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[复合材料] 材料的竞争

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发表于 2016-3-27 18:14:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
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材料的竞争

材料的竞争

        图1 仿生学结构设计和铁碳合金材料使得铸铁始终是具有竞争力的金属材料

        轻结构设计的行驶机构不仅仅表现在主动式安全防护和驾驶舒适性方面,也表现在减轻整车重量方面。除了使用铝合金材料来实现轻结构设计以外,铁碳合金材料和仿生学结构设计也都成为轻结构设计的重要内容。
        原则上讲,行驶机构的设计趋势是采用轻型材料,如铝合金材料和新型的铁碳合金材料。GF Automotive公司研发中心材料研发部门负责人、资深专家Werner Menk博士表示:“尤其是在高档轿车领域中,由于铝合金材料的轻结构设计减轻了整车的重量,在提高驾驶舒适性方面也发挥着重要的作用。”另外,新型铁碳合金铸造材料的研发和仿生学技术的应用结构设计使得汽车行驶机构的重量明显地降低了。
        在保时捷Panamera轿车中,前桥调心轴承、轮架和后横拉杆等都是铝合金铸件。奥迪的模块化结构车型(奥迪A4至奥迪A8)中的梯形连杆式后悬架系统也是铝合金铸件。而今年,一家著名的OEM厂商在其大批量生产的新一代车型中使用了按照仿生学原理设计制造的车桥零部件,但这家汽车生产厂家不愿意透露更多的信息。
        10年前,OEM厂商降低1%油耗所需支付的费用只有15~20欧元,而现在降低同样的油耗需要支付50欧元。OEM厂商投资铝合金材料与实现的收益不成比例,所能实现的仅仅是所谓的“轻结构制造形象”,且在实现轻结构制造形象的同时却没有考虑整体的能源平衡和费用平衡,因此汽车制造业所面临的压力越来越大。
        在涉及到安全保护性能时,或者在成本费用和安装空间的要求非常苛刻时,汽车的零部件仍然要使用铸造的铁碳合金零部件。
       

材料的竞争

材料的竞争

        图2 ZF公司利用玻璃纤维增强材料的轻结构设计板簧设计制造的轿车后桥

        GF Automotive公司的专家们按照仿生学原理设计了行驶机构零部件。按照仿生学原理设计的、用铸铁材料制作的汽车行驶机构更加经济实惠,而且其重量几乎与铝合金材料行驶机构相同。因此,建议始终从模块化的角度出发考虑设计任务。因为功能的集成常常可以大幅度地提高铸件的强度,例如压入的轮毂轴承、集成的制动器体或者螺纹连接件的连接部。”
        一方面,在与铝合金材料的竞争中,铸铁零部件失去了一些市场份额;另一方面,它又通过仿生学技术的新型铸件赢得一些市场份额。通过对铸铁铸造技术的进一步开发,使得铸铁材料零部件能够提高强度,并有可能挤占铸钢件的市场。这样,也有可能利用仿生技术和材料选择、功能集成来替代铝合金和板材结构件。像球墨铸铁或者由GF开发的Sibodur球墨铸铁,其强度为400~700MPa,都是能够承受高强度负载的金属材料。因此,许多汽车零部件,如横拉杆、调心轴承座或者减振器体等很多都是利用这种新材料制作的。近年来,Sibotur铁碳合金铸件的市场有了较大幅度的提高,如大众公司PQ35平台后桥轮架、西特车型的调心轴承及宝马公司的轮架和纵向转向拉杆等。
        但当涉及到壁厚非常薄的大型零部件时,空心铸铝和钢板焊接结构件仍然有着非常大的优势。虽然它们承受不了铸铁结构件那样高的载荷,但其重量却可以更轻。
        在这样的使用环境中就有着强烈的竞争了,甚至是很小的一点点材料优化就能够导致改朝换代。例如,最早的横拉杆是钢质板材制造的,后来是铸铁,再后来又随着车型的更换重新用板材制造了。更轻的材料,例如镁合金和纤维增强的塑料材料,被Werner Menk博士视为“禁止使用”的材料。他认为,反对利用镁合金制造行驶机构的理由很多,例如,不能可靠地避免接触腐蚀,行驶机构的防腐蚀涂层可在砂石打击下很快地剥落下来;镁合金材料的六面体晶格有着很高的脆性,这是车辆行驶机构所不希望的;纤维增强塑料的缺点是断裂延伸率不高,在一定的时间阶段内很高的生产成本降不下来,而普通塑料的强度又不够高。
        ZF公司则看到了潜在的商机,研发生产了玻璃纤维增强塑料制造的、带有横板簧的轿车后桥。它不仅重量非常轻,而且韧性也非常好。作为主要优点,ZF公司认为,与传统的钢质后桥部件相比较,其重量减轻了30%,这一研发产品的生产制造过程也不应太复杂,与成本费用相当的同类零部件相比较有着类似的驾驶舒适性,能够在不久的将来大批量的生产。
        ZF公司认为,其他适合用玻璃纤维增强塑料制造的零部件是传统的弹簧减振器。ZF公司的工程师们利用玻璃纤维增强材料制造了麦杰逊悬架的弹簧减振器,这是一种集成有轮架的弹簧减振器,其重量只有传统弹簧减振器的一半,是一个由玻璃纤维增强塑料GFK(轮架)、高强度钢和铝合金材料(减振器体)组成的复合材料部件。
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