【文章內(nèi)容簡介】 到空氣阻力、輪胎阻力、加速阻力和爬坡阻力等, 其中后面三項(xiàng)均與車身本身的重量成正比, 這直接影響轎車的油耗,因此,降低燃油消耗、減少向大氣排出CO2和有害氣體及顆粒已成為汽車界主要的研究課題。減小汽車自身質(zhì)量是汽車降低燃油消耗及減少排放的最有效措施之一。尤其是當(dāng)前全球能源缺少的危機(jī)之下,輕量化技術(shù)對于未來轎車發(fā)展有著巨大的意義。實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)車身,最主要就是大量應(yīng)用使車身輕量化的材料,同時進(jìn)行車身輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。目前,車身輕量化的主要途徑有2條: 效果比較明顯的是用輕型材料(如鎂、鋁、塑料盒復(fù)合材料等)替代車身骨架及內(nèi)、外壁板原有的鋼材,目前已制造出部分產(chǎn)品；另一種有效的方法是通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化,其代表性成果為ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)項(xiàng)目112。現(xiàn)代汽車車身除滿足強(qiáng)度和使用壽命的要求外,還應(yīng)該滿足基本性能、外觀、安全、價格、環(huán)保、節(jié)能等方面的需要。在九十年代以前,以轎車為例,其整車質(zhì)量中,鋼鐵占有80%,鋁占3%,樹脂占4%。由于能源價格不斷上升,作為輕量化材料的高強(qiáng)度鋼板、表面處理鋼板用量逐年上升, 有色金屬材料的用量也在不斷增加, 其中, 鋁合金材料的應(yīng)用明顯增加, 非金屬材料也逐步增加。本文主要就車身輕量化材料的發(fā)展做研究[1213]。 國內(nèi)汽車用材料發(fā)展?fàn)顩r分析我國汽車材料是伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。尤其是在七五至九五期間,我國通過合資的方式引進(jìn)了國外先進(jìn)的汽車產(chǎn)品技術(shù), 縮短了與發(fā)達(dá)國家之間的差距。在引進(jìn)技術(shù)的帶動下, 九五期間轎車新材料技術(shù)開發(fā)被列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃,同時在國家863高技術(shù)計(jì)劃新材料領(lǐng)域的支持下,先后開發(fā)出了一批轎車國產(chǎn)化急需的金屬材料和非金屬材料,促進(jìn)了國產(chǎn)汽車材料的技術(shù)進(jìn)步。但是,同國外相比,我國汽車工業(yè)整體技術(shù)水平還比較落后,汽車材料領(lǐng)域的差距更大。主要表現(xiàn)為；企業(yè)開發(fā)能力不足,缺乏創(chuàng)新、競爭能力；技術(shù)與管理水平落后,生產(chǎn)規(guī)模小,勞動生產(chǎn)率低,產(chǎn)品質(zhì)量差；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理,技術(shù)含量低,低檔產(chǎn)品過剩, 高端產(chǎn)品依靠進(jìn)口；汽車行業(yè)采用的材料系列與品種繁雜、數(shù)量少, 使汽車專用材料的產(chǎn)量難以達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模；汽車材料基礎(chǔ)技術(shù)研究薄弱,缺少材料評價技術(shù)與體系,材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)混亂,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)貧乏。從總體上看,國內(nèi)汽車材料領(lǐng)域的現(xiàn)狀還不能滿足我國汽車工業(yè)的發(fā)展需要。國內(nèi)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展以及加入WTO,使我國汽車材料領(lǐng)域面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。不僅汽車材料的需求量持續(xù)增長(預(yù)計(jì)從現(xiàn)在起到2020年,年均增長率可達(dá)20%以上),而且對材料的品質(zhì)提出了更高的要求,這為我國汽車材料領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了十分有利的條件[14]。3 汽車車身用新材料概述[1516]從前的高強(qiáng)度鋼板，拉延強(qiáng)度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50％，故只適用于形狀簡單、延伸深度不大的零件。現(xiàn)在的高強(qiáng)度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當(dāng)?shù)奈⒘吭?，?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)420N/mm2，是普通低碳鋼板的2~3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中國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262kg，占車身鋼板用量的46%，對減重和改進(jìn)車身性能起到了良好的作用。美國轎車材料構(gòu)成要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙相鋼板和高強(qiáng)度1F冷軋鋼等，車身設(shè)計(jì)師可根據(jù)板制零件受力情況和形狀復(fù)雜程度來選擇鋼板品種。含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板：含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板主要用于轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用于載貨汽車駕駛室的沖壓件。主要特點(diǎn)為：具有較高強(qiáng)度，比普通冷軋鋼板高15％~25％；良好的強(qiáng)度和塑性平衡，即隨著強(qiáng)度的增加，伸長率和應(yīng)變硬化指數(shù)下降甚微；具有良好的耐腐蝕性，比普通冷軋鋼板提高20％；具有良好的點(diǎn)焊性能；烘烤硬化冷軋鋼板：經(jīng)過沖壓、拉延變形及烤漆高溫時效處理，屈服強(qiáng)度得以提高。這種簡稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強(qiáng)度，是車身外板輕量化設(shè)計(jì)首選材料之一；冷軋雙向鋼板：具有連續(xù)屈服、屈強(qiáng)比低和加工硬化高、兼?zhèn)涓邚?qiáng)度及高塑性的特點(diǎn)，經(jīng)烤漆后強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。適用于形狀復(fù)雜且要求強(qiáng)度高的車身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強(qiáng)板、保險杠等；超低碳高強(qiáng)度冷軋鋼板：在超低碳鋼（C≤％）中加入適量鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再添加適量的磷以提高鋼板的強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了深沖性與高強(qiáng)度的結(jié)合，特別適用于一些形狀復(fù)雜而強(qiáng)度要求高的沖壓零件。圖2汽車材料應(yīng)用部件輕量化迭層鋼板：迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復(fù)合材料，~，塑料層的厚度占總厚度的25％~65％。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質(zhì)量只有57％。隔熱防振性能良好，主要用于發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋、車身底板等部件如圖2。 鋁合金與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度?。ǎ?、比強(qiáng)度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟。德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結(jié)構(gòu)，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復(fù)合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結(jié)構(gòu)輕量化且具有良好的耐腐蝕性。鋁合金已成為僅次于鋼材的汽車用金屬材料，能夠?yàn)槠囂峁└鞣N鋁合金鑄件、沖壓結(jié)構(gòu)件和拉制的鋁型材。鋁合金主要用于制造發(fā)動機(jī)缸體、活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、轎車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件。 鎂合金和鈦合金，僅為鋼材密度的35％，鋁材密度的66％。此外它的比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性、導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鎂的儲藏量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，%的鎂。近年來鎂合金在世界范圍內(nèi)的增長率高達(dá)20％。鑄造鎂合金的車門由成型鋁材制成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門，它由內(nèi)外車門板和中間蜂窩狀加強(qiáng)筋構(gòu)成，每扇門的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，已可以制造出形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板、儀表盤、方向盤等。，僅是鐵的1/2，但強(qiáng)度和硬度超過了鋼，且不易生銹。用鈦合金鑄造的汽車發(fā)動機(jī)部件更輕、更堅(jiān)固和更耐腐蝕，鈦合金車身可以承受更大的作用力。泡沫合金板由粉末合金制成，其特點(diǎn)是密度小，~／cm3，彈性好，當(dāng)受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復(fù)原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。由于泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振性能，深受汽車制造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋等。蜂窩夾芯復(fù)合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根