在2022年两会上,全国人大代表、万丰集团董事局主席陈爱莲准备了2个议案+8个建议,其中一项重要建议,是加快镁合金产业在汽车轻量化中应用。
#汽车轻量化的背景和趋势
目前,为促进节能减排,世界各国都推行了强制汽车制造商降低汽车油耗的政策,中汽信科的调研与预测结果显示,汽车行业预计在2028年实现碳达峰,2050年实现碳中和。“双碳目标”促使汽车轻量化成为了各大车企的一个重要突破口,在众多汽车轻量化的路径中,镁合金是最有前途的选项之一。根据有关研究,汽车所用燃料的60%是消耗于汽车自重,汽车自重每减轻10%,其燃油效率可提高5%以上,汽车自重每降低100KG,每百公里油耗可减少0.7L左右,每节约1L燃料可减少CO2排放2.5kg,年排放量减少30%以上。据统计,2020年北美地区每辆汽车使用镁合金6.8kg,日本为9.3kg,欧洲达到14kg,而国产汽车每辆用量平均不足3kg。
尽管镁合金在汽车轻量化方面有很大效果,但消费者对于镁合金的性能和科技进展缺乏深入了解,对轻量化的作用也存在认识不足;那么汽车的轻量化有什么样的意义呢?
国家发改委发布2017年第1号公告,正式发布《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》(2016版),高性能镁合金及变形镁合金等列入其中。镁是实用金属中最轻的金属,比重为1.738,是铁的1/4,铝的2/3。到目前为止,国外汽车上共有60多个零部件采用镁合金,其中方向盘骨架、转向管柱支架、仪表盘骨架、座椅框架、气门室罩盖、变速箱壳、进气歧管等7个部件镁合金的使用率最高。
在现有工程用金属中,镁的密度最小,是钢的1/5,锌的1/4,铝的2/3。普通铸造镁合金和铸造铝合金的刚度相同,因而其比强度明显高于铝合金。镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加,故而镁合金制造刚性好的性能对整体构件的设计十分有利。
镁合金在受外力作用时,易产生较大的变形。但当受冲击载荷时,吸收的能量是铝的1.5倍,因此,很适合应于受冲击的零件—车轮;镁合金有很高的阻尼容量,是避免由于振动、噪音而引起工人疲劳等场合的理想材料。
镁合金是良好的压铸材料,它具有很好的流动性和快速凝固率,能生产表面精细、棱角清晰的零件,并能防止过量收缩以保证尺寸公差。由于镁合金热容量低,与生产同样的铝合金铸件相比,其生产效率高40%~50%,且铸件尺寸稳定,精度高,表面光洁度好。2.4 镁合金具有优良的切削加工性
镁合金是所有常用金属中较容易加工的材料。加工时可采用较高的切削速度和廉价的切削刀具,工具消耗低。而且不需要磨削和抛光,用切削液就可以得到十分光洁的表面。
中国是镁资源大国,菱镁矿、白云石矿和盐湖镁资源等 优质炼镁原料在中国的储量十分丰富,为中国的原镁工业及“下游”产业的蓬勃发展和不断进步提供了物质保证。
#汽车轻量化的意义
“绿色环保”已成为时代主旋律,有研究表明,当汽车整车整备质量每减少100kg,百公里油耗可降低0.3L~0.6 L,CO2下降近1kg。为应对突出的能源问题和环境问题,当今世界各国汽车业正致力于汽车轻量化技术的研发。
根据牛顿第二定律F=ma可知,当发动机输出的力F一定的前提下,汽车的质量m越小,汽车获得的加速度a越大,动力性越好。资料显示,汽车质量每减少100kg,加速性能可提升8%~10%。因此,汽车轻量化也是现代汽车追求动力性的要求。
汽车轻量化还有利于提升汽车安全性能。汽车制动所消耗的能量与汽车质量成正相关,当汽车质量越小,以相同初速度进行制动时,质量较小的汽车所消耗的制动能量也越小;若汽车采用的制动器相同,则质量越轻的汽车,制动距离越短。研究表明,汽车质量每减轻100kg,制动距离可缩短2m~7m。可见,汽车轻量化有助于改善制动性能,提高汽车主动安全性能。
随着计算机辅助设计技术的发展,汽车工业迎来了新的发展契机。将CAD、CAE等先进的结构优化和设计方法应用于汽车轻量化设计,可以降低成本、缩短设计周期,又可通过对汽车车身、车上零部件模拟仿真计算,使得各零部件的结构在满足使用要求的同时,更轻、更薄、更紧凑。
同时,设计理念要更新,在保证汽车产品刚度强度的同时,可采用中空设计来减轻质量。比如对发动机曲轴进行设计时,在其主轴颈与连杆轴颈位置可采用空心结构设计、优化平衡重的数量、曲柄形状等方式达到轻量化设计的目的。此外,可对车上部件进行模块化设计,形成车辆集成技术。例如在增压发动机中,可对发动机缸盖和排气歧管进行集成,不仅可以对排气歧管进行冷却,同时可以减小排气管法兰等联结零件的尺寸,从而减小整机尺寸和质量。据数据显示,采用此设计方法,一台排量为2L的增压发动机可减小质量2kg~3kg。
汽车轻量化不仅要求对汽车产品现有结构进行改进,对汽车材料也提出了一定的要求。根据汽车轻量化技术路线图可知,汽车产业将从三个阶段逐步实现轻量化制造,2020年汽车整车质量较之2015年减重10%;到2025年减重20%;到2030年减重35%。根据规划要求,现阶段发展应以高强度钢和先进高强度钢技术为主,如在发动机曲轴制造时,可采用高强度球墨铸铁代替锻钢材料,使曲轴变轻;2021年-2025年将开发以钢铝合金为主线的轻型材料,同时加大对铝合金技术、镁合金技术、工程塑料技术、碳纤维复合材料技术的研发;2026年-2030年重点发展镁合金、工程塑料、碳纤维技术在汽车上的应用及其循环利用。在今后的一段时间内,研发高强度、轻质材料是汽车轻量化研究领域的一个重要方向。伴随着轻量化材料的研发,相应的制造工艺也需要进一步升级。如何突破复杂零部件成型技术、异种零件之间连接技术,以及形成先进的产品测试评价体系等技术难点成为迫在眉睫的重中之重。
汽车轻量化不仅可以提升燃油经济性,减少排放,还可改善汽车整车的综合性能。汽车轻量化势在必行,这也将进一步促进汽车工业领域的变革。当前一些新兴技术在汽车设计制造中的应用还不够成熟,无论是轻量化结构的设计、轻量化材料的研发,还是先进制造工艺的改进和升级,都将成为今后汽车轻量化设计制造领域的重要研究方向。