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      汽車輕量化用金屬材料(下)

      2016年10月17日 9:44 4197次瀏覽 來源:   分類: 新材料前沿

        夾層鋼板:分鋼夾層板和鋁夾層板兩種。共同特點是質(zhì)量小、吸收噪聲,可提高強度和剛度。采用這種鋼板制造將使零件自身質(zhì)量減輕25%~30%。隨著成形工藝的發(fā)展,超輕超薄高強度鋼板的應用正在向汽車附件(如車門、發(fā)動機罩、尾箱蓋板等)延伸。
        不銹鋼板:具有良好耐蝕性和耐熱性,可以比普通鋼制得更加壁薄和小型化。開始時多為汽車外部裝飾材料,隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展,擴大了其在汽車上的應用范圍。
        在19世紀的最后30年,汽車工業(yè)在高強度鋼板等方面,為實現(xiàn)汽車輕量化已取得了顯著的成績。汽車用鋼逐步向高強度化方向發(fā)展,當鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm時,車身減重分別為6%、12%、18%??梢?,增加鋼板強度是減少鋼板厚度減輕車重的重要途徑。
        此外, 高強度鋼車身骨架結(jié)構(gòu),在保證車身強度和剛度的同時,可以實現(xiàn)減輕重量的目的。目前日、美、歐轎車所采用的車身結(jié)構(gòu),主要有獨立式鋼質(zhì)車身、組合式鋼質(zhì)車身、鋼質(zhì)立體框架和鋁質(zhì)立體框架等幾種型式。車身的骨架件多用鋼板沖壓而成。各大汽車生產(chǎn)廠商都致力于車身骨架結(jié)構(gòu)的改造。日本三菱公司的帕杰羅(SPORT)為該公司最新的SUV型車設計了全新的車身結(jié)構(gòu),車身70%的構(gòu)件由高強度鋼板制成,邊梁的厚度比吉普系列的其它車型增加了20%,因此整車的扭轉(zhuǎn)剛度甚至比大切諾基還要高45%,車身的承載能力可達2噸以上。韓國現(xiàn)代公司的SONATA車身結(jié)構(gòu)也用高強度鋼板進行了加強, 橫梁和立柱全部使用800MPa的高強度鋼。奔馳公司在SLK車身骨架中大量使用高強度鋼使扭轉(zhuǎn)剛度增加了70%,安全性大大提高的同時也減少了車身的重量。1999年問世的寶馬3系列車身骨架中使用了50%的高強度鋼。福特的Windstar車身骨架中60%是高強度鋼。TOYOTA最新的車型Vitz的車身結(jié)構(gòu)中高強度鋼占了48%,比該公司生產(chǎn)的Starlet車減重17kg。美洲豹X-Type2.5在車身結(jié)構(gòu)上采用了整片式車艙結(jié)構(gòu)(Monocogue Body),實現(xiàn)了顯著的輕量化。
        鎂及鎂合金是21世紀最具開發(fā)前景的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鎂及鎂合金的主要特點為:一是密度低、質(zhì)量輕,使用鎂合金能夠比鋁合金再減輕15%~20%;二是比強度(強度與質(zhì)量之比)高于鋁合金和鋼,比剛度(剛度與質(zhì)量之比)接近于鋁合金和鋼;三是消震性和阻尼系數(shù)好,承受沖擊載荷能力比鋁合金大,用于殼體可以降低噪音,用于輪轂可以減少震動,提高汽車的安全性和舒適性;四是導電導熱性能良好,相同溫度條件鎂合金的散熱時間是鋁合金的一半。五是工藝性能良好,具有良好的鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性,容易加工,廢品率低,從而降低生產(chǎn)成本。限制鎂合金應用的主要原因是鎂合金的高性能-抗蠕變能力和高溫疲勞性能較差。
        隨著鎂合金汽車零部件的開發(fā),鎂合金在汽車上的應用特點如下:
        由體積小的零件向大的零件過渡;由結(jié)構(gòu)簡單的零件向復雜件過渡;
        由簡單受力件向具有特殊性能要求的件過渡;由分件組合向單一壓鑄件過渡。
        國內(nèi)外主機廠、零部件供應商開發(fā)了很多鎂合金零部件,其中一部分已經(jīng)大批量應用在商品車上,仍有一部分應用還有瓶頸需要突破。比如輪轂目前僅用在少數(shù)賽車上,若要大批量應用,腐蝕、石擊等難題必須解決。總體來看,短期內(nèi)能大批量應用的主要是對耐腐蝕要求不高的零部件,如轉(zhuǎn)向盤骨架、座椅骨架、儀表板骨架等。
        轉(zhuǎn)向盤骨架
        目前,轉(zhuǎn)向盤骨架是轎車應用鎂合金普及率最高的零部件。一般選用AM50合金,質(zhì)量在550g~700g。不同廠家因安裝方式不同設計有3種安裝結(jié)構(gòu):第一種是使用鋼質(zhì)花鍵嵌入鎂合金骨架;第二種是在鎂合金骨架上直接攻絲;第三種為楔形六角結(jié)構(gòu),不攻絲。商用車因轉(zhuǎn)向盤直徑大及其他特殊要求等原因其應用相對較少。鎂合金轉(zhuǎn)向盤骨架相對原鋼質(zhì)設計減重40%以上,成本會有所提高。
        儀表板骨架
        1968年儀表板骨架應用在奧迪車上,1995年應用在通用汽車公司的新年度車型上。第一代這種部件的質(zhì)量大約為7.8kg,壁厚大約為3.5mm~4mm。第二代的鎂合金儀表板骨架的壁厚和質(zhì)量都進一步減小,但仍保持著較高的防撞性及減振、降噪、剛度的要求。目前,鎂合金儀表板骨架的質(zhì)量大約為4.5kg~5.0kg,壁厚大約為2.7mm~3.0mm。國外品牌應用較多,國內(nèi)自主品牌應用較少,目前僅奇瑞車型有所應用。
        變速器殼體
        1999年,奧迪采用了第一款鎂合金自動變速器。鎂合金應用到變速器殼體上,除能體現(xiàn)其密度小、抗振動、降低噪聲等優(yōu)勢外,主要體現(xiàn)散熱和機械加工的優(yōu)勢。鎂合金、鋁合金的熱擴散系數(shù)α分別為3.97×10-5m2/s和3.64×10-5m2/s,體積比熱容分別為1.90J/(cm3·K)、2.64J/(cm3·K)。在相同體積下,鎂合金的蓄熱能力要遠比鋁合金低,但兩者的散熱能力卻相差無幾。因此,采用鎂合金的變速器殼體能更好地散熱,從而降低齒輪的高溫磨損和咬死的概率。
        座椅骨架
        前排座椅一般功能較多,其結(jié)構(gòu)較復雜,而后排座椅功能較少,其結(jié)構(gòu)較為簡單。目前,鎂合金在座椅上的應用研究相對較少,主要是以靠背骨架和座墊骨架單獨開發(fā)為主。前排座椅骨架組裝時使用螺栓、卡扣將鎂合金靠背、座墊與調(diào)高機構(gòu)、角調(diào)機構(gòu)連接在一起。后排靠背和座墊不組合,分別卡在輪罩安裝支架、地板安裝支架上。
        鈦及合金是21世紀最重要的、具有優(yōu)異的綜合性能的新型結(jié)構(gòu)及功能材料。它密度小,鈦的密度是4.51g/cm3,介于鋁(2.7g/cm3)和鐵(7.6g/cm3)之間;比強度高于鋁合金和鋼,韌性與鋼鐵相當;抗蝕性能優(yōu)于不銹鋼,在氯離子侵蝕的海洋大氣環(huán)境和微氧化氣氛中,也具有很好的抗蝕性;工作溫度區(qū)間較寬,低溫鈦合金在-253℃依然能保持良好的塑性,耐熱鈦合金的工作溫度可550℃左右,耐熱性高于鋁合金和鎂;具有良好的加工性和焊接性能。鈦在汽車上的應用主要分為兩大類:一大類是用來減少內(nèi)燃機往復運動件的質(zhì)量;另一大類是用來減少汽車總質(zhì)量。在新一代汽車上主要應用在發(fā)動機元件和底盤部件上,可制作發(fā)動機系統(tǒng)閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等,以及底盤部件中的彈簧、排氣系統(tǒng)、半軸和緊固件等。
        鈦及鈦合金在20世紀50年代已進入到汽車制造領域,但發(fā)展比較緩慢,主要原因是價格因素。隨著汽車材料向輕量化、高性能和高功能的方向發(fā)展,鈦及鈦合金作為結(jié)構(gòu)功能性材料將會越來越受到重視。盡管目前鈦材料在汽車領域應用不大,但隨著鈦工業(yè)的發(fā)展,鈦加工成本的降低,鈦材料必將在汽車領域占據(jù)重要地位, 具有無限廣闊的發(fā)展前景。
        汽車輕量化是目前汽車最重要的發(fā)展方向之一,是汽車制造走生態(tài)環(huán)保綠色發(fā)展的必要途徑。輕量化材料在替代傳統(tǒng)鋼材的過程中仍面臨很多技術(shù)難題和市場挑戰(zhàn),如成本問題、工藝問題以及新材料應用所帶來的風險等。對于輕金屬來說,應用過程中的制造工藝問題尤為突出,這是材料科學和制造業(yè)之間面臨的矛盾,也是輕量化技術(shù)的核心環(huán)節(jié)之一。因此,輕金屬在汽車上的普及應用,汽車輕量化的發(fā)展,除了重視材料研發(fā)外,還需要不斷改進創(chuàng)新材料的加工成型技術(shù),如此才能在保障汽車輕量化的同時提高實用性、穩(wěn)定性和安全性。

      責任編輯:淮金

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