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1、汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽 車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證 明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽車整備質(zhì)量每減少 100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。 當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。 汽車輕量化的主要途徑是： ① 縮小汽車的尺寸。在內(nèi)部空間尺寸基本不變的前提下縮小外形尺寸，可減少 材料消耗， 減小質(zhì)量，同時(shí)還可減少占路面積和停車面積； ② 采用輕質(zhì)材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料

2、等； ③ 采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如采用有限元分析、局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)等； ④ 采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。 當(dāng)前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。車用材料主要通過汽車的輕 量化來對燃料經(jīng)濟(jì)性改善作出貢獻(xiàn)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明，輕量化是改善 汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。為了適應(yīng)汽車輕量化的要求，一些新材料應(yīng)運(yùn)而生 并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。其中金屬材料主要包括以下幾個(gè)方面： 一、 有色合金。以乘用車來說，1973年每輛車所使用的有色合金占全部用材 的重量比為5.0%，1980年增至5.6%，而1997年則達(dá)到了 9.6%。有色合金在汽 車上應(yīng)用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢。

3、二、 鋁合金。鋁的密度約為鋼的1/3，是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。以美國生 產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例，1976年每車用鋁合金僅39kg，1982年達(dá)到62kg，而1998 年則達(dá)到了 100kg。（1）鑄造鋁合金。許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合 金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產(chǎn)中具有重要意義。當(dāng)然， 在汽車上廣泛應(yīng)用的并不是上述簡單的二元合金，而是多種元素同時(shí)添加以獲得 好的綜合性能。鋁合金鑄件主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、 搖臂、發(fā)動機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器 零件、把手及罩蓋殼體類零件等。鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓

4、鑄件還不能 熱處理，因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強(qiáng)度鑄件時(shí)受到限制。為此在鑄件生產(chǎn) 工藝上作了改進(jìn)，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。（2）變形 鋁合金。變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車 身面板、車身骨架、發(fā)動機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架 系統(tǒng)零件等。由于輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的應(yīng)用正在擴(kuò)大。從材料的 角度看，鋁在熱交換器上的廣泛應(yīng)用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶 的成功開發(fā)。（3）鋁基復(fù)合材料。鋁基復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度和比模量高、 抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應(yīng)用受到價(jià)格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約，還 沒有形成很

5、大的規(guī)模。目前，鋁基復(fù)合材料在連桿、活塞、氣缸體內(nèi)孔、制動盤、 制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗(yàn)或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開發(fā) 成功的鋼絲增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿比鋼制連桿降重30%，對1.2L的汽油發(fā)動 機(jī)可提高燃料經(jīng)濟(jì)性5%；采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末（重量百分?jǐn)?shù)2%） 混合并擠壓成棒材，用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強(qiáng)度高可降重20%，發(fā)動機(jī)功 率大幅度提高；用鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲 塊可降重20%；鋁基復(fù)合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。 三、鎂合金。鎂的密度約為鋁的2/3,在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金 的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄

6、造性能好，很適合制造汽車零件。鎂合金 大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用，鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%?50%。 新開發(fā)的無孔壓鑄法（Pore Free Diecast）可生產(chǎn)出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓 鑄件。鎂鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。在汽車上試用或應(yīng)用鎂合金 的實(shí)例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、 轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。 與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比，鎂制件降重65%；與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比， 鎂制件降重45%；與全鋁氣缸蓋相比，鎂制件降重30%；與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊 接結(jié)構(gòu)制動踏板支架相比，整體的

7、鎂鑄件降重40%，同時(shí)其剛性也得以改善。鎂 基復(fù)合材料的研究也有進(jìn)展，以SiC顆粒為增強(qiáng)體，采用液態(tài)攪拌技術(shù)得到的鎂 基復(fù)合材料具有很好的性能且生產(chǎn)成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆 粒增強(qiáng)的復(fù)合材料比基體合金拉伸強(qiáng)度提高23%，屈服強(qiáng)度提高47%，彈性模 量提高72%。 鈦合金。鈦的密度為4.5g/cm3,具有比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。 由于鈦的價(jià)格昂貴，至今只見在賽車和個(gè)別豪華車上少量應(yīng)用。盡管如此，對鈦 合金在汽車上應(yīng)用的試驗(yàn)研究工作卻不少。例如用a +系鈦合金制造的發(fā)動機(jī)連 桿，強(qiáng)度相當(dāng)于 45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而重量 可以降低30% ； P系鈦合金 (Ti-13

8、V-11Cr-3Al等)經(jīng)強(qiáng)冷加工和時(shí)效處理，強(qiáng)度可達(dá)2000MPa，可用來制 造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強(qiáng)度為2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，鈦 彈簧可降重20%。鈦合金應(yīng)用的最大阻力來自其高價(jià)格，豐田中央研究所開發(fā)了 一種成本較低的鈦基復(fù)合材料。該復(fù)合材料以Ti-6Al-4V合金為基體，以TiB為 增強(qiáng)體，用粉末冶金法生產(chǎn)，已在發(fā)動機(jī)連桿上應(yīng)用。 塑料在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景同樣看好。目前世界上不少轎車的塑料用量已經(jīng) 超過120千克/輛，個(gè)別車型還要高，德國奔馳高級轎車的塑料使用量已經(jīng)達(dá)到 150千克/輛。國內(nèi)一些轎車的塑料用量也已經(jīng)達(dá)到90千克/輛?？梢灶A(yù)見，隨著 汽車輕量化進(jìn)程的

9、加速，塑料在汽車中的應(yīng)用將更加廣泛。汽車輕量化使塑料作 為原材料在汽車零部件領(lǐng)域被廣泛采用，從內(nèi)裝件到外裝件以及結(jié)構(gòu)件，塑料制 件的身影隨處可見。 統(tǒng)計(jì)顯示，汽車一般部件重量每減輕1%，可節(jié)油1%;運(yùn)動部件每減輕1%， 可節(jié)油2%。國外汽車自身質(zhì)量同過去相比，已減輕20%—26%。預(yù)計(jì)在未來的 10年內(nèi)，轎車自身的重量還將繼續(xù)減輕20%。而塑料等輕量化材料的開發(fā)與應(yīng) 用，在汽車的輕量化過程中發(fā)揮著重大作用。汽車材料應(yīng)用塑料的最大優(yōu)勢是減 輕車體的重量。一般塑料的比重在0.9—1.5，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比重也不會超 過2.0，而金屬材料的比重，A3鋼為7.6,黃銅為8.4，鋁為2.7。這就使得

10、塑料 材料成為汽車輕量化的首選用材。從現(xiàn)代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、 內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，到處都可以看到塑料制件的影子。外裝飾件的應(yīng) 用特點(diǎn)是“以塑代鋼”，減輕汽車自重，主要部件有保險(xiǎn)杠、擋泥板、車輪罩、導(dǎo) 流板等；內(nèi)裝飾件的主要部件有儀表板、車門內(nèi)板、副儀表板、雜物箱蓋、坐椅、 后護(hù)板等；功能與結(jié)構(gòu)件主要有油箱、散熱器水室、空氣過濾器罩、風(fēng)扇葉片等。 目前國外汽車的內(nèi)飾件已基本實(shí)現(xiàn)塑料化，塑料在汽車中的應(yīng)用范圍正在由內(nèi)裝 件向外裝件、車身和結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展。今后的重點(diǎn)發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用 的增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、高性能樹脂材料與塑料，并對材料的可回收性予以高度關(guān) 注。 發(fā)動

11、機(jī)機(jī)體的輕量化技術(shù)。為了減少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽車 的輕量化已經(jīng)成為眾所關(guān)注的焦點(diǎn)之一。研究表明，汽車整備質(zhì)量.每減少100 kg,百公里油耗可降低0.3?0.6 L。此外，汽車輕量化還可以提高汽車動力性， 節(jié)省材料，降低成本。有人預(yù)計(jì)，到2010年汽車整備質(zhì)量平均將減輕17%，即 250 kg;轎車整備質(zhì)量將從目前的平均1300 kg左右降至1000 kg。發(fā)動機(jī)的輕量 化，除了上述目的以外，還涉及到整車的質(zhì)量分布（汽車行駛動力學(xué)）。將汽油 機(jī)改換成柴油機(jī)時(shí)，往往會使發(fā)動機(jī)變重（堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)、渦輪增壓器、增壓空氣 冷卻器、噴油裝置等），導(dǎo)致前橋軸荷增加，使得整車的均衡性受到了破壞。所

12、 以，轎車發(fā)動機(jī)的輕量北已經(jīng)成為整車開發(fā)中一個(gè)不可忽視的問題。發(fā)動機(jī)輕量 化的途徑，首先是提高升功率，以降低發(fā)動機(jī)單位功率的質(zhì)量。最先進(jìn)的功率密 度指標(biāo)已逼近1 kg/kW。以轎車柴油機(jī)為例，如果20世紀(jì)90年代初升功率還 只是在20-30 kW/L徘徊，那么自從20世紀(jì)末開始，其上升趨勢可謂“突飛猛進(jìn)”。 如今，柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力已經(jīng)達(dá)到20 MPa,升功率達(dá)到60 kW/L。鋁合金機(jī)體 鑄造工藝的討論。鋁合金機(jī)體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型（金 屬型）和一次使用的鑄型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。當(dāng)今在大批量 生產(chǎn)中最為常用的是砂型重力鑄造和壓鑄。砂型重力鑄造在成型方面提

13、供了最大 的自由度，可以采用封閉的氣缸蓋連接面（閉式頂板）。如果生產(chǎn)件數(shù)較高（年 產(chǎn)20萬件以上），那么壓鑄是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。壓鑄能以很短的節(jié)拍、精細(xì) 的表面質(zhì)量和精確的尺寸實(shí)現(xiàn)鑄件薄壁結(jié)構(gòu)。然而，由于熔融金屬充型壓力很高 不能使用砂芯，水套通常必須往上敞開（開式頂板）。這意味著氣缸筒缺乏徑向 的支撐。但是，即使如此也未必會導(dǎo)致氣缸筒嚴(yán)重變形。現(xiàn)在，甚至直噴式柴油 機(jī)都可以做成開式頂板結(jié)構(gòu)。此外，壓鑄快速的充型過程易導(dǎo)致氣泡的生成，以 致無法通過熱時(shí)效硬化改善力學(xué)性能。這個(gè)缺點(diǎn)可以利用擠壓鑄造加以避免，因 為這種工藝采用的壓力較低，使得充型過程明顯地減緩，有可能進(jìn)行補(bǔ)縮。此外， 壓鑄對于水套的長度有著間接的影響。由于氣缸直徑、拉桿螺栓的位置、密封法 蘭最小寬度以及必需的通常為0.5°的起模斜度等因素，實(shí)際制成的壓鑄機(jī)體的水 套通常至多只能覆蓋活塞行程的70%。這會降低通過活塞環(huán)的熱流量，提高機(jī)油 的熱負(fù)荷。在機(jī)體結(jié)構(gòu)方面，壓鑄有一些局限性。不過這些均可通過技術(shù)手段加 以控制。機(jī)體是否采用壓鑄的工藝，首先還是取決于生產(chǎn)批量。對于高負(fù)荷發(fā) 動機(jī)來說，選擇砂型鑄造更能通過合適的造型工藝、合金優(yōu)化和熱處理來生產(chǎn)可 靠、耐久的發(fā)動機(jī)機(jī)體。從零件成本看，充分利用砂型鑄造在成型方面較大的自 由度，還可以將各種功能整合到氣缸體中去，在總體上減輕質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。