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                  汽車工業的發展和低合金高強度鋼板的應用
                  發布者:不銹鋼管廠(www.athens66.com) 發布時間:2022/7/6 閱讀:42

                  自20世紀70年代中期以來,世界上主要工業化國家,汽車尤其是小汽車的生產迅速發展。以美國為例,1975年小汽車產量為898.7萬輛,汽車保有量為1.327億輛;到1985年,汽車產量上升到1165.4萬輛,其中轎車達818萬輛,汽車保有量達1.686億輛。1985年全世界汽車總產量達4503萬輛,保有量達4.71億輛。


                  2005年美國汽車產量達1202萬輛,全世界汽車總產量達6772萬輛,保有量達6.5億輛。2000年以后,中國汽車工業發展進入了快車道,每年都以兩位數的速率增長,2006年,中國汽車產量達728萬輛,產量已位于世界第三,銷量處世界第二,而2007年產量已超過880萬輛,如果加上農用車可超過1000萬輛,產、銷量穩居世界第二,而汽車保有量超過5000萬輛。預計到2020年,中國家庭轎車的保有量有望超過1億輛,汽車保有量將超過1.6億輛。按2003年的統計,中國每千人汽車的擁有量僅為15輛,美國已達850輛。汽車工業發展,產量的增加,汽車保有量的提高,產生三個主要問題。其一是能耗加大,2003年中國汽車燃油消耗已達6000萬噸,2005年已達1.3億噸,2010年可能會達到2.7億噸;降低燃油消耗已成各國的當務之急。二是環保和排放污染加重,燃油消耗增加,必然帶來排放污染增加。在通常情況下,按滿足歐II排放標準,汽車每消耗1噸燃油,將會排放二氧化碳 2000 kg,NO,44.09 kg,微粒1kg,汽車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20萬人/年,即百萬輛汽車死亡人數高達0.5萬人。為保證汽車工業健康發展,各國都制定了相應的法規。首先是如何減少汽車行車油耗,節約能源。能耗問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似的能源政策。美國的公司平均油耗法(CAFÉ)要求各汽車廠生產銷售的小汽車的平均油耗為: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).在汽車油價持續攀升的今天,這一法規更加嚴格。在美國,當某車型不能滿足CAFÉ規定時,該車型的生產廠家將受到高額罰款,該車的買主也將被征收汽油超標稅,汽油超標稅的起征點為9.52km/L(22.5mile/gal);這一指標將對整個汽車設計用材及其生產產生重大影響;日本也于1999年規定了車輛的油耗限值,該限值依據車輛的裝備質量不同,車輛驅動形式的不同,以及變速箱形式的不同而改變;盡管歐洲尚無燃油方面的規定,但CEE規定了燃油消耗量的測試方法,政府公布每種車型的實測燃油消耗,引導用戶的購車意向;中國也于2003年制定并實施了車輛燃料消耗量限值方面的法規。


                  汽車數量增多,車速增高,車禍增多。為保證人員和車輛安全,美國在1966年制定了聯邦汽車安全標準(Federal Motor Vehicle Safety Standard)[2].這個標準的內容在技術上逐年加嚴。此外,1970年,美國、日本與西歐各國共同制定了安全實驗車(Experimental Safety Vehicle)計劃,并進行了幾年的研究試制和國際交流,從而得出,保證安全的一個重要措施是汽車構造和構件要顯著增強。例如,美國規定汽車的前保險杠必須承受在8.05 km/h(5mile/h)車速下的撞擊無任何永久變形。近年來,安全法規逐年嚴格,基于有關單位的統計報告,在車輛碰撞事故中,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日起實施正撞法規,2006年7月1日起正式實施側碰法規。


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


                  降低汽車油耗雖然可以通過提高發動機效率、增加傳動效率、減少運行阻力等方法,但是根據汽車油耗和汽車重量成線性關系的試驗結果。,如果汽車自重降低10%,在其他條件不變的情況下,則可使汽車油耗降低8%,排放降低4%,可見,降低汽車自重是降低汽車油耗的簡單有效的方法。


                  汽車質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。如圖1-1所示,汽車在角度為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為汽車質量,p為空氣密度,Cw為風阻系數,A為汽車迎風截面積,vx為車速,g為重力加速度,ax為汽車加速度,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:汽車的運動阻力與汽車質量密切相關,通常當車型設計完成后,風阻便可固定,則車子的運行阻力(也即燃油消耗)與車子的自身質量呈線性關系。


                  從汽車制造、使用中耗能的統計結果來看假定一部小汽車“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,減少汽車自重從而降低使用中油耗的重要意義。因此,美國汽車的自重自1974年以來,已經迅速下降,例如:1977年轎車平均重量為1900 kg,1985年下降到1360kg.汽車自重的這種明顯的變化只有通過各種構件用材的變化才可能實現。


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


                  減輕汽車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,尤其和近年發展的先進高強度鋼相比,不只制造過程耗能多、工藝復雜,而且現階段的價格也較高。根據我國及美國有關部門進行的德爾菲(Delphi)預測,為了減少能源消耗,汽車工業用材近期仍以鋼為主,中期可能發展鋁合金,遠期才發展工程塑料和復合材料。這和Compoton.對美國汽車材料使用的預測是一致的。1970年Compoton指出,即使到1985年,汽車工業中鋼鐵的用量還會占70%以上,而且高強度鋼材的用量會有顯著增加。


                  2001年美國典型家庭轎車用材的構成: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,在國際鋼鐵協會組織的全世界34家鋼鐵公司和相關汽車行業的輕量化項目ULSABAVC白車身(BIW)的開發中,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。


                  在一部汽車中,鋼板的質量占車體材料的83%以上。因此,采用低合金高強度鋼板代替傳統的低碳鋼板,對減輕汽車自重、降低油耗、提高汽車構件強度、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,如何利用高強度鋼板已經成為影響80年代小汽車制造全局的關鍵技術問題!被谧罱鼛啄甑脑囼灲Y果和所進行的理論分析,高強度鋼板的應用及其在各類汽車零、部件中的應用總結于表1-1。


                  由表中關系方程可以看出: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.這個例子說明了采用高強度鋼的優越性。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、發動機支架、保險杠加強體、保險杠、門、發動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高強度鋼,還有利于提高乘用車白車身的彎曲剛度、扭轉剛度以及相應的振動頻率,從而有利于降低白車身的NVH性能。

                   

                   
                   

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