淺談金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

盧振生 呂關(guān)想 史愛平 常家偉 趙宏雋

摘 要：在新時(shí)代背景下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平逐步提高，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了人們普遍的關(guān)注。盡管工業(yè)的發(fā)展速度非常快，但是能源短缺以及環(huán)境污染的問題越發(fā)嚴(yán)重，對(duì)人們的日常生活帶來(lái)了諸多影響。為了能夠充分貫徹我們國(guó)家提出的可持續(xù)性發(fā)展政策，理應(yīng)促進(jìn)汽車實(shí)現(xiàn)輕量化改造。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，在設(shè)計(jì)汽車的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)充分利用輕量化材料，如此可以有效減少能源的使用，促使汽車的整體性能有所增強(qiáng)，進(jìn)而能夠推動(dòng)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。本篇文章主要描述了金屬材料在汽車輕量化中應(yīng)用的意義，并對(duì)于金屬材料在汽車輕量化中的具體應(yīng)用方面發(fā)表一些個(gè)人的觀點(diǎn)和看法。

關(guān)鍵詞：輕量化;鋁及鋁合金;鎂及鎂合金;高強(qiáng)度鋼;鈦合金

1 引言

伴隨我國(guó)的快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量越來(lái)越高，幾乎每個(gè)家庭都已經(jīng)擁有了汽車。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料能夠了解，在整個(gè)2018年，我國(guó)汽車總銷售量達(dá)到了2808.2萬(wàn)輛，整體銷量一直處在世界的頂尖位置。盡管汽車能夠給人們的日常生活帶來(lái)諸多便利，但在環(huán)境污染方面以及能源損耗方面，都造成了諸多問題出現(xiàn)。基于這一背景，汽車輕量化發(fā)展的理念便被提了出來(lái)，以此可以有效減少能源消耗。因此，這也成為了汽車未來(lái)發(fā)展的一大方向。

2 金屬材料在汽車輕量化中應(yīng)用的意義

對(duì)于汽車輕量化而言，主要在其原本性能、抗震能力、抗撞能力以及舒適度不會(huì)受到任何影響的基礎(chǔ)上，盡可能降低汽車自身的整體質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，汽車質(zhì)量往往會(huì)對(duì)其行駛的阻力帶來(lái)影響，因此二者之間的關(guān)系十分密切。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)資料能夠得知，汽車在運(yùn)行過(guò)程中，自身60%的燃料都會(huì)用在質(zhì)量方面。每當(dāng)汽車的整體質(zhì)量下降1kg，則在1L汽油的驅(qū)動(dòng)下，汽車的行駛距離能夠增加0.011km，同時(shí)二氧化碳的排量也會(huì)大幅度下。因此，當(dāng)汽車的質(zhì)量越低，其燃料的消耗自然也越低。此外，推進(jìn)汽車的輕量化發(fā)展，還能使其行駛能力有所提高，根據(jù)研究資料可以了解，每當(dāng)汽車的整體質(zhì)量下降25%，當(dāng)汽車從0加速到96.57km/h的時(shí)候，早期汽車需要耗費(fèi)10s，而當(dāng)前則會(huì)降低到6s。不僅如此，提升汽車的輕量化，還可以有效減少汽車自身的整體動(dòng)力，同時(shí)使其外部的系統(tǒng)負(fù)荷有所下降，確保汽車在較低牽引的基礎(chǔ)上，可以展現(xiàn)出更強(qiáng)的綜合性能。由此可以看出，推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展，對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作的開展有著非常大的意義。因此，汽車的輕量化發(fā)展是未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，也是一項(xiàng)重要的系統(tǒng)性工程[1]。

3 金屬材料在汽車輕量化中的具體應(yīng)用

一般而言，汽車的輕量化發(fā)展主要能夠在內(nèi)部設(shè)計(jì)、工藝水平以及材料使用方面有所體現(xiàn)。這其中，最為重要的便是材料的輕量化。而如果針對(duì)材料本身展開分類，則又能分成兩類，分別是低密度材料以及高密度材料。輕密度材料主要包括鋁、鎂、鈦合金材料、塑料以及復(fù)合材料，而高密度材料基本上都是高強(qiáng)度鋼。但需要注意的是，塑料很容易造成污染出現(xiàn)，所以在實(shí)際使用的時(shí)候，理應(yīng)進(jìn)行合理控制。當(dāng)前應(yīng)用率最高的材料主要是鋁、鎂以及鈦合金材料，通過(guò)綜合性使用，確保其演變成合金，不僅能夠達(dá)到輕量化的基本要求，同時(shí)汽車自身的安全性能也會(huì)大幅度提升。

3.1 鋁和鋁合金

對(duì)于金屬鋁來(lái)說(shuō)，自身密度相對(duì)偏低，基本上只有鐵的三分之一，并有著很強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，僅僅只比銅低。同時(shí)自身也有著很強(qiáng)的可塑性，非常適合材料加工。但需要注意的是，金屬鋁的強(qiáng)度相對(duì)偏低，因此并不適合制作一些結(jié)構(gòu)件。但由于整體性能非常強(qiáng)，可以制作成多種不同的合金，因此人們又將其稱作是鋁合金。這種金屬材料密度非常小，同時(shí)整體強(qiáng)度也很高，非常適合使用[2]。

在鋁合金之中，內(nèi)部金屬元素主要包括銅、鋅、錳、硅以及鎂等。這種材料的熔點(diǎn)偏低，同時(shí)又有著很強(qiáng)的流行性，所以可以完成一些較為復(fù)雜性質(zhì)的構(gòu)件，尤其是在制作殼體零件以及箱型零件方面，有著非常強(qiáng)的效果。而對(duì)其采取變形處理之后，可以制作成鋁合金輪轂。一般來(lái)說(shuō)，此類材料在車身、發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)系方面均有著非常高的應(yīng)用率。

從當(dāng)前情況來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件基本上已經(jīng)全部都采用了鋁合金，諸如機(jī)體、活塞以及油底殼等。通常而言，機(jī)體是應(yīng)用率最高的一類部件，自身有著諸多優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于散熱器的時(shí)候，可以促使其整體尺寸大幅度降低，促使發(fā)動(dòng)機(jī)變得更具輕量性特點(diǎn)。

在底盤位置之中，鋁合金同樣有著很高的應(yīng)用率，包括變速器殼體、轉(zhuǎn)向器殼體、轉(zhuǎn)向節(jié)、制動(dòng)鉗以及輪轂等。此外，部分汽車自身的踏板以及方向盤也都采用了這類材料。尤其是應(yīng)用在了輪轂之后，可以確保相關(guān)使用條件不受影響的基礎(chǔ)上，可以有效降低整體質(zhì)量，同時(shí)還能將原有的散熱性特點(diǎn)全部發(fā)揮出來(lái)，以防會(huì)有爆胎的問題出現(xiàn)[3]。

3.2 鎂和鎂合金

在現(xiàn)有的金屬材料之中，鎂是其中密度最小的材料，當(dāng)溫度只有20攝氏度時(shí)，僅僅只有1.74g/cm3，相比于鋁，基本上低了37%，而相比于鐵，則低了79%。目前來(lái)說(shuō)，這類材料主要在交通工具之中有所應(yīng)用。此外，由于自身可塑性廢氣，因此通過(guò)調(diào)整之后，可以制作成一些復(fù)雜的基本零件。

在當(dāng)前汽車之中，鎂和鎂合金最為常見的類型便是壓鑄件，基本上能夠分成兩類，分別是殼體類以及支架類。諸如前蓋、剎車架、方向盤以及轉(zhuǎn)向支架等，基本上都用的是這類材料。

鎂合金盡管性能極佳，但同樣有缺陷存在，主要是外部抗性非常差。為了能夠有效提升此類材料的使用案例，理應(yīng)從耐高溫以及抗疲勞兩個(gè)方面入手，使其綜合性能達(dá)到更高層次。

3.3 鈦和鈦合金

鈦和鈦合金的性能非常強(qiáng)，尤其是促進(jìn)汽車的環(huán)保性能方面，效果非常好。由于此類材料屬于新型材料，因此受到了人們廣泛的關(guān)注。鈦?zhàn)陨砻芏绕。恢碧幵阡X和鐵之間，尤其是韌性方面，非常強(qiáng)。因此在汽車零件之中進(jìn)行應(yīng)用，整體效果非常明顯，因此是一種有著較強(qiáng)應(yīng)用率的優(yōu)秀材料[4]。

鈦和鈦合金由于彈性模量相對(duì)偏低，因此在彈性元件的制作方面有著非常好的效果。如果和鋼材料彈簧展開對(duì)比，當(dāng)性能沒有太大改變的基礎(chǔ)上，可以有效降低整體高度，基本上可以達(dá)到65%，同時(shí)整體質(zhì)量也能縮小大約65%到75%。

3.4 高強(qiáng)度鋼

所謂高強(qiáng)度鋼，也就是指一些屈服強(qiáng)度超過(guò)1380MPa，同時(shí)抗拉強(qiáng)度超過(guò)1630MPa的合金鋼。由于自身有著較好的屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度，因此通常都會(huì)在車身的主體位置之中進(jìn)行應(yīng)用，以此能夠大幅度降低車身的整體質(zhì)量。

由于絕大多數(shù)汽車的車身都應(yīng)用的是鋼材，而如果調(diào)整成高強(qiáng)度鋼，則車板的厚度便會(huì)大幅度下降，同時(shí)整體質(zhì)量也不會(huì)特別高。通過(guò)和普通鋼板車展開對(duì)比，厚度大概可以減少1.0mm到2.0mm，而在質(zhì)量方面，基本上可以降低15%到22%。由此可以看出，在使用了高強(qiáng)度鋼之后，汽車的整體質(zhì)量會(huì)全面下降，油耗也會(huì)有所減少，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的基本要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，汽車是當(dāng)前人們使用率最高的交通工具。因此，在未來(lái)的汽車設(shè)計(jì)中，理應(yīng)對(duì)金屬材料進(jìn)行合理利用，以此降低汽車的總體質(zhì)量，減少油耗，從而確保其性能得到增強(qiáng)。同時(shí)還能減少污染，推動(dòng)整個(gè)汽車行業(yè)不斷發(fā)展。

基金項(xiàng)目：2019年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：201910236013。

2019年綏化學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：shxy201904。

參考文獻(xiàn)：

[1]李炎粉.淺析金屬材料在汽車輕量化生產(chǎn)中的運(yùn)用[J].裝備制造技術(shù)，2016（8）：134-135，共2頁(yè).

[2]汽車輕量化用金屬材料的現(xiàn)狀及展望[J].水利電力機(jī)械，2019（03）：38-40.

[3]祝明明，張慶帥，石旭.金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展[J].南方農(nóng)機(jī)，2017（5）.

[4]李家銳，張林，方靜，etal.汽車輕量化材料的應(yīng)用研究[J].化工管理，2019，512（05）：124-126.