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無聲的戰(zhàn)爭 汽車材料選擇之鋁合金和鋼

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  “用鋁、還是用鋼?”這個(gè)問題始終困擾著汽車工程師。鋁合金一度威脅到汽車工業(yè)內(nèi)鋼鐵在過去所扮演的領(lǐng)導(dǎo)地位,如果以鋁和制造鋼的原料鐵來相比,不但重量減輕了一半,抗腐蝕性也更優(yōu)于鋼,但是鋁的價(jià)格也相對昂貴,且在制造和維修上都很困難。因此近年隨著超輕型高強(qiáng)度鋼板的問世,也使得鋁合金的優(yōu)勢部分喪失。相對于鋁合金,不少汽車制造商更加傾向于選擇高強(qiáng)度碳鋼來替代普通鋼材,不過鋁和鋼之間的戰(zhàn)爭,可不會(huì)就這么輕易結(jié)束。

● 車用鋁合金零件比重顯著增加

  雖然消費(fèi)者對于車輛安全性的要求越來越高,然而整個(gè)社會(huì)對于環(huán)保節(jié)能的呼聲也相對提高,因此也使得汽車制造商們不得不尋求更堅(jiān)固、更輕薄的造車原料,而鋁與鋼之間的戰(zhàn)爭也正由此展開。

  要制造一輛普通中型汽車必須耗去725公斤的鋼和鑄鐵,還要再加上350公斤的沖壓鋼板。相比之下,鋁合金在一款歐洲汽車內(nèi)的所占重量,則是從1990年的50增加到2005年的131.5公斤(多數(shù)仍用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部件與氣缸缸體),而且預(yù)計(jì)到了2010年還會(huì)再增加25公斤。跟制造鋼原料的鐵相比,鋁的重量不僅減輕了一半,其抗腐蝕能力也更優(yōu)于鋼,種種特質(zhì)也使得鋁更加受到汽車工程師們的青睞。

『 奧迪A8的全鋁車身結(jié)構(gòu) 』

  在今天的汽車歷史中,已經(jīng)出現(xiàn)過不少使用全鋁合金打造車身的市售車,包括本田的超級跑車NSX以及奧迪為了彰顯技術(shù)實(shí)力而推出的小型車A2,而目前在市面上仍在銷售的車型則有奧迪 A8、R8和捷豹XJ是采用全鋁合金車身。其中捷豹 XK更是將鋁合金技術(shù)與輕量化優(yōu)勢發(fā)揮到極致,不僅車身零件結(jié)合總數(shù)從5,189個(gè)降至2,761個(gè),車身剛性更一舉提高了48%,同時(shí)還大幅瘦身達(dá)到90kg的效果(從1685kg減重至1,595kg)!

捷豹XK采用鋁合金技術(shù),大大降低了車身重量,提升了操控性能 』

  全新XK車系的功率輸出僅比起舊款車型小幅增加6hp,達(dá)到300hp的最大功率,但是在瘦身有成之后的重量/功率比,再加上懸吊系統(tǒng)的改良,換來的卻是平易近人、更加靈巧的操控與駕馭感受。目前捷豹車廠的銷售量12萬570輛與15年前被福特收購前相比,呈現(xiàn)倍數(shù)成長。

● 高強(qiáng)度鋼材迎戰(zhàn)鋁合金

  鋁合金的異軍突起讓車用鋼鐵供貨商們倍感壓力,因此他們也決定統(tǒng)一采取行動(dòng)以對抗鋁的威脅。早在1995年,便已有32家跨國鋼鐵生產(chǎn)廠商聯(lián)合提出了“超輕碳鋼車身”的概念,這種采用高強(qiáng)度鋼材所制造的車身實(shí)現(xiàn)了更薄和更輕的結(jié)構(gòu),能使車身重量減輕達(dá)25%!輕薄化的車身確實(shí)提高了高強(qiáng)度鋼材的銷售數(shù)字,同時(shí)鋼鐵廠還對外宣稱,這種材料還有另一大好處,也就是讓汽車在EuroNCAP碰撞測試中得到更高的分?jǐn)?shù)!

  歐洲新車評測系統(tǒng)(European New Car Assessment Program)中的碰撞測試,目前已經(jīng)發(fā)展成為是歐洲新車量產(chǎn)前的必要程序,也早已成為消費(fèi)者在購車時(shí)重要的一項(xiàng)參考依據(jù),當(dāng)今一款新車要想獲得“不差”的安全聲譽(yù),得要在碰撞測試中得到4至5顆星的評分。

  根據(jù)沃爾沃安全中心工程師Marten Levenstam介紹,鋼材質(zhì)量的提高使得汽車業(yè)者能夠制造出更具安全性的車身結(jié)構(gòu),并且還不增加車身重量。“您能用普通鋼材構(gòu)成撞擊力道吸收區(qū),用高強(qiáng)度鋼構(gòu)成超級安全的乘坐區(qū)!”Marten Levenstam說,經(jīng)得起強(qiáng)力撞擊的車型,才能得到NCAP更優(yōu)異的評分,所以這對于汽車制造商們來說顯然頗具吸引力。

  由于歐盟修改了汽車廢氣排放中的二氧化碳含量標(biāo)準(zhǔn),將其限制在每公里130克,使得汽車設(shè)計(jì)師們的注意力也隨之轉(zhuǎn)移到能減輕車身重量的鋼合金上。普通鋼板的厚度通常為0.7到0.75mm,而今日的超強(qiáng)度鋼板厚度則僅有0.65mm甚至更薄,新款歐寶賽飛利的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鋼板便只有0.6mm厚!

  鋼鐵生產(chǎn)廠商Arcelor-Mittal、Robert Bosch GmbH與咨詢公司Arthur D. Little的分析結(jié)果得出了一個(gè)發(fā)人深省的結(jié)論:僅僅減輕車身重量就能節(jié)省約5%的燃油,并且通過這樣的方式來提高油耗表現(xiàn),只需在每輛車上增加212歐元(約為2200人民幣)的成本以購買高強(qiáng)度鋼材。現(xiàn)有的省油科技包括可變氣門與進(jìn)氣岐管、渦輪增壓和汽缸間歇功能等,卻絕對無法達(dá)到5%的節(jié)油效果,而且降低車身重量,還可有效減輕剎車系統(tǒng)的負(fù)荷并提高發(fā)動(dòng)機(jī)效能。

● 鋁合金的技術(shù)瓶頸

  鋼鐵生產(chǎn)廠商Arcelor-Mittal認(rèn)為,采用高張力鋼板來減輕車身重量是比較經(jīng)濟(jì)的選擇,他們也預(yù)料隨著高張力鋼板達(dá)到更高的經(jīng)濟(jì)規(guī)模,市售車的重量亦能夠進(jìn)一步減輕。盡管鋁合金生產(chǎn)廠商無法反駁這一點(diǎn),但是他們卻用另一種觀點(diǎn)對其提出質(zhì)疑:如果想要降低二氧化碳的排放量,考慮到汽車的生命周期和資源回收性(鋁的回收比例高于鋼鐵),鋁顯然優(yōu)于鋼!

寶馬5系的車身結(jié)構(gòu),鋼制車身和鋁制車首』

  除了奧迪和捷豹之外,對于推出“全鋁合金車款”有興趣的車廠至今仍寥寥無幾。寶馬制造了鋁鋼材料混用的車身結(jié)構(gòu),但是首要原因卻是基于平衡車身前后配重以提升操控性。寶馬5系即是鋼制車身和鋁制車首(主要在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋)的結(jié)合體實(shí)例,而X5僅在車身前半部用上了少數(shù)鋁合金零件,其整體結(jié)構(gòu)仍為鋼制。

  不過僅僅是這種混合結(jié)構(gòu),就已經(jīng)使得制造成本增加了25%,而這還不是讓車廠頭痛的唯一原因,因?yàn)殇X在受熱后體積大幅膨脹的金屬特性,更使得鋁制車用零件的制造難度大大增加,在焊接車身時(shí)必須使用特制夾鉗,并采用特殊工藝才能將鋁制零件固定在特定位置。包括通用汽車在內(nèi)的國際性大車廠仍無法將鋁合金廣泛應(yīng)用在旗下各車型上,主要原因就是考慮到處理鋁制零件的特殊設(shè)備無法在遍布全球的組裝廠與維修點(diǎn)廣泛普及。

  由于鋁金屬價(jià)格昂貴,且在制造和維修上都很困難,因此汽車制造商更傾向于選擇高強(qiáng)度碳鋼來替代普通鋼材。在1995年當(dāng)時(shí),幾乎所有車廠都只會(huì)使用普通鋼材造車,不過如今,每輛車平均已含有26%的高強(qiáng)度碳鋼和6%更高等級的鋼鐵合金。根據(jù)Arcelor-Mittal市場研究部門主管Patrick Pichant的預(yù)測,高速鋼(High-Speed Steel/高強(qiáng)度鋼鐵合金材料之一)的應(yīng)用將會(huì)在5年內(nèi)由現(xiàn)在的6%增加到12%,而由于歐盟對于二氧化碳排放量的嚴(yán)格限制導(dǎo)致車廠迫切需要減輕車身重量,高速鋼也很可能會(huì)因而得到更廣泛的應(yīng)用。

  一個(gè)是源自于航空工業(yè)的輕量化材質(zhì)(鋁合金),一個(gè)是現(xiàn)有材料的技術(shù)升級(高強(qiáng)度鋼材),看來鋁和鋼之間的戰(zhàn)爭在短期之內(nèi)仍不會(huì)結(jié)束。

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