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    鋼鐵的輕量化潛力有哪些?

    作者:董敬松 時(shí)間:2023-08-09閱讀數:人閱讀

    鋼鐵在混合動(dòng)力汽車(chē)和重型卡車(chē)中的輕量化潛力:輕型鍛造計劃的使用

    鋼鐵在混合動(dòng)力汽車(chē)和重型卡車(chē)中的輕量化潛力輕型鍛造計劃的使用

    如果以具體的,具有代表性的車(chē)輛為基礎進(jìn)行論證,則更容易談?wù)摽尚械妮p量化設計潛力。“輕型鍛造計劃”研究項目表明,在混合動(dòng)力汽車(chē)和重型卡車(chē)的子系統中存在輕型設計的潛力。其中驅動(dòng)軸、減震器、輪架和連桿的重量減輕了23%至35%。

    鍛造和輕量化
    當人們想到鍛造時(shí),輕量化并不是一個(gè)立刻浮現在腦海中的詞。然而,鍛造技術(shù)被證明是一種經(jīng)濟有效的方法,可以在汽車(chē)應用中實(shí)現輕量化的設計進(jìn)步,從而適合大批量生產(chǎn)。通過(guò)利用鍛造技術(shù)提供的潛力。在當前的“輕型鍛造計劃”研究項目中展示了在雙橋(splitaxle,分段式驅動(dòng)橋)混合動(dòng)力汽車(chē)(HybridElectric Vehicle,HEV)和重型卡車(chē)子系統中輕量化設計的潛力。
    項目和評估車(chē)輛
    (圖1顯示了項目詳細信息和技術(shù)車(chē)輛數據:研究項目共提出了733個(gè)混合動(dòng)力汽車(chē)輕量化設計構思和251個(gè)卡車(chē)輕量化構思。)

    鋼鐵的輕量化潛力有哪些?(圖1)

    圖1
    輕量化設計潛力概述
    混合動(dòng)力汽車(chē):作為研究的一部分,考慮了混合動(dòng)力汽車(chē)中總重量為816千克的零部件–大約相當于參考汽車(chē)的51%。分析了來(lái)自混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力總成、底盤(pán)和電子設備的3600多個(gè)comCOVER組件,總共開(kāi)發(fā)了733種輕量化設計思想。然后根據輕量級設計潛力、制造工作和市場(chǎng)實(shí)施工作的標準對這些想法進(jìn)行權衡和分類(lèi)。這樣就可以根據輕量化設計的成本效益比來(lái)評估相關(guān)的設計想法,如圖2所示。

    總的來(lái)說(shuō),該研究確定了混合動(dòng)力汽車(chē)93千克的輕量化設計潛力,這相當于所分析部件質(zhì)量的大約11%。然后,根據潛在的重量節省和實(shí)施努力,這些想法可以被分類(lèi)為速效方案、平衡和較難實(shí)施的三類(lèi),具體取決于潛在的重量減輕和實(shí)施工作。
    鋼鐵的輕量化潛力有哪些?(圖2)
    圖2
    商用車(chē):對于商用車(chē)動(dòng)力總成而言,在設計基準測試期間共分析了460個(gè)組件,總重量為909kg。在該總重量中,290千克來(lái)自傳動(dòng)裝置,而619千克來(lái)自傳動(dòng)軸和后軸?;诩夹g(shù)可能性,開(kāi)發(fā)了250多個(gè)輕型設計思想。最終的輕量化設計潛力總計達到124千克,大約是所分析組件質(zhì)量的14%。這些想法可以歸類(lèi)為通過(guò)材料、設計或生產(chǎn)概念實(shí)現的輕量化設計。但是,這些概念并不是完全獨立的,有時(shí)它們是相互依賴(lài)的
    鋼鐵的輕量化潛力有哪些?(圖3)
    圖3
    采用材料創(chuàng )新的輕量化設計
    現代的高強度鋼可以為減輕單個(gè)零件的重量,從而減輕車(chē)輛的總重量做出重要且具有成本效益的貢獻。倡議的鋼鐵制造商和鍛造公司提議使用大約20種不同的高強度鋼,以實(shí)現輕量化,更精簡(jiǎn)的零部件設計。這些鋼具有廣泛的成分,金相組織和性能范圍。建議的一些沉淀硬化鐵素體-珠光體(彌散硬化鋼,DHS)和調質(zhì)(Q+ T)高強度鋼,以及在鍛件冷卻后具有貝氏體組織的鋼在圖4的材料譜中顯示了這些材料的鍛造溫度、以及它們的強度延展性。
    鋼鐵的輕量化潛力有哪些?(圖4)
    圖4
    Saarstahl,Sidenor和Georgsmarien-hütte建議連桿,曲軸和輪架使用高強度彌散硬化鋼,例如38MnVS6和46MnVS6,它們通過(guò)鍛造熱的冷卻控制而達到機械性能,而無(wú)需額外的熱處理工藝。在某些情況下,這種彌散硬化鋼的強度可能會(huì )超過(guò)傳統的調質(zhì)鋼的強度,例如42CrMo4。
    鋼鐵的輕量化潛力有哪些?(圖5)
    圖5
    高強度貝氏體鋼有時(shí)會(huì )通過(guò)鍛造熱的受控冷卻獲得更高的強度,同時(shí)改善延展性。圖4顯示了幾種貝氏體鋼。在圖5提出了幾種用于具體應用的貝氏體。圖5中的百分比表示與輕量化設計方案相比,系列零件的重量增加了多少。

    鐵姆肯鋼公司(TimkenSteel)展示了具有較高強度的沖擊性能(夏比能量值)的鋼。在如此高的強度下,鋼的清潔度起著(zhù)至關(guān)重要的作用。鐵姆肯鋼鐵公司表示,因此在生產(chǎn)過(guò)程中使用了其“超潔凈鈾”技術(shù)。

    彈簧鋼可實(shí)現最高的抗拉強度,例如55Cr3,Saarstahl建議的熱機械軋制54SiCrV6、60SiCrV7或ArcelorMittal展示的SolamM2050 S-Cor,強度可達2050MPa。這種鋼可以減輕諸如橫桿或彈簧之類(lèi)的車(chē)輛部件的重量。

    通過(guò)使用高強度鋼實(shí)現的重量減輕不僅在鍛件的情況下是可能的。使用可以承受更高載荷的鍛鋼也可以替代鑄件。因此,德國DeutscheEdelstahlwerke建議使用不銹鋼,耐磨、高碳濃縮和氮合金鋼來(lái)代替重35.5千克的鑄造卡車(chē)制動(dòng)盤(pán)。在此應用中,Sidenor在使用耐磨的錳合金鋼1.3401(X120Mn12)時(shí)發(fā)現了輕量化的設計潛力。

    在圖5(左上方)中,介紹了在分析的混合動(dòng)力SUV中應用的差速器輸入軸的輕量化設計潛力。該空心軸目前由一種稱(chēng)為SCr420H的CrMn滲碳鋼制成,重量為1182g。作為此類(lèi)CrMn滲碳鋼的高強度替代品,Georgsmarienhütte與Hirschvogel合作開(kāi)發(fā)了一種微合金化貝氏體鋼,稱(chēng)為16MnCrV7-7(1.8195)。該鋼還可以進(jìn)行表面硬化處理,并在高達1050°C的滲碳溫度下保持穩定的細晶粒結構。其特征還在于更高的淬透性值。這種用于差速器輸入軸的高強度鋼可實(shí)現優(yōu)化的薄壁設計,從而有望減輕307g的重量。

    在該計劃中進(jìn)行的分析還表明,對于管件(例如在減震器中組裝的管件),可以實(shí)現可觀(guān)的重量減輕。因此,本特勒建議用屈服強度為500-600兆帕的高強度鐵素體-貝氏體多相鋼FB590替換屈服強度至少為235MPa的E235+ CR鋼制成的管件。這樣,外管的壁厚可以從2.8毫米減小到2.0毫米,從而實(shí)現250g的相應輕量化減重(圖5左下)。

    安賽樂(lè )米塔爾(ArcelorMittal)建議使用鐵素體-珍珠巖鋼或其貝氏體鋼SolamB1100作為鑄造材料的輕質(zhì)替代品,例如用于轉向節。通過(guò)在零件上進(jìn)行的有限元模擬,可以估算出所減輕的重量。通過(guò)使用貝氏體鍛鋼,可以實(shí)現4100克重量的鑄件替換原先的5060克鑄件——只需通過(guò)鍛造熱控制冷卻,而無(wú)需進(jìn)行昂貴的熱處理工藝。

    鋼鐵制造商Sidenor建議使用其Micro1100鋼(44MnSiVS6)來(lái)減輕圖5(右上方)所示轉向節的重量。通過(guò)直接從鍛造熱中冷卻鋼,生成了鐵素體-珠光體晶粒組織,其抗張強度為1100MPa。Sidenor認為這種輕量化設計潛力約為20%。
    連桿的輕型設計建議由ArcelorMittal,DeutscheEdelstahlwerke,Georgsmarienhütte,NipponSteel,Nis-san,Saarstahl,SchmiedetechnikPletten-berg,Schuler和TimkenSteel提出。根據Mahle[5]的分析,通過(guò)使用用于鍛造連桿的高強度鋼36/46MnVS6Mod,鐵姆肯鋼公司估算出了高達35%的輕量化設計潛力,右圖5。僅考慮同心軸時(shí),Georgsmarienhütte和SchmiedetechnikPlettenberg預測,使用高強度彌散硬化鋼46MnVS5或貝氏體鋼16MnCrV7-7將產(chǎn)生10%至15%的輕量化設計潛力。

    傳動(dòng)系統中的輕量化設計:材料是關(guān)鍵因素
    通過(guò)改變承重值,可以評估材料優(yōu)化對變速器輕量化設計潛力的有效性。圖6顯示了后軸變速箱的計算。依次列出了各種材料的輸入值,并且鐵姆肯鋼公司使用超潔凈滲碳鋼似乎可以增加20%。相應地,計算出可能的重量減輕和減少的裝配空間。通過(guò)這種方式,通過(guò)增加承載能力(最好相互結合)來(lái)開(kāi)發(fā)輕量化設計儲備。因此,為了在變速器的輕量化設計上取得進(jìn)展,鋼材是絕對值得研究改進(jìn)的。
    鋼鐵的輕量化潛力有哪些?(圖6)
    圖6
    結論
    鋼鐵是汽車(chē)工業(yè)中最重要,也是最先進(jìn)的材料。盡管如此,可以看出,對鋼材的性能和成本效率(例如通過(guò)鍛造熱的受控冷卻)有進(jìn)一步提高的需要。此處概述的示例以令人印象深刻的方式證明了這一點(diǎn)。并且,使流程鏈的所有合作伙伴(從鋼鐵廠(chǎng)和鍛造公司到成品組件的制造商)參與聯(lián)合開(kāi)發(fā)過(guò)程中的優(yōu)化變得越來(lái)越重要。 
    (文章來(lái)源:汽車(chē)材料網(wǎng)

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