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淺談高強度鋼在汽車(chē)輕量化中的應用論文
1 引言
近年來(lái)世界汽車(chē)保有量與日俱增，正以越來(lái)越大的影響力改變著(zhù)人們的工作與生活，但隨之而來(lái)的能源短缺、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題也日益突出。隨著(zhù)國際原油和國內成品油價(jià)格的上漲，輕型、節能、環(huán)保、安全舒適、低成本成為各汽車(chē)制造廠(chǎng)家追求的目標，節能減排已成為世界汽車(chē)工業(yè)界亟待解決的問(wèn)題。
汽車(chē)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(chē)質(zhì)量與其燃油消耗有著(zhù)極為密切的關(guān)系。據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)機效率占20%，降低行駛阻力占30%，其中最有效的方法是汽車(chē)輕量化。因此在汽車(chē)設計中，輕量化是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。汽車(chē)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(chē)的轉向、加速、制動(dòng)和排放等多方面的性能。同時(shí)，隨著(zhù)計重收費范圍的擴大和油價(jià)不斷上漲，載貨車(chē)用戶(hù)既要多承載，又要油耗少的呼聲越來(lái)越高，各大載貨車(chē)企業(yè)也正集中力量進(jìn)行載貨車(chē)輕量化研發(fā)。圖1給出了車(chē)重和油耗之間的關(guān)系。
2 汽車(chē)輕量化的途徑及材料應用趨勢
2.1 途徑
實(shí)現汽車(chē)輕量化主要有3種途徑。一是改進(jìn)汽車(chē)結構，使部件薄壁化、中空化、小型化及復合化，在結構設計上采用前輪驅動(dòng)，將前置發(fā)動(dòng)機后輪驅動(dòng)結構改為前輪驅動(dòng)結構，減輕傳動(dòng)系統質(zhì)量，目前歐洲汽車(chē)已有約60%改為前輪驅動(dòng)。二是開(kāi)發(fā)應用新型輕質(zhì)材料，如使用鋁、鎂合金等有色金屬、塑料及非金屬復合材料等密度小、強度高的輕質(zhì)材料，或者截面厚度較薄的高強度鋼。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 材料應用趨勢
近幾年來(lái)，雖然鋁合金的研發(fā)應用逐漸增多，但鋼鐵材料仍占主導地位，只是其內部結構將發(fā)生變化，主要變化趨勢是高強度鋼的用量有較大的增長(cháng)，鑄鐵和中、低強度鋼的比例將會(huì )逐步下降。通常，高強度鋼按照ULSAB所采用的術(shù)語(yǔ)，將屈服強度為210~550 MPa的鋼定義為高強度鋼(HSS)，屈服強度為550 MPa以上的鋼定義為超高強度鋼(UHSS)，而先進(jìn)高強度鋼(AHSS)的屈服強度覆蓋于HSS和UHSS之間的強度范圍。
大量事實(shí)表明，高強度鋼已成為頗具競爭力的汽車(chē)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。安全法規是推動(dòng)高強度鋼應用的重要動(dòng)力。采用高強度鋼板，首先能改善汽車(chē)的安全和碰撞性能，現代汽車(chē)必須滿(mǎn)足政府規定的各部分乘用空間的安全性，尤其是正面碰撞和側面碰撞的要求，傳統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)濟性;高強度鋼板用于汽車(chē)車(chē)身，除能夠減薄零件、降低自重之外還可以提高汽車(chē)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(chē)的安全性。
3 高強度鋼在汽車(chē)輕量化中的應用現狀
3.1 國內應用現狀
上世紀80年代，重慶汽車(chē)研究所就開(kāi)展了雙相鋼研究;一汽、奇瑞汽車(chē)公司也在轎車(chē)車(chē)身上進(jìn)行了高強度鋼板的初步應用試驗。奇瑞汽車(chē)公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車(chē)上使用的高強度鋼用量為262 kg，占車(chē)身鋼板用量的46%，對減重和改進(jìn)車(chē)身性能起到了良好的作用。吉利車(chē)身也大量采用了高強度鋼和激光拼焊、液壓成形等技術(shù)，其中吉利金剛48個(gè)零件改用高強度鋼。同時(shí)在新開(kāi)發(fā)車(chē)型中，高強度鋼在車(chē)身中的質(zhì)量已占30%以上，預計2009年要超過(guò)50%。據悉，吉利汽車(chē)目前已經(jīng)實(shí)現了汽車(chē)減重10%~14%的初期目標，2008年吉利汽車(chē)輕量化的目標是13%~16%。東風(fēng)汽車(chē)公司在減輕東風(fēng)商用汽車(chē)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(chē)身零件的試生產(chǎn)，如后圍外板、后圍內板、地板、后下橫梁、前圍隔板、門(mén)外板、擋泥板等零件， 2008年1月初，由中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )、中國第一汽車(chē)集團公司、東風(fēng)汽車(chē)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)及科研機構共同組成了產(chǎn)、學(xué)、研一體的汽車(chē)輕量化聯(lián)盟。汽車(chē)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(chē)輕量化共性關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展攻關(guān)，在2008年到2010年之間完成設計新型輕量化材料、輕量化材料先進(jìn)成形技術(shù)等3個(gè)專(zhuān)題共10個(gè)課題的工作，實(shí)現轎車(chē)減輕自重8%~10%的目標。汽車(chē)工業(yè)共性關(guān)鍵核心技術(shù)的缺失，是制約我國汽車(chē)創(chuàng )新發(fā)展的瓶頸。輕量化技術(shù)是一項基礎的共性技術(shù)，汽車(chē)輕量化技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟的出現，對于提升我國汽車(chē)行業(yè)的自主研發(fā)能力和國際競爭力，有著(zhù)里程碑式的重要意義。
目前，我國高強度鋼在應用過(guò)程中仍存在一定問(wèn)題。首先是自主開(kāi)發(fā)能力不足，新產(chǎn)品的開(kāi)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(mǎn)足國內汽車(chē)工業(yè)的需求;國內高強度鋼的質(zhì)量水平與國外仍存在一定差距;近幾年，發(fā)達國家掀起一股“綠色浪潮”，歐盟、美國的汽車(chē)業(yè)正在大力推廣“無(wú)廢棄物加工”技術(shù)，新型環(huán)保材料被大量采用，倡導材料循環(huán)利用，這就給鋼板的生產(chǎn)增加了難度。
3.2 國外應用現狀
目前，汽車(chē)使用的高強度鋼主要為板材與管材，它取代普鋼、鑄鐵用于車(chē)身零件和其他結構件。如北美開(kāi)發(fā)的PNGV-Class級轎車(chē)，其車(chē)身全部采用高強度鋼，質(zhì)量只有218 kg，與全鋁車(chē)身相當。為滿(mǎn)足日益嚴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省資源相互矛盾的問(wèn)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項目組，目的是在不增加成本的情況下，在維持車(chē)身功能與抗沖擊安全性的同時(shí)，減輕車(chē)身質(zhì)量，進(jìn)行從車(chē)型設計到試制、評價(jià)等系列工作。其主要研究成果有，車(chē)身結構比同類(lèi)車(chē)平均減重25%，車(chē)身抗彎和抗扭強度比同類(lèi)車(chē)提高52%和80%，車(chē)身造價(jià)比同類(lèi)車(chē)降低15%，可達到歐洲新車(chē)評估程序的五星級要求。在此基礎上，1998年3月鋼鐵企業(yè)又開(kāi)始在全球實(shí)施ULSAB-AVC計劃，即先進(jìn)的汽車(chē)概念項目，從整體上研究開(kāi)發(fā)新一代鋼鐵材料汽車(chē)結構(車(chē)身、覆蓋件與懸掛件等)，該車(chē)達到了2004年美國和歐洲的五星級碰撞標準，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(chē)公司所開(kāi)發(fā)的新款汽車(chē)均部分或全部地采用ULSAB-AVC這一新技術(shù)。
ULSAB-AVC計劃指出，高強度鋼的強度將是低碳鋼的5倍�，F在各國都在加速高強度鋼和超高強度鋼在汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)、懸架等零部件上的應用。
4 結束語(yǔ)
盡管高強度鋼板減重的效果相比鋁合金有一定差距，但是高強度鋼具有生產(chǎn)成本較低、加工工藝成熟的特點(diǎn)，因此采用高強度鋼板進(jìn)行車(chē)身的輕量化具有一定的優(yōu)勢。并且隨著(zhù)世界各國日益嚴格的安全法規的出臺，高強度鋼在汽車(chē)上的用量逐漸增多，并將逐步取代傳統用鋼。作為輕量化和增強安全性的主要材料，當前的主要問(wèn)題是如何開(kāi)發(fā)出具有良好加工性能的高強度鋼，并以它為原材料，開(kāi)發(fā)出具有全新結構的超輕鋼制汽車(chē)。但汽車(chē)的輕量化是一個(gè)復雜的系統工程，要想以最低的成本獲取最佳的輕量化效果，需要在開(kāi)發(fā)新材料的同時(shí)，不斷發(fā)展相應的汽車(chē)零部件設計、制造技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)。
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