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汽车工业的发展和低合金高强度钢板的应用
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2022/7/6 阅读:92

自20世纪70年代中期以来,世界上主要工业化国家,汽车尤其是小汽车的生产迅速发展。以美国为例,1975年小汽车产量为898.7万辆,汽车保有量为1.327亿辆;到1985年,汽车产量上升到1165.4万辆,其中轿车达818万辆,汽车保有量达1.686亿辆。1985年全世界汽车总产量达4503万辆,保有量达4.71亿辆。


2005年美国汽车产量达1202万辆,全世界汽车总产量达6772万辆,保有量达6.5亿辆。2000年以后,中国汽车工业发展进入了快车道,每年都以两位数的速率增长,2006年,中国汽车产量达728万辆,产量已位于世界第三,销量处世界第二,而2007年产量已超过880万辆,如果加上农用车可超过1000万辆,产、销量稳居世界第二,而汽车保有量超过5000万辆。预计到2020年,中国家庭轿车的保有量有望超过1亿辆,汽车保有量将超过1.6亿辆。按2003年的统计,中国每千人汽车的拥有量仅为15辆,美国已达850辆。汽车工业发展,产量的增加,汽车保有量的提高,产生三个主要问题。其一是能耗加大,2003年中国汽车燃油消耗已达6000万吨,2005年已达1.3亿吨,2010年可能会达到2.7亿吨;降低燃油消耗已成各国的当务之急。二是环保和排放污染加重,燃油消耗增加,必然带来排放污染增加。在通常情况下,按满足欧II排放标准,汽车每消耗1吨燃油,将会排放二氧化碳 2000 kg,NO,44.09 kg,微粒1kg,汽车排放污染也是惊人的。三是安全交通事故增加,中国每年因交通事故而造成的伤亡人数高达20万人/年,即百万辆汽车死亡人数高达0.5万人。为保证汽车工业健康发展,各国都制定了相应的法规。首先是如何减少汽车行车油耗,节约能源。能耗问题首次变得尖锐源于20世纪70年代初的石油危机,石油供应短缺和价格猛涨,迫使一些国家采取相应对策。70年代末,美国和日本相继制定了内容类似的能源政策。美国的公司平均油耗法(CAFÉ)要求各汽车厂生产销售的小汽车的平均油耗为:1978年为7.61 km/L(18mile/gal),1980年为8.46 km/L(20mile/gal),1985 年为11.67 km/L(27. 6mile/gal).在汽车油价持续攀升的今天,这一法规更加严格。在美国,当某车型不能满足CAFÉ规定时,该车型的生产厂家将受到高额罚款,该车的买主也将被征收汽油超标税,汽油超标税的起征点为9.52km/L(22.5mile/gal);这一指标将对整个汽车设计用材及其生产产生重大影响;日本也于1999年规定了车辆的油耗限值,该限值依据车辆的装备质量不同,车辆驱动形式的不同,以及变速箱形式的不同而改变;尽管欧洲尚无燃油方面的规定,但CEE规定了燃油消耗量的测试方法,政府公布每种车型的实测燃油消耗,引导用户的购车意向;中国也于2003年制定并实施了车辆燃料消耗量限值方面的法规。


汽车数量增多,车速增高,车祸增多。为保证人员和车辆安全,美国在1966年制定了联邦汽车安全标准(Federal Motor Vehicle Safety Standard)[2].这个标准的内容在技术上逐年加严。此外,1970年,美国、日本与西欧各国共同制定了安全实验车(Experimental Safety Vehicle)计划,并进行了几年的研究试制和国际交流,从而得出,保证安全的一个重要措施是汽车构造和构件要显著增强。例如,美国规定汽车的前保险杠必须承受在8.05 km/h(5mile/h)车速下的撞击无任何永久变形。近年来,安全法规逐年严格,基于有关单位的统计报告,在车辆碰撞事故中,正面碰撞占49%,侧面碰撞占25%,追尾(即后碰)占22%.虽然侧碰比例较少,但人员伤害最严重。欧美除制定了正碰法规FMVSS208 和ECE R94外,还制定了侧面碰撞法规 FMVSS214 和ECE R95,我国2004年6月1日起实施正撞法规,2006年7月1日起正式实施侧碰法规。


为降低排放,欧美均先后制定了相关的排放法规。欧洲1993年开始实施欧I排放标准,1997年实施欧II,2000年实施欧II,2004年实施欧IV;美国于1993年制定了类同欧I的排放标准,同时提出了过渡低排放汽车(TLEV)、低排放汽车(LEV)和超低排放汽车(ULEV)排放标准,对汽车排放提出了更高的要求;我国目前已全面实施欧II排放标准,2006年7月1日起,部分城市实施欧I排放标准。


降低汽车油耗虽然可以通过提高发动机效率、增加传动效率、减少运行阻力等方法,但是根据汽车油耗和汽车重量成线性关系的试验结果。,如果汽车自重降低10%,在其他条件不变的情况下,则可使汽车油耗降低8%,排放降低4%,可见,降低汽车自重是降低汽车油耗的简单有效的方法。


汽车质量对燃油消耗的影响可从以下分析中更一目了然地体现出来。如图1-1所示,汽车在角度为α的坡面行驶,其行驶阻力Fwi可由方程1-1表示。


以上各式中,m为汽车质量,p为空气密度,Cw为风阻系数,A为汽车迎风截面积,vx为车速,g为重力加速度,ax为汽车加速度,KR为上坡阻力系数,Km为加速度阻力系数,将方程1-2~1-5代人方程1-1,可得:


方程1-6表明:汽车的运动阻力与汽车质量密切相关,通常当车型设计完成后,风阻便可固定,则车子的运行阻力(也即燃油消耗)与车子的自身质量呈线性关系。


从汽车制造、使用中耗能的统计结果来看假定一部小汽车“一生”所耗能量为12.56×108kJ(3×108kcal),则行驶占82%,制造材料占10%,加工工艺占5%,轮胎占2%,润滑油占1%.可以看出,减少汽车自重从而降低使用中油耗的重要意义。因此,美国汽车的自重自1974年以来,已经迅速下降,例如:1977年轿车平均重量为1900 kg,1985年下降到1360kg.汽车自重的这种明显的变化只有通过各种构件用材的变化才可能实现。


有趣的是,降低燃油消耗和排放,要求汽车轻量化,降低自重;而近年来,由于汽车功能提升,安全性增加,舒适性改善,增加了许多安全件、自动化附件和相关的舒适性附件,这些又使汽车自重有增加的趋势。但是,如果不是轻量化材料和技术的应用,汽车自重的增加量将会更大,汽车自重变化的趋垫见图1-2。


减轻汽车自重可以采用密度低的铝合金、塑料以及纤维增强复合材料。但这为些材料与低合金高强度钢相比,尤其和近年发展的先进高强度钢相比,不只制造过程耗能多、工艺复杂,而且现阶段的价格也较高。根据我国及美国有关部门进行的德尔菲(Delphi)预测,为了减少能源消耗,汽车工业用材近期仍以钢为主,中期可能发展铝合金,远期才发展工程塑料和复合材料。这和Compoton.对美国汽车材料使用的预测是一致的。1970年Compoton指出,即使到1985年,汽车工业中钢铁的用量还会占70%以上,而且高强度钢材的用量会有显著增加。


2001年美国典型家庭轿车用材的构成:钢54%,铸铁10%,铝合金8%,橡胶和玻璃7%,镁合金0.3%,其他12.7%,而高强度钢的用量迅速增加,在国际钢铁协会组织的全世界34家钢铁公司和相关汽车行业的轻量化项目ULSABAVC白车身(BIW)的开发中,高强度钢用量已达90%以上,这些数据和上述的预测趋势相一致。


在一部汽车中,钢板的质量占车体材料的83%以上。因此,采用低合金高强度钢板代替传统的低碳钢板,对减轻汽车自重、降低油耗、提高汽车构件强度、保证安全行驶都具有重要的意义。正如Nitto等人在1981年所指出的:“现在可以毫不夸张地说,如何利用高强度钢板已经成为影响80年代小汽车制造全局的关键技术问题。”基于最近几年的试验结果和所进行的理论分析,高强度钢板的应用及其在各类汽车零、部件中的应用总结于表1-1。


由表中关系方程可以看出:除疲劳强度外,其他各性能均正比于板材厚度和相应的材料性能(抗拉强度、流变应力和弹性模量)。如果材料强度提高,在所要求的性能不变或略有提高的前提下,则板材构件厚度可以减薄,因而可以降低构件重量。以承受大变形的保险杠加强体为例,该零件在使用中承受大的撞击载荷,希望具有较高的压溃强度。厚度、强度和压溃强度之间的关系方程为P.cct(σb)”,n=1/2如以厚度t=5mm的普通碳钢制造,设低碳钢的σb=280 MPa,则P,=84K(K为常数);如采用强度σb=430 MPa的SAE950X制造,P.保持不变,则厚度可减为4mm或重量可降低20%;如采用σb=600 MPa的SAE980X制造,P,不变,则厚度可减至3.4mm,重量可减少30%;如仍用SAE980X制造,但重量只降低20%,则P.可提高到98K.这个例子说明了采用高强度钢的优越性。这和文献中所列的采用屈服强度为350 MPa的HSLA钢代替低碳钢可分别使前梁、发动机支架、保险杠加强体、保险杠、门、发动机内外盖板等构件板厚减少15%~25%的计算结果是一致的。因此,采用高强度钢板制造车身构件,可以减少板材厚度,降低构件重量,从而节约行驶油耗,并保证安全运输。


文献指出:采用高强度钢和先进高强度钢,还有利于提高乘用车白车身的弯曲刚度、扭转刚度以及相应的振动频率,从而有利于降低白车身的NVH性能。

 

 
 

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