汽车发动机的轻量化

汽车发动机的轻量化（精选4篇）

汽车发动机的轻量化 篇1

石油是现代汽车的主要能源,目前,地球上的石油储备含量有限,而汽车产量的增加也带来燃油价格的上涨。所以汽车设计、制造和使用的重要任务是节约燃油、提高燃油经济性。减轻汽车整备质量,实现汽车车身及零部件的轻量化,是降低油耗最有效的重要措施之一。表1所示为汽车自身重量的主要构成比例。可见,发动机、底盘及车身零部件是轻量化的重点。本文介绍发动机的轻量化。

1 汽车轻量化的意义

汽车轻量化必须是在保证汽车强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力利用率,减少燃料消耗,降低排气污染。汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。

汽车行驶时需克服的阻力有滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、和加速阻力。阻力越大,燃油消耗率就越大。其中滚动阻力、坡度阻力和加速阻力与整车总质量成正比,质量越大,阻力越大。空气阻力主要与迎风面积和车身形状有关,与整车的总质量无关。降低汽车总质量,能减小行驶阻力,从而减小行驶驱动力,降低燃油消耗,提高燃油经济性。汽车质量每减轻100kg,能使汽车百公里油耗减少30%以上。根据美国1978年进行的统计表明,总质量为1360kg的汽车,当汽车总质量减少10%,燃油消耗降低约8.8%,而燃油消耗每减少1L,产生的CO2排放量则减少2.45Kg。所以汽车轻量化也是节能环保的有效措施之一。

2 发动机的轻量化

轻量化应该通过结构、材质、制造工艺的优化来取得,必须以保证汽车的安全性为最基本的前提。根据零部件的受力、功能和要求,分析每个部件的应力和轻量化目标,进行优化设计后,再确定轻量化材料。应用先进的制造技术和工艺(高强度钢的制造技术,合金复合材料的成型技术和非金属材料的成型技术等),采用先进的加工工具和设备,来达到零部件的轻量化。通过相关结构的轻量化优化设计和几何形状的优化,尽可能降低零部件的成本。

2.1 新设计在发动机上的应用

随着计算机的飞速发展,越来越多的先进设计理论应用到发动机设计中。利用现代化信息化技术,创新轻量化设计理论和优化设计工具,减少零部件数量,将部件零件化、复合化。减少零部件数量,整合零部件,结合结构优化方法与有限元法,对零部件进行结构优化设计,保证零部件的强度的前提下使零部件中空化、薄壁化,消除零部件的冗余部分。

目前在汽车轻量化结构优化设计中已普遍采用拓扑优化的方法,可以在不减轻质量的情况下提高刚度,及在不降低刚度的情况下减轻质量。如奥迪公司采用拓扑方法优化、改进结构,并通过有限元结构模拟计算,对主轴承盖进行优化设计,使质量减轻了22%。

2.2 新材料在发动机上的应用

铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等材料是实施发动机轻量化的主要材料,主要用以改造和替代发动机材料。其目的是在保证发动机性能的前提下,通过使用轻质材料来降低发动机质量,从而实现节能环保功能。

发动机材质通常采用三种方式:缸体缸盖全铸铁、缸体缸盖全铝合金以及缸体铸铁缸盖铝合金。目前缸体铸铁缸盖铝合金的发动机动机较多。发动机的轻量化,采用铝合金或镁铝合金结构代替密度大的铸铁发动机部件,从而实现强度更强和质量更轻。

铝具有良好的机械性能,耐腐蚀性、导热性好,其密度只有钢铁的1/3。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。但铝合金焊接性能差,其加工难度比钢材高。目前,占汽车用铝量80%是铝合金铸件。铝合金用于制造发动机零部件和壳体类零件等,如缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、起动机壳、发动机壳、摇壁、摇壁盖、滤清器底座、发动机支架、正时链轮盖、发动机拖架等。铝合金铸件也大量应用在重型车发动机中的进气歧管、油底壳、飞轮壳和齿轮室罩盖等零件中。

镁的密度伟1.8g/cm3,与铝相比,镁可使重量减轻21%,镁合金减震性能好,能降低汽车噪音及震动。但铸造性能比铝差,其后处理工艺复杂,导致成本高。发动机上已大批量应用镁的主要是进气歧管,以及支架、罩盖等。

高强度不锈钢耐热,耐腐蚀,在排气系统中大多使用不锈钢材料。但不锈钢的成本较高。采用高强度不锈钢板试制的发动机支架等零部件,轻量幅度可达到30%左右。

钛的密度为4.5g/cm3,钛及其合金强度比铝、镁合金高;其高温力学性能和低温力学性能好,钛合金在500℃左右仍能保持良好的力学性能;钛合金具有优异的耐蚀性能,可在恶劣的工作环境下使用。因此钛合金将是替代钢铁的高性能的轻量化材料。但其价格昂贵。钛可用于制造发动机气门、气门座、气门弹簧、连杆、紧固件等,除了减轻重量外,还可提高使用性能,抗振、节约燃油。由于钛合金具有良好的高温力学性能和抗腐蚀性能,在赛车、改装车或高档轿车中采用钛合金排气系统。

精细陶瓷具有优良的力学性能和化学性能,高温强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐热冲击、耐氧化、蠕变等。但成本高,制造工艺复杂,可靠性差。特种陶瓷主要用于发动机的各种耐磨耐高温零件,如活塞、气缸、发动机、配气机构零件、催化转化器载体等,纳米陶瓷可制作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶、氧传感器材料等。采用陶瓷材料不仅减轻重量,而且使功率提高,油耗大大下降。

高强度钢弹性模量高、刚性好、耐冲击性好、抗疲劳强度高等特点,且价格低,缺点是耐腐蚀性差。目前汽车发动机使用的高强度钢主要用于燃烧室,降低了质量,提高了发动机功率,从而降低油耗。此外,发动机托架也可采用液压成形技术生产的高强度钢构件。

塑料柔韧性较好,耐磨,避震。每100kg的塑料可替代其它材料200kg~300kg,可减少车辆自重,增加有效载荷。发动机上采用聚酰胺和PP制造空气的净化系统,采用玻纤增强尼龙制造进气歧管等,不仅节约了制造材料和装配成本,也减轻了发动机的重量,提高燃料的利用率。

2.3 新的制造技术和工艺在发动机上的应用

随着零部件的多材料设计、部件的零件化(减少零件设计)的发展,材料技术与设计、制造工艺越来越紧密的结合。激光拼焊、内高压成形以及不同材料的连接技术等新技术应运而生。应用先进的加工技术和连接技术,对多材料结构进行优化,从而减轻发动机重量。

2.3.1 激光拼焊

激光拼焊是指将几个小零件通过激光焊接集成到一个大的毛坯,进而冲压成形成所需的整体部件,主要用于差强度、差厚度或不同表面处理状态的零件整体成形。采用激光拼接板材后,可使零件数量减少19%,零件重量减轻24%,焊点下降49%。可用于制造发动机进气歧管等。

2.3.2 内高压成形

内高压成形也叫液压成形或液力成形,是一种利用液体作为成形介质,通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零件目的的材料成形工艺。发动机的排气系统异形管件即采用管材液压成形技术。与冲压焊接件相比,管材液压成形能节约材料,减轻重量,轴类零件可减重30%~50%,一般结构件可减重20%~30%,提高了构件的强度与刚度,由于焊点减少而提高疲劳强度。

2.3.3 热冲压成形技术

热冲压成形技术是将钢板(初始强度为500~600MPa)加热至奥氏体状态,然后进行冲压并同时以20~300℃/s的冷却速度进行淬火处理,(保压一段时间以保证淬透)以获得具有均匀马氏体组织的高强钢构件的成形方式。可用于制造发动机罩等。

2.3.4 楔横轧工艺

楔横轧工艺是阶梯轴类零件塑性成形的新工艺,在该工艺中,楔形模具作相向运动,扎入圆形截面的毛坯,迫使毛坯回转并沿着模具的型面作相应地减径和延伸。采用楔横轧工艺,生产效率高,可比其他工艺提高3~10倍,材料利用率高,可节约材料20%~35%,采用楔横轧,可以由钢管制造各种阶梯轴,如凸轮轴等,一般可减重30%。

3 结语

发动机的轻量化是一个复杂的系统工程。发动机的轻量化与底盘、车身的轻量化应结合起来,不断开发应用新材料,不断发展零部件设计、制造等先进技术,这样才能达到最佳的轻量化效果。

参考文献

[1]王鹏程.国内发动机及其关键部件的轻量化[J].汽车工艺与材料,2007(1).

[2]朱宏敏.汽车轻量化关键技术的应用及发展[J].应用能源技术,2009,2.

[3]廖君.汽车轻量化技术发展的探讨[J].农业装备与车辆工程,2009,1.

[4]朱蕴策.汽车材料与热处理技术的发展[J].第三届中国热处理活动周暨第六次全国热处理生产技术改造会议论文专辑,2005.

[5]龙江启,兰凤崇,陈吉清.车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J].机械工程学报,2008(6).

[6]陈海涛.汽车结构因素对燃油经济性的影响[J].公路与汽运,2006,4.

探讨汽车的轻量化技术运用方法 篇2

1轻量化技术运用中优化设计的作用

1.1结构的设计

对于汽车优化设计,其主要针对的是车身以及关键零部件。进行优化设计的时候,需要考虑的有:(1)对车身空间结构进行优化,达到不同工作载荷的要求;(2)减小或者是减少车身不必要的尺寸、各种零件的数量以及零部件厚度;(3)不断优化零部件外形,尽量减少多余的结构或者是增强重要构件数量。

1.2材料的确定

优化设计主要是通过科学设计汽车产品,在与汽车使用性以及经济性具体要求相符的条件下,采取相应的轻量化材料,这时候设计者经验以及CAE技术就显得特别重要。其中设计者的经验能够通过不断积累获得转化,属于轻量化数据库里面的专家系统[1]。此外,依据设计的静动力学相关分析,整车性能的深入研究以及主要件生产工艺具体模拟过程可知,CAE技术能够为材料的选择进行合理预判。

1.3预置工艺

由于汽车结构十分复杂,其工艺实现会严重影响到整车轻量化效果。随着汽车业的不断发展,各种复合材料、高强钢以及铝镁合金不断出现,同时也对应用工艺方面的要求更加高[2]。其中主要有:一些部件,比如轿车副车架,本身形状十分复杂同时生产难度较高,液压成形可以提供一个有效解决途径;界别比较高的高强钢,其对成形性方面的要求比较高,热成形技术就可以有效解决该问题。利用CAE技术能够对这些工艺所具有的可行性以及路径进行有效的分析。

1.4试验仿真

所有车辆的好坏,均需要试验的验证。汽车轻量化整个发展历程中,国外一些汽车检测法规开始用CAE分析法取代某些试验测试,并且其结果获得了各界确认,最终变为了一项标准要求。其中对汽车轻量化造成严重影响的相关试验主要是:保险杠碰撞试验、自车身弯扭试验以及自车身NVH试验等,这些试验均能够利用CAE技术取得比较理想的仿真效果。

2轻量化技术运用中各种新材料以及新工艺的作用

2.1新材料的运用

(1)高强钢属于轻量化的主要材料,大量使用这种高强钢不仅可以使整车轻量化,同时还可以确保汽车自身安全性以及可靠性,所以,高强钢实际使用面比较广,同时量也非常大。

(2)铝合金属于轻质材料,本身抗腐蚀性非常好,具有广阔应用前景。最近几年,汽车制造过程中铝材用量越来越大,其中主要包含有锻铝或者是铸铝、板材以及挤压材,一般使用于车轮、车身结构、外覆盖件以及空间框架等位置。

(3)镁合金是一种比铝质量更轻的材料,具体体积质量只有1.8千克/立方米,获得的轻量化效果非常显著。这种材料最开始是在方向盘骨架、壳体类以及气缸盖罩盖等部位使用,当前已经逐渐应用于支架类零件、座椅骨架以及仪表盘骨架部位。

(4)塑料和各种纤维复合材料也开始广泛应用于汽车工业领域,其中汽车上所采用的塑料件已经有数百个[3]。对于重型卡车,其所使用的塑料以及复合材料量高达150千克,主要包括普通的塑料以及强度比较高的复合材料。

(5)二十世纪六十年代发展起来的新材料主要包括金属基复合材料,并且在八十年代之后得到了迅猛的发展。对于汽车工业生产而言,其所采取的MMC大部分为纤维增强或者是颗料增强的相应铝基复合材料。这种材料在刹车系统零部件以及发动机中得到了广泛的应用。其中发动机零件包括气门挺柱、缸套、活塞、摇臂、连杆以及活塞销,而汽车刹车系统主要在刹车盘以及刹车毂中得到应用。

2.2新工艺的运用

2.2.1热成形技术的具体应用

为了同时实现轻量化以及增强汽车性能的目的,就应该选择强度较高的相应轻量化材料。现阶段,目前,如果乘用车的车型已经达到Uncap碰撞4星或者是5星级水平,那么其主要安全件里面(A柱,B柱,C柱以及保险杠防撞梁和防冲柱等)一般采用的是抗拉强度达到1 500 MPa并且屈服强度达到1200 MPa相应马氏体钢,这样高的强度之所以可以实现,主要是因为热成形钢材以及相关工艺技术的迅猛发展。材料自身屈服强度以及延伸率会对其加工成形性产生直接的影响,同时材料的断裂应变与其屈服强度以及材料的温度存在紧密的联系[4]。当温度为900℃的时候,热成形钢具体屈服强度将会减小到150MPa,并且断裂应变超过50%,这时候热成形钢自身成形性以及可加工性均非常好,当热成形过程结束后,开展冷却淬火工作,使其达到高强度,同时固定了处于热成形状态下的相应形状。

2.2.2液压成形技术的具体应用

所谓液压(也就是内高压)成形,主要是指选择液态物质当做施力介质,通过施力介质处理坯料,使其贴合凸模或者是凹模面成形。其中液压成形可以分为两种,分别是板材液压成形以及管材液压成形。进行汽车工业生产的时候,一般选择管材内高压成形方法。对于管材液压成形方法而言,其所具有的优点主要有:(1)可以节约材料用量;(2)降低后续工作量;(3)因为焊接减少,所以能够增强构件强度以及刚度;(4)和冲焊件进行比较,其材料利用率处于95%~98%范围内;(5)减少生产成本以及模具费用支出。

2.2.3激光拼焊板技术的有效应用

因为激光焊接技术具有一定特殊性,并且焊接速度非常快,具体热影响区比较小,所以,激光拼焊板材具有比较理想的成形性。这种拼焊板技术可以把各种表面处理状态、不同厚度以及不同强度的相应板材利用激光拼焊集成为整体板坯进行冲制,通过这种方式能够选择减少模具数量以及后续生产工序环节,达到减小生产成本的目的,同时确保零部件质量,改善零件结构,将各种强度以及各种厚度板材所具有的特性充分发挥出来了。

2.2.4金属半固态成形技术的有效应用

这种技术所具有的特点主要为:节能环保、高效并且高性能以及低成本。通过多年的有效发展,这种技术的应用越来越成熟。二十世纪九十年代,西方国家已经发展至产业化应用这一阶段,同时促进了铝合金材料在汽车结构零件制作中的广泛应用[5]。现阶段,瑞士Alusuiss、德国EFU以及法国Pechiney公司等都具备较大规模的产业,同时在汽车零部件生产中得到了大量的使用。单件尺寸以及质量也越来越大。

3轻量化技术运用中LCA的作用

所谓LCA,主要指客观评价产品生产工艺和生产活动环境负荷,其利用辨识并且量化能量、具体物质消耗和因为生产而产生的废弃物排放量的方式来评估能力以及物质利用给周围环境造成的影响,从而获得改善产品或者是生产工艺的途径,属于有效工艺评价方法。对于轻量化而言,不仅应该减轻汽车质量,同时还应该符合汽车LCA,这是因为LCA主要追求的是产品整个生命周期不对周围环境产生大的影响,能够尽量提高可耗竭资源实际使用效率,降低材料以及能量的消耗量,对各种可再生能源进行充分的利用,达到保护环境的目的。

4轻量化技术未来应用前景

未来轻量化技术的进一步发展将一直围绕材料的使用进行,全球各国为此均已经采取了多种措施:其中美国PNGV计划认为材料的选用主要是塑料复合材料、高强钢以及铝/镁合金,通过这些材料达到汽车轻量化的目标,同时强调了广泛运用轻质材料所具有的重要性;落实ULSAB-AVC计划的时候,把轻量化目标范围延伸至发动机支架、汽车超轻钢悬架系统和别的结构件,生产出的车身燃油效率得到了显著改善,同时材料十分容易回收,能够减少成本投入。

中汽协发表了《汽车轻量化意义》,内容主要面向未来,并且要求分析并且优化汽车总体结构的时候,应该在以下方面实现轻量化:附件轻量化、零部件的精简化以及整体化、车身轻量化、发动机轻量化、变速器轻量化、悬架轻量化与车身轻量化。现阶段,国内厂家正在研究客车、普通轿车以及商用车所使用的轻量化材料具体应用技术以及使用性能,发现高强钢以及铝材料的使用结果非常值得期待[6]。

5结语

汽车生产过程中,各种轻量化材料已经得到了普遍应用,未来汽车工业主要发展方向就是汽车轻量化。现阶段,经常使用的轻量化技术为:优化设计技术、材料技术、LCA生产技术。对象研究表明,以后汽车工业生产相应实现全方位轻量化目标,就应该将发展重点放在材料轻量化方面,对促进汽车工业进一步发展非常有利。

参考文献

[1]范子杰,桂良进,苏瑞意等.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(1):1-16.

[2]胡明宝.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].消费导刊,2015,12(12):361-361.

[3]范军锋,冯奇,凌天钧等.汽车轻量化与制造工艺[J].机械设计与制造,2009,38(7):141-143.

[4]曹学涛,崔建磊.轻量化技术在汽车工程中的应用[J].山东工业技术,2016,95(6):87-87.

[5]向晓峰,魏丽霞,马呜图等.汽车轻量化技术的应用[J].汽车工程师,2012,16(5):57-59.

汽车的轻量化技术与节能环保 篇3

随着我国汽车产量和保有量的不断攀升, 我国汽车的能源消耗和有害排放逐年递增。在日益短缺的能源状况和日益恶化的环境状况下:发展节能、低排放的汽车技术是减少能源消耗和减少环境污染的必由之路。

为了达到降低油耗、减少环境污染及节约有限资源的目标。目前, 从国际发展趋势上看, 解决汽车节能环保问题的主要措施如下。一是发展电动汽车等新型能源汽车;二是大力发展先进发动机技术;三是汽车轻量化。比较以上3种主要措施, 在当今发动机技术提升难度日益加大的背景下, 减轻汽车自身质量, 是节能环保的最有效措施之一。

2 汽车的轻量化技术

汽车轻量化技术是实现节能环保目标的重要途径, 下面介绍目前主流的汽车轻量化技术。

2.1 轻量化环保材料

随着汽车轻量化需求, 新环保材料 (材料本身具有环保性和可回收性) 将扮演愈来愈重要的角色。目前, 可用来减轻汽车自身质量的新环保材料有两大类:一类是高强度材料, 如高强度钢、高强度不锈钢、结构钢、高强度铸铁和粉末冶金等;另一类是轻质材料, 如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料、精细陶瓷、金属基复合材料、非金属基复合材料等。

2.2 轻量化绿色制造技术

(1) 激光拼焊板技术

激光拼焊板技术是根据汽车零件设计的要求, 将不同厚度、不同强度和不同镀层种类的钢板, 通过激光拼焊成一块整体板, 然后再进行冲压得到所需零件形状的工艺技术。

激光拼焊工艺与传统工艺对比见图1。它最显著的优势是, 减少了零件数量和材料消耗, 减轻了整车质量, 简化了装配工艺, 因而得到越来越广泛的应用。

目前, 在汽车上的应用主要有前/后车门内板、前/后纵梁、侧围、底板、车门内侧的A/B/C立柱、轮罩、尾门内板以及车身等。

(2) 液压成形

液压成形技术是把管状或板状材料放在密封的模具中, 然后采用液态的水或油替代刚性的凹模或凸模, 使板料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模成形。由于液体替代了刚性模具, 不仅减少了模具数量, 降低了费用, 还可以提高产品质量和成形极限, 从而实现轻量化设计。

使用液压成形方式制造的零件, 可将原来分割成数个零件组合的部件, 改为用单一零件代替, 减少了零件组合的工作, 同时增加了车体的刚性, 从而达到减轻质量、降低成本的目的。典型的零部件有底盘、发动机支架、排气系统与悬挂系统等。成形原理见图2。

(3) 热成形

热冲压成形技术是将钢板加热到Ac3点以上的A (奥氏体) 区域进行冲压成形, 然后在冲模中从Ar3相变点以上进行急冷, 以获得具有均匀马氏体组织的高强钢构件的成形方式。热冲压原理见图3。热冲压技术优势:a.具有高的强度且具备良好的延展性, 保证复杂零件的成形;b.可适当降低零件的厚度, 有效减轻零件质量;c.具有高的尺寸精度;d.降低压机的吨位;e.能够提高整车的碰撞性能。目前, 应用轻量化热成形技术的车身零部件有前、后保险杠、A柱、B柱、中通道、前门防撞梁、防撞杆等。

(4) 钢板柔性轧制技术——辊压成形技术

钢板柔性轧制技术是指首先将截面厚度变化的规律输入计算机, 工作过程中在计算机的控制下自动调整轧辊间隙, 使钢板的厚度按规定的要求呈周期性变化, 从而得到可变截面厚度的钢板卷料, 这种卷料可广泛用于车身零部件。

(5) 其他技术

新兴的渗浸陶瓷工艺, 陶瓷碳素技术, 纳米材料技术也将是未来选项。

2.3 轻量化结构优化设计技术

车身的结构优化是指在车身开发阶段应用CAX一体化技术, 用数值模拟技术代替实车试验, 对车身进行静刚度、振动、疲劳和碰撞等结构性能分析, 得到车身的力学结构性能, 并应用现代优化技术对车身结构进行优化。

当前主流轻量化结构优化设计技术有拓扑优化设计、零部件整合、汽车小型化、形状优化等。

2.4 环保型连接技术

环保型连接技术要求以自然资源的保护和生产过程的优化为目标, 替代传统连接方式, 且符合经济性、环保性、安全性的基本要求。当前, 主流环保型连接技术有冲铆、激光焊接、迭边压接、超塑性扩散连接等。

3 汽车轻量化技术对节能环保的贡献

(1) 新环保材料

汽车使用新环保材料以后, 整车质量随之减轻。带来的好处不仅是性能更好, 操控更灵活。除此以外, 耗油量也会大幅下降。更重要的是铝合金、镁合金都是可以不断循环再造的金属, 虽然首次铸造铝合金和镁合金比钢所用的能源增加, 但轻量化汽车行驶时所省能源很快便弥补了铸造时的能源。在循环使用时, 铝合金所需的能源亦远比再造钢铁为少。从长远看, 镁合金、铝合金的轻量化、100%循环再制造等特性, 都是发展环保事业中不可不使用的金属材料。

以塑代钢的塑料零部件可减轻整车质量, 是汽车轻量化的重要轻质材料, 其中75%塑料还可以循环再利用, 可以大幅降低能源消耗和推动环保进程。

(2) 轻量化绿色制造技术

轻量化绿色制造技术如激光拼焊板技术、液压成形技术、高强钢热成形技术等简化了模具, 缩短产品周期, 能制造出其他工艺无法实现的复杂结构, 不但对提高汽车性能, 减少零件数量和汽车轻量化有十分重要意义, 而且能降低制造零部件能源消耗, 减少环境污染。

(3) 轻量化结构

结构优化技术能从根本上促进汽车轻量化发展。可以广泛采用现代优化技术对车身结构进行优化, 在确保车身的功能、性能和质量的前提下, 去除冗余材料, 使车身部件精简化、小型化、薄壁化和中空化, 以达到减轻整车质量的目的, 从而降低整车运行过程中的能耗和排放。

(4) 现代连接技术

现代连接技术如激光焊接、锁铆连接、压力连接等除了在节能、环保、安全上比传统的焊接工艺具有其先天的优势外, 同时在不同特性材料连接、合金材料连接、镀层材料连接等方面具有绝对优势。

4 汽车轻量化技术节能环保的LCA评估

全生命周期分析 (Life Cycle Analysis, LCA) 是一种用于评价产品在其整个生命周期中, 即从原材料的获取, 产品的生产、使用直至产品使用后的处置过程中, 对环境产生影响的技术和方法。这种方法被认为是一种“从摇篮到坟墓”的方法。按国际标准化组织的定义 (ISO 14040) , 生命周期分析是对一个产品系统的生命周期中的输入、输出及潜在环境影响的综合评价。根据全生命周期分析方法, 对汽车轻量化的4种主流技术进行分析和比较如下。

(1) 新环保材料不仅本身具有环保性和可回收性, 可以减轻整车质量, 而且减少材料使用和浪费, 降低整车运行过程中的能耗和排放。

(2) 绿色制造技术不但简化了模具结构, 缩短了产品的生命周期, 而且可以制造出其他方法所不能制造的复杂工件, 这对提高汽车性能、减少零件数量和减轻汽车自身质量有十分重要的意义, 在制造过程中可实现节能环保。

(3) 先进的结构设计理念可从根本上杜绝资源浪费, 可以使资源达到合理配置, 不但提升整车性能, 还可以优化零部件结构, 是减轻整车质量的重要手段。

(4) 现代连接技术以经济性、环保性、安全性为基本要求, 以轻量化连接为目标, 可以从根本上降低能耗和减少污染物排放。

5 汽车轻量化技术在节能环保方面的应用

汽车轻量化技术不是汽车零部件的简单材料替换, 工艺更新, 结构优化和使用先进连接技术, 而是一个涉及到技术、经济、能源、环境等多方面的复杂系统工程, 它不但是国家能源安全的战略需求, 也是节能减排的战略需求, 需要将从材料到汽车零部件结构设计和检测、绿色制造、轻量化连接、汽车零部件回收再制造、零部件维修等关键技术集成开发与应用, 需要各项关键技术相互支撑。

上海汽车新能源汽车事业部以科委要求新能源汽车整车减轻质量7%~10%为目标, 与同济大学、上海交通大学、上海理工大学等开展产、学、研合作, 重点针对车身、底盘、动力系统零部件, 集成开发和研究新材料、新工艺、优化设计、先进连接工艺。以仪表板骨架轻量化开发为例, 原钢制仪表板骨架质量为5.545 kg, 采用镁合金材料进行全新优化设计, 结合先进制造工艺, 新的镁合金产品质量为1.895 kg, 达到减轻质量65%。

6 结束语

当今世界, 环境的日益恶化成为摆在人类面前的重大难题, 保护环境、减少有害物排放是全世界的共同目标。汽车作为能源消耗、资源消耗及排放的大户, 降耗、减排、降重成为其技术发展的重中之重。

汽车发动机的轻量化 篇4

在众多的移动起重机体系中, 汽车起重机作为一种将起重机系统安装在特制的汽车底盘上的便携式起重机, 可以在各类公路上快速行驶, 具有机动性、灵活性等特点, 因而, 在起重设备市场中占有相当大的份额。进入21世纪后, 国内汽车起重机得到了跨越式的发展。然而, 我国汽车起重机行业的快速发展, 主要是依托当前国家对各类基建工程项目的大量投资, 汽车起重机销量虽然大幅度增加, 但是在其设计和制造方面, 如汽车底盘技术、起重臂及其伸缩系统、整机结构优化设计、电液控制技术以及材料设计等方面仍与国外同行业先进技术存在较大的差距。

1 国内汽车起重机的发展与不足

在汽车起重机行业中, 根据起重量的大小, 通常将汽车起重机分为轻型 (<5t) 、中型 (5~15t) 、重型 (15~50t) 、超重型 (>50t) 等几种类型。目前, 国内在中小吨位汽车起重机 (<25t) 的关键技术和性能等方面的研究上取得了较大进展, 技术逐渐成熟, 相应的产品可以满足出口国外的要求。然而, 由于工程建设项目的大型化, 各种建设装置及施工设备的重量也越来越大, 使得超重型起重机的市场需求不断增加。因此, 为满足市场需求, 开发新型大吨位 (>150t, 甚至千吨级) 、长臂架的汽车起重机成为国内核心起重机生产企业的重要发展方向之一。

目前, 国内起重车的设计过于重视整机的安全质量, 给起重机设定了过高的安全系数, 导致起重机的结构和元器件笨重繁琐, 体积和自重大, 其金属结构自重约占整机重量的40%以上, 而一些超重型起重机, 其金属自重甚至高达70%~90%。随着起重机向大吨位方向发展, 起重机的自重也将越来越大, 使得起重机制造过程中消耗大量钢材, 导致能耗大幅增加和尾气排放有害物质增多。这不但在生产上要耗费大量的金属材料, 而且过高自重会给汽车起重机的轮压以及路基路面等的承载能力带来更大的技术挑战。

在保证整机起重量和安全性的前提下, 优化汽车起重机的设计结构, 减轻其自身机构, 如汽车底盘等的重量, 不仅可以节约大量的制造材料, 降低生产成本, 还可以降低整机负荷和承载设施的造价, 并且对减少能耗及排放、节能环保具有重要意义。因此, 开展汽车起重机轻量化技术的研究, 并将其应用到实际中, 成为当前国内汽车起重机发展的必然趋势。

2 汽车起重机轻量化发展策略

当前, 通过优化设计结构和开发新型结构材料替代钢材料, 从而实现汽车起重机的轻量化设计和制造, 是我国汽车起重机的主要技术发展方向之一。然而, 汽车起重机行业的轻量化技术和新型轻质结构材料的开发和研究还不成熟, 并未完全实现汽车起重机尤其是其核心构件如车架底盘、转台和起重臂等的结构轻量化设计。

2.1 汽车起重机核心结构的优化及设计

车架底盘、转台和起重臂等是汽车起重机吊载工作时的主要承力结构件, 其重量约占汽车起重机总重量的50%, 因此, 是国内外对汽车起重机进行轻量化设计的首选构件。通常, 需要利用结构和仿真模拟软件, 分析其应力及变形情况, 从而在保证其强度、刚度和稳定性的基础上, 在低应力区域减轻材料重量或优化结构设计, 以实现核心构件的轻量化。

2.1.1 车架底盘

车架是汽车起重机的重要承载构件, 包括车架前段、车架后段、固定支腿等几部分, 其中车架后段及固定支腿是整机的主要受力部件, 通过回转支承机构与转台连接, 同时车架上还安装有发动机、驾驶室、传动系统等部件。因此, 车架除了承受自身重量外, 还受到其他构件自重、吊重及吊重引发的偏向力矩的交互影响, 应力状态非常复杂。

通常, 汽车起重机车架后段一般设计为封闭型凹型大箱型结构, 同时为保证足够的刚度, 箱体内和回转支承处加装有多条纵向和横向隔板, 而固定支腿箱则通过上、下封板与车架焊接在一起。然而, 通过ANSYS模拟汽车起重机在正前方吊载、正后方吊载、正侧方吊载和后方45°吊载等多种工况下的应力分布, 结果发现常规车架的回转中心处承载的应力和变形较大, 固定支腿箱与车架焊接处存在应力集中, 易发生断裂事故, 并且车架两端强度裕量过高。通过去除车架两端部分的纵向对称隔板, 并将前端的部分隔板移动到后端固定支腿处, 同时将固定支腿箱与车架的焊接处改成圆角过渡, 既可保证车架整体应力在许用应力范围内, 避免了应力集中等产生的断裂破坏, 又可将车架重量降低8%左右。

2.1.2 转台

与车架相连接的转台是汽车起重机支撑起重臂的重要机构, 起重作业中的起升、变幅和回转都需要其来完成, 不过该处一般不存在应力集中现象。在轻量化设计中, 可以利用高强度的钢如BS600、HG70等替代传统的低强度碳钢Q235, 从而降低转台钢结构的厚度, 达到减重的效果。

2.1.3 起重臂

起重臂作为汽车起重机吊载工况下的主要承力构件, 其自重通常占整车重量的10%~20%。因此, 在保证起重臂安全工作的条件下尽量减轻起重臂的重量, 对提高汽车起重机的最大起重量起到决定性的作用。

通过对起重臂箱体材料的选择和起重臂几何形状的设计, 可以在提高起重臂的许用应力范围的基础上, 降低起重臂的重量。同时, 结合ANSYS等模拟软件分析起重臂的应力分布, 从而在满足起重臂许用应力的前提下, 尽可能减小起重臂钢板厚度。例如, 利用轻质高强度的铝合金臂架代替传统的钢质臂架, 可以将重量降低30%以上;对汽车起重机的起重臂截面采用椭圆形截面替代原有的四边形截面设计, 改善了起重臂上的应力分布, 并且可以避免附加加强筋, 从而也减轻了起重臂的自重。此外, 汽车起重机的起重臂伸缩技术, 采用单油缸插销自动伸缩技术替代传统的双油缸+钢丝绳排同步伸缩技术, 既可以满足长臂架 (>5节) 起重臂伸缩的需求, 又去除了钢丝绳等钢构件, 进一步降低了臂架重量。

2.2 汽车起重机构件的选材

采用先进的轻质材料替代传统的高重量钢, 是汽车起重机轻量化发展的一个重要环节。随着材料技术的不断进步, 可以应用到起重机上的轻质高强度材料越来越多。各种新型的轻合金高强度结构钢如Weldox1100型钢板, 其厚度仅为4mm, 强度远高于传统的厚度更大 (>10mm) 的中碳钢钢板, 将其应用在起重机主梁、车架等核心部位, 既能保证起重机的刚度和强度要求, 又显著降低了其自身重量。其他的轻质高强度合金材料, 如铝合金和钛合金, 其密度分别为钢的1/4和1/2, 但其强度却接近甚至高于传统的钢材料, 如果能够降低其生产成本, 将有望在汽车起重机臂架、发动机壳体等重要构件上得到广泛应用。

此外, 多种非金属材料, 如尼龙、碳纤维、玻璃钢等, 具有强度高、密度低的特点, 可以替代金属材料制造一些结构件、骨架等。例如, 采用高强度的尼龙替代钢质滑轮、钢质柱销联轴器等, 可以减轻起重机起升及运行机构的自重。碳纤维材料的密度不足钢的1/4, 强度却是钢的8倍左右, 利用碳纤维材料替代传统的钢丝绳排, 不但降低了起重臂的重力, 有助于起重臂臂长的增加, 而且提高了起重机的起重性能, 对开发大吨位汽车起重机具有重大的应用价值。

3 结语

汽车起重机的轻量化是我国起重机行业的重要发展方向之一, 应通过对其核心部件进行结构优化和选材设计, 使其起重性能更加可靠、能耗更低, 从而带动国内汽车起重机行业向高端、世界先进水平发展, 以提高国产起重机在世界市场上的核心竞争力。

参考文献

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[2]许光虎, 李法德, 徐江, 等.汽车起重机车架的有限元分析及轻量化设计[J].农业装备与车辆工程, 2014, 52 (5) :37-43.