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淺談高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用論文
1 引言
近年來世界汽車保有量與日俱增，正以越來越大的影響力改變著人們的工作與生活，但隨之而來的能源短缺、環(huán)境污染等一系列問題也日益突出。隨著國際原油和國內(nèi)成品油價(jià)格的上漲，輕型、節(jié)能、環(huán)保、安全舒適、低成本成為各汽車制造廠家追求的目標(biāo)，節(jié)能減排已成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的問題。
汽車質(zhì)量的大小影響到滾動(dòng)阻力、爬坡阻力與加速阻力，因此汽車質(zhì)量與其燃油消耗有著極為密切的關(guān)系。據(jù)分析降低油耗的主要方法有，減輕質(zhì)量(輕量化)占50%，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率占20%，降低行駛阻力占30%，其中最有效的方法是汽車輕量化。因此在汽車設(shè)計(jì)中，輕量化是一個(gè)必須考慮的問題。汽車的輕量化不僅可以減小各種行駛阻力，降低燃油消耗，而且也有利于改善汽車的轉(zhuǎn)向、加速、制動(dòng)和排放等多方面的性能。同時(shí)，隨著計(jì)重收費(fèi)范圍的擴(kuò)大和油價(jià)不斷上漲，載貨車用戶既要多承載，又要油耗少的呼聲越來越高，各大載貨車企業(yè)也正集中力量進(jìn)行載貨車輕量化研發(fā)。圖1給出了車重和油耗之間的關(guān)系。
2 汽車輕量化的途徑及材料應(yīng)用趨勢(shì)
2.1 途徑
實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有3種途徑。一是改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化、中空化、小型化及復(fù)合化，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用前輪驅(qū)動(dòng)，將前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)改為前輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，減輕傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，目前歐洲汽車已有約60%改為前輪驅(qū)動(dòng)。二是開發(fā)應(yīng)用新型輕質(zhì)材料，如使用鋁、鎂合金等有色金屬、塑料及非金屬復(fù)合材料等密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，或者截面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼。三是采用先進(jìn)的制造工藝，將兩個(gè)或多個(gè)零件集成為一個(gè)零件;研發(fā)各種先進(jìn)的成形技術(shù)，如激光拼焊、液壓成形等。
2.2 材料應(yīng)用趨勢(shì)
近幾年來，雖然鋁合金的研發(fā)應(yīng)用逐漸增多，但鋼鐵材料仍占主導(dǎo)地位，只是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，主要變化趨勢(shì)是高強(qiáng)度鋼的用量有較大的增長(zhǎng)，鑄鐵和中、低強(qiáng)度鋼的比例將會(huì)逐步下降。通常，高強(qiáng)度鋼按照ULSAB所采用的術(shù)語，將屈服強(qiáng)度為210~550 MPa的鋼定義為高強(qiáng)度鋼(HSS)，屈服強(qiáng)度為550 MPa以上的鋼定義為超高強(qiáng)度鋼(UHSS)，而先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的屈服強(qiáng)度覆蓋于HSS和UHSS之間的強(qiáng)度范圍。
大量事實(shí)表明，高強(qiáng)度鋼已成為頗具競(jìng)爭(zhēng)力的汽車輕量化材料，它在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較其他材料具有較大的優(yōu)勢(shì)。安全法規(guī)是推動(dòng)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用的重要?jiǎng)恿�。采用高�?qiáng)度鋼板，首先能改善汽車的安全和碰撞性能，現(xiàn)代汽車必須滿足政府規(guī)定的各部分乘用空間的安全性，尤其是正面碰撞和側(cè)面碰撞的要求，傳統(tǒng)的碳素鋼雖然可以吸收碰撞能量，但其缺點(diǎn)是質(zhì)量大，影響燃油經(jīng)濟(jì)性;高強(qiáng)度鋼板用于汽車車身，除能夠減薄零件、降低自重之外還可以提高汽車表面件的抗凹陷性及抗破壞能力，在降低燃油消耗的同時(shí)又可提高汽車的安全性。
3 高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
上世紀(jì)80年代，重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究;一汽、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗(yàn)。奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車上使用的高強(qiáng)度鋼用量為262 kg，占車身鋼板用量的46%，對(duì)減重和改進(jìn)車身性能起到了良好的作用。吉利車身也大量采用了高強(qiáng)度鋼和激光拼焊、液壓成形等技術(shù)，其中吉利金剛48個(gè)零件改用高強(qiáng)度鋼。同時(shí)在新開發(fā)車型中，高強(qiáng)度鋼在車身中的質(zhì)量已占30%以上，預(yù)計(jì)2009年要超過50%。據(jù)悉，吉利汽車目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了汽車減重10%~14%的初期目標(biāo)，2008年吉利汽車輕量化的目標(biāo)是13%~16%。東風(fēng)汽車公司在減輕東風(fēng)商用汽車自重、提高有效載貨量方面已經(jīng)取得了一定成果，目前已經(jīng)采用含磷鋼進(jìn)行車身零件的試生產(chǎn)，如后圍外板、后圍內(nèi)板、地板、后下橫梁、前圍隔板、門外板、擋泥板等零件， 2008年1月初，由中國汽車工程學(xué)會(huì)、中國第一汽車集團(tuán)公司、東風(fēng)汽車有限公司、吉林大學(xué)、寶山鋼鐵股份有限公司等12家相關(guān)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)共同組成了產(chǎn)、學(xué)、研一體的汽車輕量化聯(lián)盟。汽車輕量化聯(lián)盟的12個(gè)成員單位將獲國家撥款1億元、企業(yè)自籌5億元的資金保障，聯(lián)盟將圍繞汽車輕量化共性關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，在2008年到2010年之間完成設(shè)計(jì)新型輕量化材料、輕量化材料先進(jìn)成形技術(shù)等3個(gè)專題共10個(gè)課題的工作，實(shí)現(xiàn)轎車減輕自重8%~10%的目標(biāo)。汽車工業(yè)共性關(guān)鍵核心技術(shù)的缺失，是制約我國汽車創(chuàng)新發(fā)展的瓶頸。輕量化技術(shù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)的共性技術(shù)，汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的出現(xiàn)，對(duì)于提升我國汽車行業(yè)的自主研發(fā)能力和國際競(jìng)爭(zhēng)力，有著里程碑式的重要意義。
目前，我國高強(qiáng)度鋼在應(yīng)用過程中仍存在一定問題。首先是自主開發(fā)能力不足，新產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)主要依靠引進(jìn)技術(shù)與裝備，品種少，不能完全滿足國內(nèi)汽車工業(yè)的需求;國內(nèi)高強(qiáng)度鋼的質(zhì)量水平與國外仍存在一定差距;近幾年，發(fā)達(dá)國家掀起一股“綠色浪潮”，歐盟、美國的汽車業(yè)正在大力推廣“無廢棄物加工”技術(shù)，新型環(huán)保材料被大量采用，倡導(dǎo)材料循環(huán)利用，這就給鋼板的生產(chǎn)增加了難度。
3.2 國外應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，汽車使用的高強(qiáng)度鋼主要為板材與管材，它取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其他結(jié)構(gòu)件。如北美開發(fā)的PNGV-Class級(jí)轎車，其車身全部采用高強(qiáng)度鋼，質(zhì)量只有218 kg，與全鋁車身相當(dāng)。為滿足日益嚴(yán)格的碰撞安全性要求、溫室氣體排放量的限值要求及解決輕量化和節(jié)省資源相互矛盾的問題等，國際鋼鐵協(xié)會(huì)成立了由18個(gè)國家的35家鋼鐵公司組成的ULSAB項(xiàng)目組，目的是在不增加成本的情況下，在維持車身功能與抗沖擊安全性的同時(shí)，減輕車身質(zhì)量，進(jìn)行從車型設(shè)計(jì)到試制、評(píng)價(jià)等系列工作。其主要研究成果有，車身結(jié)構(gòu)比同類車平均減重25%，車身抗彎和抗扭強(qiáng)度比同類車提高52%和80%，車身造價(jià)比同類車降低15%，可達(dá)到歐洲新車評(píng)估程序的五星級(jí)要求。在此基礎(chǔ)上，1998年3月鋼鐵企業(yè)又開始在全球?qū)嵤︰LSAB-AVC計(jì)劃，即先進(jìn)的汽車概念項(xiàng)目，從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結(jié)構(gòu)(車身、覆蓋件與懸掛件等)，該車達(dá)到了2004年美國和歐洲的五星級(jí)碰撞標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)成本約為9 200~10 200美元，可被普通家庭接受，從2004年起，歐盟各國、美國、日本各大汽車公司所開發(fā)的新款汽車均部分或全部地采用ULSAB-AVC這一新技術(shù)。
ULSAB-AVC計(jì)劃指出，高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度將是低碳鋼的5倍�，F(xiàn)在各國都在加速高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在汽車車身、底盤、懸架等零部件上的應(yīng)用。
4 結(jié)束語
盡管高強(qiáng)度鋼板減重的效果相比鋁合金有一定差距，但是高強(qiáng)度鋼具有生產(chǎn)成本較低、加工工藝成熟的特點(diǎn)，因此采用高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行車身的輕量化具有一定的優(yōu)勢(shì)。并且隨著世界各國日益嚴(yán)格的安全法規(guī)的出臺(tái)，高強(qiáng)度鋼在汽車上的用量逐漸增多，并將逐步取代傳統(tǒng)用鋼。作為輕量化和增強(qiáng)安全性的主要材料，當(dāng)前的主要問題是如何開發(fā)出具有良好加工性能的高強(qiáng)度鋼，并以它為原材料，開發(fā)出具有全新結(jié)構(gòu)的超輕鋼制汽車。但汽車的輕量化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要想以最低的成本獲取最佳的輕量化效果，需要在開發(fā)新材料的同時(shí)，不斷發(fā)展相應(yīng)的汽車零部件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)。
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