,正在汽车开辟范畴失掉了普遍使用。

汽车轻量化的须要性

油耗及减排规范的请求

因为全世界变暖景象加重和汽车需要量的急剧增加,动力干涸成绩更加严峻,全世界列国在逐步强化无关汽车油耗以及尾气排放的规范。随之,国际外汽车行业为了满意日趋严厉的相干规范,在继续展开多种研发任务,而汽车轻量化与低落油耗及增加排放量具备亲密的联系关系性。

汽车制作范畴的进步前辈国度早已经开端实施CO2减排任务化。欧洲在逐年年夜幅度强化排放规范,从2008年的140 g/km低落到2020年的95 g/km,估计2025年还要降到75 g/km,比拟2008年降幅高达46%。欧洲CO2排放规范变革趋向见图1。

图1 欧洲CO2排放规范变革趋向

油耗规范的变革趋向也没有破例,欧洲2015年的油耗规范为17 km/L,现已经订定2020年完成21 km/L,2025年方案完成 23 km/L,比拟2015年各添加了23%以及35%。美国2017年的油耗规范为36.2 mpg(15.4 km/L),2020年的目的是44.8 mpg(19.0 km/L),2025年则方案完成56.2 mpg(23.9 km/L),比拟2017年各添加了24%以及55%。日本2015年的油耗规范为16.8 km/L, 2020年估计到达20.3 km/L,比拟2015年添加了21%。中国油耗规范也正在不时强化,2020年的目的是完成5 L/100 km,比拟2015年的6.9 L/100 km低落了28%。欧洲、韩国、美国的油耗规范变革趋向见图2,美国、日本、中国的油耗规范变革趋向见图3。

图2 欧洲、韩国、美国的油耗规范变革趋向

碰撞平安法例的请求

除油耗及减排规范,无关碰撞平安的法例也变患上愈来愈严厉。以往的汽车碰撞实验范围于以侧面碰撞为中间,因而没法充沛反应真正的汽车碰撞变乱景象。但如今关于偏偏置碰撞、正面碰撞、后部碰撞、顶压测试等实验的办法以及规范都正在继续强化,美国已经请求2013年当前上市的新车必需一致实施25%偏偏置碰撞。因而,轻量化资料正在完成减重的同时,也要包管必定的强度来满意汽车的平安性。

图3 美国、日本、中国的油耗规范变革趋向

汽车行业技能开展紧张度的变革

别的,汽车行业相干技能开展的紧张度也有分明的变革。据查询拜访,2012年排正在汽车行业技能开展前3位的顺次为油耗、车辆通讯、新动力,轻量化资料正在9项查询拜访名目中排倒数第2位,可知其紧张度还很低。到了2015年,前3位稳定,但轻量化资料回升到了第5位,行业对于轻量化技能的存眷度有了进步。而2017年老量化资料盘踞了第2位,紧张度仅次于油耗,高于外型计划、车辆通讯、新动力等,由此看到轻量化资料已经是汽车行业技能开展中的中心局部。汽车行业技能开展紧张度变革趋向见图4。

汽车轻量化的后果

低落油耗的技能可分为:

◇经过燃油直喷式发起机、双聚散变速器等晋升能源总效果率的技能;

◇应用混淆能源汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等替代传统动力的技能;

◇分离氛围能源学的外型计划技能;

◇应用高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料等资料的轻量化技能。

若将整车分量加重10%,会对于如下6种车辆功能起到晋升感化。

◇可晋升3.8%的油耗功能;

◇可晋升8%的减速功能(100 km提速);

◇可延长5%的制动间隔;

◇标的目的盘转向才能可晋升6%;

◇底盘运用寿命可添加1.7倍;

◇可增加4.5%的一氧化碳(CO)、2.5%的碳氢化合物(HC)、8.8%的氮氧化合物(NOx)的排放。

汽车轻量化的可完成范畴

凡是状况下,正在整车总分量中各零碎所占的比重为:车身零碎约25%;底盘零碎约25%;能源总成约26%;表里饰零碎约15%;电气零碎约4%;其余安装约5%。此中,能源总成固然也正在资料方面停止必定的轻量化,但其重点是正在于经过晋升发起机服从、增加尺寸、改进加速器等体式格局到达低落油耗的目标。而表里饰零碎、电气零碎和其余安装次要是思索功用及美妙性来挑选运用差别资料,其轻量化后果绝对较少。因而,轻量化的次要目的正在于车身零碎以及底盘零碎,2种零碎的轻量化可完成范畴较年夜,正在整车分量中的占比也高,是浩繁工程师以及研讨职员需求打破的困难。汽车轻量化的可完成范畴见图5。

图4 汽车行业技能开展紧张度变革趋向

汽车轻量化的研讨范畴

汽车轻量化的研讨范畴可分为:

◇资料轻量化,是经过采纳轻质资料或者完成立异资料的研发作产,替代以往运用的钢铁,比方高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、碳纤维、玻璃纤维等。

◇构造轻量化,是经过计划满意刚度请求的最好构造,完成资料运用量的最小化,比方零部件的模块化与集成化、采纳复合搭接构造、应用空间框架、使用圈型构造等。正在工程计划进程中完成构造最优化,可到达最年夜5%的轻量化后果。

◇工艺轻量化,是经过改进以及开辟消费工艺技能,正在消费进程中完成轻量化,比方激光焊接(Laser Welding)、液压成型(Hydro Forming)、滚压成型(Roll Forming)、激光拼接焊(TWB,Tailor Welded Blanks)、差厚板轧制(TRB， Tailor Rolled Blank) 等技能。

轻量化资料的合作力剖析

思索到各轻量化资料的性子,以轻量化后果、用度合作力、消费性、强度及刚性、功用特征、环保性等6项为判别要素,对于高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和碳纤维资料(CFRP)停止了详细的比照剖析。轻量化资料的合作力剖析如图6所示。

轻量化后果方面,因为与钢铁的分量密度相差较年夜,塑料以及碳纤维明显最有劣势。但用度合作力方面,思索到资料费及加工费,高强度钢以及塑料最为公道,碳纤维则是5种轻量化资料中最贵的资料。正在消费性上,还是高强度钢以及塑料更占劣势,而铝合金也没有逞强。综合思索抗拉强度、抗打击强度、疲惫强度(经久性)等要素,强度及刚性最强的是碳纤维,其次是高强度钢。而这5种资料都具有本身固有的长处以及缺陷:

图5 汽车轻量化的可完成范畴

图6 轻量化资料的合作力剖析

◇高强度钢的耐蚀性较差;

◇铝合金则具备较高的耐蚀性以及美妙性;

◇镁合金能汲取震撼、阻断电波,但却易腐化、易燃;

◇塑料具备较高的耐蚀性以及成型性;

◇碳纤维也具有汲取震撼、耐腐化的长处;

◇正在环保性方面,绝对较高的只要高强度钢,其余资料都短少合作力。

综合上述剖析,高强度钢是以后最合适用于轻量化的资料。高强度钢固然因分量密度与钢铁相差较小,正在减重后果方面绝对其余资料劣势较弱,但其强度及刚性可满意车辆功能以及碰撞平安性,而与异样正在强度及刚性劣势较年夜的碳纤维比拟,具备很年夜的用度合作力。而且,思索成型、加工、接合等消费技能难度及现有消费设置装备摆设的相沿率,其消费性也十分可不雅。别的,正在本钱回升方面,运用高强度钢比拟平凡钢铁只要15%～20%的晋升,比其余资料具有较高的性价比。

汽车行业的高强度钢使用趋向

跟着汽车行业对于轻量化的研讨与投资更加活泼,过来以钢铁为支流的车辆开辟期间,逐渐进入增加钢铁比重、添加响应轻量化资料的新期间。早正在1990年,汽车行业进步前辈国度就已经开端开辟铝合金轻量车身并投入量产。但运用铝合金正在已经有消费设置装备摆设的相沿和成型、加工、分离技能方面的打破以及资料用度上仍存正在良多成绩。

作为汽车轻量化的须要前提,轻量化资料的挑选极其紧张。据理解,正在2000年,软钢(Mild Steel)以及高强度钢(HSS)的运用率各占49%以及46%,进步前辈高强度钢(AHSS)以及超高强度钢(UHSS)的运用率只要3%以及2%,以A级SUV车型为准的车身分量高达440～460 kg。而到了2010年,软钢以及高强度钢的运用率呈现了分明降低,进步前辈高强度钢以及超高强度钢的运用率回升到了5%以及10%,并开端运用热压成形钢(HPF， Hot Press Forming),其运用率高达11%。依据揣测,估计2020年进步前辈高强度钢、超高强度钢、热压成形钢将盘踞车身体料的绝年夜局部,其运用率各为22%、12%、35%,从而完成20～30%以上的轻量化后果。2000-2020年,高强度钢的使用趋向见图7,车身的分量变革见图8。图7中所说起的差别强度的资料包含:

◇300 MPa如下,为软钢(Mild Steel);

◇300～600 MPa,为高强度钢(HSS);

◇600～1 000 MPa,为进步前辈高强度钢(AHSS);

◇1 000 MPa以上,为超高强度钢(UHSS);

◇1 500 MPa以上,为热压成形钢 (HPF)。

图7 高强度钢的使用趋向

图8 车身的分量变革

依据正在车辆中的差别用处,对于资料特征的请求也各没有相反,材质的抗拉强度以及延长率便是紧张的判别规范。以后运用最普遍的高强度钢是双相钢(DP， Dual Phase)、 复 相 钢(CP， Complex Phase)、相变引诱塑性钢(TRIP， Transformation Induced Plasticity)、孪晶引发塑性钢(TWIP，Twinning Induced Plasticity)等,凡是用于车身外板、碰撞打击力汲取件、车身维护件、分量支持件、车身构造增强件等。高强度钢正在车身上的使用见图9。

图9 高强度钢正在车身上的使用

近期韩国的一家钢铁资料公司研收回一种名为“千兆钢(Giga Steel)”的超高强度钢,取得了行业内的高度存眷,该资料正在刚度、加工性、轻量化、环保性、经济性方面都能满意无关汽车开辟的多项请求。10 cm×15 cm巨细的千兆钢可接受一吨摆布松散型乘用车1 500台的荷重,其刚度是车身用铝材的3倍以上。凡是刚度过高会招致资料过硬,很难加工成所需形状,而千兆钢可经过调剂锰(Mn)的配比,同时满意刚度以及加工性。对于分量,钢铁的密度比铝高3倍,以是分量也是铝的3倍,但千兆钢恰恰相同,千兆钢的刚度是车身用铝材的3倍以上,只用1/3的厚度也能够满意相反的刚度需要,因而对于汽车轻量化十分有益。综合思索汽车的制作阶段、运用阶段、运用后阶段,运用千兆钢能够正在车辆的性命周期中增加10%摆布的二氧化碳累计排放量。正在经济性方面,运用千兆钢比拟铝材能够浪费78%的资料费及68%的加工费,可以无效俭省消费本钱。

久远看来,以后的资料技能还远远不敷,为满意不时增加的汽车轻量化及碰撞平安性的需要,此后仍需继续不时地研发新型资料,特别是处于高强度钢以及超高强度钢之间并满意车身各构造的成型及消费工艺需要的进步前辈高强度钢资料。

汽车开辟的研讨课题

将来汽车的开展标的目的以平安以及环保为中心,随之,按捺CO2等尾气的排放和开辟轻量化资料以及新的环保动力成了以后汽车行业的重点研讨课题。一方面,对于汽车环保规范、动力服从、平安性、便当性的请求愈来愈严厉,另外一方面,电池开辟、机电开辟、轻量化资料、车辆智能运转、无人驾驶等技能的开展愈来愈快,汽车开辟真正要做的便是经过这类需要的领导以及技能的支持,完成将来汽车的电动化、智能化、轻量化。而正在这此中,轻量化不只可以补偿其余油耗改进技能的范围性,其位置还逐步回升为添加续航里程和改进环保功能的须要前提。

根源： 期刊-《煤油商技》

作者：朴明洙 金妍青

单元：上海帅丰实业无限公司