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汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和低合金高強度鋼板的應用
發(fā)布者:不銹鋼管廠(chǎng)(www.freedatinginperth.com) 發(fā)布時(shí)間:2022/7/6 閱讀:801

自20世紀70年代中期以來(lái),世界上主要工業(yè)化國家,汽車(chē)尤其是小汽車(chē)的生產(chǎn)迅速發(fā)展。以美國為例,1975年小汽車(chē)產(chǎn)量為898.7萬(wàn)輛,汽車(chē)保有量為1.327億輛;到1985年,汽車(chē)產(chǎn)量上升到1165.4萬(wàn)輛,其中轎車(chē)達818萬(wàn)輛,汽車(chē)保有量達1.686億輛。1985年全世界汽車(chē)總產(chǎn)量達4503萬(wàn)輛,保有量達4.71億輛。


2005年美國汽車(chē)產(chǎn)量達1202萬(wàn)輛,全世界汽車(chē)總產(chǎn)量達6772萬(wàn)輛,保有量達6.5億輛。2000年以后,中國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展進(jìn)入了快車(chē)道,每年都以?xún)晌粩档乃俾试鲩L(cháng),2006年,中國汽車(chē)產(chǎn)量達728萬(wàn)輛,產(chǎn)量已位于世界第三,銷(xiāo)量處世界第二,而2007年產(chǎn)量已超過(guò)880萬(wàn)輛,如果加上農用車(chē)可超過(guò)1000萬(wàn)輛,產(chǎn)、銷(xiāo)量穩居世界第二,而汽車(chē)保有量超過(guò)5000萬(wàn)輛。預計到2020年,中國家庭轎車(chē)的保有量有望超過(guò)1億輛,汽車(chē)保有量將超過(guò)1.6億輛。按2003年的統計,中國每千人汽車(chē)的擁有量?jì)H為15輛,美國已達850輛。汽車(chē)工業(yè)發(fā)展,產(chǎn)量的增加,汽車(chē)保有量的提高,產(chǎn)生三個(gè)主要問(wèn)題。其一是能耗加大,2003年中國汽車(chē)燃油消耗已達6000萬(wàn)噸,2005年已達1.3億噸,2010年可能會(huì )達到2.7億噸;降低燃油消耗已成各國的當務(wù)之急。二是環(huán)保和排放污染加重,燃油消耗增加,必然帶來(lái)排放污染增加。在通常情況下,按滿(mǎn)足歐II排放標準,汽車(chē)每消耗1噸燃油,將會(huì )排放二氧化碳 2000 kg,NO,44.09 kg,微粒1kg,汽車(chē)排放污染也是驚人的。三是安全交通事故增加,中國每年因交通事故而造成的傷亡人數高達20萬(wàn)人/年,即百萬(wàn)輛汽車(chē)死亡人數高達0.5萬(wàn)人。為保證汽車(chē)工業(yè)健康發(fā)展,各國都制定了相應的法規。首先是如何減少汽車(chē)行車(chē)油耗,節約能源。能耗問(wèn)題首次變得尖銳源于20世紀70年代初的石油危機,石油供應短缺和價(jià)格猛漲,迫使一些國家采取相應對策。70年代末,美國和日本相繼制定了內容類(lèi)似的能源政策。美國的公司平均油耗法(CAFÉ)要求各汽車(chē)廠(chǎng)生產(chǎn)銷(xiāo)售的小汽車(chē)的平均油耗為:1978年為7.61 km/L(18mile/gal),1980年為8.46 km/L(20mile/gal),1985 年為11.67 km/L(27. 6mile/gal).在汽車(chē)油價(jià)持續攀升的今天,這一法規更加嚴格。在美國,當某車(chē)型不能滿(mǎn)足CAFÉ規定時(shí),該車(chē)型的生產(chǎn)廠(chǎng)家將受到高額罰款,該車(chē)的買(mǎi)主也將被征收汽油超標稅,汽油超標稅的起征點(diǎn)為9.52km/L(22.5mile/gal);這一指標將對整個(gè)汽車(chē)設計用材及其生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響;日本也于1999年規定了車(chē)輛的油耗限值,該限值依據車(chē)輛的裝備質(zhì)量不同,車(chē)輛驅動(dòng)形式的不同,以及變速箱形式的不同而改變;盡管歐洲尚無(wú)燃油方面的規定,但CEE規定了燃油消耗量的測試方法,政府公布每種車(chē)型的實(shí)測燃油消耗,引導用戶(hù)的購車(chē)意向;中國也于2003年制定并實(shí)施了車(chē)輛燃料消耗量限值方面的法規。


汽車(chē)數量增多,車(chē)速增高,車(chē)禍增多。為保證人員和車(chē)輛安全,美國在1966年制定了聯(lián)邦汽車(chē)安全標準(Federal Motor Vehicle Safety Standard)[2].這個(gè)標準的內容在技術(shù)上逐年加嚴。此外,1970年,美國、日本與西歐各國共同制定了安全實(shí)驗車(chē)(Experimental Safety Vehicle)計劃,并進(jìn)行了幾年的研究試制和國際交流,從而得出,保證安全的一個(gè)重要措施是汽車(chē)構造和構件要顯著(zhù)增強。例如,美國規定汽車(chē)的前保險杠必須承受在8.05 km/h(5mile/h)車(chē)速下的撞擊無(wú)任何永久變形。近年來(lái),安全法規逐年嚴格,基于有關(guān)單位的統計報告,在車(chē)輛碰撞事故中,正面碰撞占49%,側面碰撞占25%,追尾(即后碰)占22%.雖然側碰比例較少,但人員傷害最嚴重。歐美除制定了正碰法規FMVSS208 和ECE R94外,還制定了側面碰撞法規 FMVSS214 和ECE R95,我國2004年6月1日起實(shí)施正撞法規,2006年7月1日起正式實(shí)施側碰法規。


為降低排放,歐美均先后制定了相關(guān)的排放法規。歐洲1993年開(kāi)始實(shí)施歐I排放標準,1997年實(shí)施歐II,2000年實(shí)施歐II,2004年實(shí)施歐IV;美國于1993年制定了類(lèi)同歐I的排放標準,同時(shí)提出了過(guò)渡低排放汽車(chē)(TLEV)、低排放汽車(chē)(LEV)和超低排放汽車(chē)(ULEV)排放標準,對汽車(chē)排放提出了更高的要求;我國目前已全面實(shí)施歐II排放標準,2006年7月1日起,部分城市實(shí)施歐I排放標準。


降低汽車(chē)油耗雖然可以通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機效率、增加傳動(dòng)效率、減少運行阻力等方法,但是根據汽車(chē)油耗和汽車(chē)重量成線(xiàn)性關(guān)系的試驗結果。,如果汽車(chē)自重降低10%,在其他條件不變的情況下,則可使汽車(chē)油耗降低8%,排放降低4%,可見(jiàn),降低汽車(chē)自重是降低汽車(chē)油耗的簡(jiǎn)單有效的方法。


汽車(chē)質(zhì)量對燃油消耗的影響可從以下分析中更一目了然地體現出來(lái)。如圖1-1所示,汽車(chē)在角度為α的坡面行駛,其行駛阻力Fwi可由方程1-1表示。


以上各式中,m為汽車(chē)質(zhì)量,p為空氣密度,Cw為風(fēng)阻系數,A為汽車(chē)迎風(fēng)截面積,vx為車(chē)速,g為重力加速度,ax為汽車(chē)加速度,KR為上坡阻力系數,Km為加速度阻力系數,將方程1-2~1-5代人方程1-1,可得:


方程1-6表明:汽車(chē)的運動(dòng)阻力與汽車(chē)質(zhì)量密切相關(guān),通常當車(chē)型設計完成后,風(fēng)阻便可固定,則車(chē)子的運行阻力(也即燃油消耗)與車(chē)子的自身質(zhì)量呈線(xiàn)性關(guān)系。


從汽車(chē)制造、使用中耗能的統計結果來(lái)看假定一部小汽車(chē)“一生”所耗能量為12.56×108kJ(3×108kcal),則行駛占82%,制造材料占10%,加工工藝占5%,輪胎占2%,潤滑油占1%.可以看出,減少汽車(chē)自重從而降低使用中油耗的重要意義。因此,美國汽車(chē)的自重自1974年以來(lái),已經(jīng)迅速下降,例如:1977年轎車(chē)平均重量為1900 kg,1985年下降到1360kg.汽車(chē)自重的這種明顯的變化只有通過(guò)各種構件用材的變化才可能實(shí)現。


有趣的是,降低燃油消耗和排放,要求汽車(chē)輕量化,降低自重;而近年來(lái),由于汽車(chē)功能提升,安全性增加,舒適性改善,增加了許多安全件、自動(dòng)化附件和相關(guān)的舒適性附件,這些又使汽車(chē)自重有增加的趨勢。但是,如果不是輕量化材料和技術(shù)的應用,汽車(chē)自重的增加量將會(huì )更大,汽車(chē)自重變化的趨墊見(jiàn)圖1-2。


減輕汽車(chē)自重可以采用密度低的鋁合金、塑料以及纖維增強復合材料。但這為些材料與低合金高強度鋼相比,尤其和近年發(fā)展的先進(jìn)高強度鋼相比,不只制造過(guò)程耗能多、工藝復雜,而且現階段的價(jià)格也較高。根據我國及美國有關(guān)部門(mén)進(jìn)行的德?tīng)柗疲―elphi)預測,為了減少能源消耗,汽車(chē)工業(yè)用材近期仍以鋼為主,中期可能發(fā)展鋁合金,遠期才發(fā)展工程塑料和復合材料。這和Compoton.對美國汽車(chē)材料使用的預測是一致的。1970年Compoton指出,即使到1985年,汽車(chē)工業(yè)中鋼鐵的用量還會(huì )占70%以上,而且高強度鋼材的用量會(huì )有顯著(zhù)增加。


2001年美國典型家庭轎車(chē)用材的構成:鋼54%,鑄鐵10%,鋁合金8%,橡膠和玻璃7%,鎂合金0.3%,其他12.7%,而高強度鋼的用量迅速增加,在國際鋼鐵協(xié)會(huì )組織的全世界34家鋼鐵公司和相關(guān)汽車(chē)行業(yè)的輕量化項目ULSABAVC白車(chē)身(BIW)的開(kāi)發(fā)中,高強度鋼用量已達90%以上,這些數據和上述的預測趨勢相一致。


在一部汽車(chē)中,鋼板的質(zhì)量占車(chē)體材料的83%以上。因此,采用低合金高強度鋼板代替傳統的低碳鋼板,對減輕汽車(chē)自重、降低油耗、提高汽車(chē)構件強度、保證安全行駛都具有重要的意義。正如Nitto等人在1981年所指出的:“現在可以毫不夸張地說(shuō),如何利用高強度鋼板已經(jīng)成為影響80年代小汽車(chē)制造全局的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題!被谧罱鼛啄甑脑囼灲Y果和所進(jìn)行的理論分析,高強度鋼板的應用及其在各類(lèi)汽車(chē)零、部件中的應用總結于表1-1。


由表中關(guān)系方程可以看出:除疲勞強度外,其他各性能均正比于板材厚度和相應的材料性能(抗拉強度、流變應力和彈性模量)。如果材料強度提高,在所要求的性能不變或略有提高的前提下,則板材構件厚度可以減薄,因而可以降低構件重量。以承受大變形的保險杠加強體為例,該零件在使用中承受大的撞擊載荷,希望具有較高的壓潰強度。厚度、強度和壓潰強度之間的關(guān)系方程為P.cct(σb)”,n=1/2如以厚度t=5mm的普通碳鋼制造,設低碳鋼的σb=280 MPa,則P,=84K(K為常數);如采用強度σb=430 MPa的SAE950X制造,P.保持不變,則厚度可減為4mm或重量可降低20%;如采用σb=600 MPa的SAE980X制造,P,不變,則厚度可減至3.4mm,重量可減少30%;如仍用SAE980X制造,但重量只降低20%,則P.可提高到98K.這個(gè)例子說(shuō)明了采用高強度鋼的優(yōu)越性。這和文獻中所列的采用屈服強度為350 MPa的HSLA鋼代替低碳鋼可分別使前梁、發(fā)動(dòng)機支架、保險杠加強體、保險杠、門(mén)、發(fā)動(dòng)機內外蓋板等構件板厚減少15%~25%的計算結果是一致的。因此,采用高強度鋼板制造車(chē)身構件,可以減少板材厚度,降低構件重量,從而節約行駛油耗,并保證安全運輸。


文獻指出:采用高強度鋼和先進(jìn)高強度鋼,還有利于提高乘用車(chē)白車(chē)身的彎曲剛度、扭轉剛度以及相應的振動(dòng)頻率,從而有利于降低白車(chē)身的NVH性能。

 

 
 

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