自20世紀(jì)70年代中期以來,世界上主要工業(yè)化國家,汽車尤其是小汽車的生產(chǎn)迅速發(fā)展。以美國為例,1975年小汽車產(chǎn)量為898.7萬輛,汽車保有量為1.327億輛;到1985年,汽車產(chǎn)量上升到1165.4萬輛,其中轎車達(dá)818萬輛,汽車保有量達(dá)1.686億輛。1985年全世界汽車總產(chǎn)量達(dá)4503萬輛,保有量達(dá)4.71億輛。


  2005年美國汽車產(chǎn)量達(dá)1202萬輛,全世界汽車總產(chǎn)量達(dá)6772萬輛,保有量達(dá)6.5億輛。2000年以后,中國汽車工業(yè)發(fā)展進(jìn)入了快車道,每年都以兩位數(shù)的速率增長,2006年,中國汽車產(chǎn)量達(dá)728萬輛,產(chǎn)量已位于世界第三,銷量處世界第二,而2007年產(chǎn)量已超過880萬輛,如果加上農(nóng)用車可超過1000萬輛,產(chǎn)、銷量穩(wěn)居世界第二,而汽車保有量超過5000萬輛。預(yù)計(jì)到2020年,中國家庭轎車的保有量有望超過1億輛,汽車保有量將超過1.6億輛。按2003年的統(tǒng)計(jì),中國每千人汽車的擁有量僅為15輛,美國已達(dá)850輛。汽車工業(yè)發(fā)展,產(chǎn)量的增加,汽車保有量的提高,產(chǎn)生三個(gè)主要問題。其一是能耗加大,2003年中國汽車燃油消耗已達(dá)6000萬噸,2005年已達(dá)1.3億噸,2010年可能會達(dá)到2.7億噸;降低燃油消耗已成各國的當(dāng)務(wù)之急。二是環(huán)保和排放污染加重,燃油消耗增加,必然帶來排放污染增加。在通常情況下,按滿足歐II排放標(biāo)準(zhǔn),汽車每消耗1噸燃油,將會排放二氧化碳 2000 kg,NO,44.09 kg,微粒1kg,汽車排放污染也是驚人的。三是安全交通事故增加,中國每年因交通事故而造成的傷亡人數(shù)高達(dá)20萬人/年,即百萬輛汽車死亡人數(shù)高達(dá)0.5萬人。為保證汽車工業(yè)健康發(fā)展,各國都制定了相應(yīng)的法規(guī)。首先是如何減少汽車行車油耗,節(jié)約能源。能耗問題首次變得尖銳源于20世紀(jì)70年代初的石油危機(jī),石油供應(yīng)短缺和價(jià)格猛漲,迫使一些國家采取相應(yīng)對策。70年代末,美國和日本相繼制定了內(nèi)容類似的能源政策。美國的公司平均油耗法(CAFé)要求各汽車廠生產(chǎn)銷售的小汽車的平均油耗為:1978年為7.61 km/L(18mile/gal),1980年為8.46 km/L(20mile/gal),1985 年為11.67 km/L(27. 6mile/gal).在汽車油價(jià)持續(xù)攀升的今天,這一法規(guī)更加嚴(yán)格。在美國,當(dāng)某車型不能滿足CAFé規(guī)定時(shí),該車型的生產(chǎn)廠家將受到高額罰款,該車的買主也將被征收汽油超標(biāo)稅,汽油超標(biāo)稅的起征點(diǎn)為9.52km/L(22.5mile/gal);這一指標(biāo)將對整個(gè)汽車設(shè)計(jì)用材及其生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響;日本也于1999年規(guī)定了車輛的油耗限值,該限值依據(jù)車輛的裝備質(zhì)量不同,車輛驅(qū)動形式的不同,以及變速箱形式的不同而改變;盡管歐洲尚無燃油方面的規(guī)定,但CEE規(guī)定了燃油消耗量的測試方法,政府公布每種車型的實(shí)測燃油消耗,引導(dǎo)用戶的購車意向;中國也于2003年制定并實(shí)施了車輛燃料消耗量限值方面的法規(guī)。


  汽車數(shù)量增多,車速增高,車禍增多。為保證人員和車輛安全,美國在1966年制定了聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)(Federal Motor Vehicle Safety Standard)[2].這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容在技術(shù)上逐年加嚴(yán)。此外,1970年,美國、日本與西歐各國共同制定了安全實(shí)驗(yàn)車(Experimental Safety Vehicle)計(jì)劃,并進(jìn)行了幾年的研究試制和國際交流,從而得出,保證安全的一個(gè)重要措施是汽車構(gòu)造和構(gòu)件要顯著增強(qiáng)。例如,美國規(guī)定汽車的前保險(xiǎn)杠必須承受在8.05 km/h(5mile/h)車速下的撞擊無任何永久變形。近年來,安全法規(guī)逐年嚴(yán)格,基于有關(guān)單位的統(tǒng)計(jì)報(bào)告,在車輛碰撞事故中,正面碰撞占49%,側(cè)面碰撞占25%,追尾(即后碰)占22%.雖然側(cè)碰比例較少,但人員傷害最嚴(yán)重。歐美除制定了正碰法規(guī)FMVSS208 和ECE R94外,還制定了側(cè)面碰撞法規(guī) FMVSS214 和ECE R95,我國2004年6月1日起實(shí)施正撞法規(guī),2006年7月1日起正式實(shí)施側(cè)碰法規(guī)。


  為降低排放,歐美均先后制定了相關(guān)的排放法規(guī)。歐洲1993年開始實(shí)施歐I排放標(biāo)準(zhǔn),1997年實(shí)施歐II,2000年實(shí)施歐II,2004年實(shí)施歐IV;美國于1993年制定了類同歐I的排放標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)提出了過渡低排放汽車(TLEV)、低排放汽車(LEV)和超低排放汽車(ULEV)排放標(biāo)準(zhǔn),對汽車排放提出了更高的要求;我國目前已全面實(shí)施歐II排放標(biāo)準(zhǔn),2006年7月1日起,部分城市實(shí)施歐I排放標(biāo)準(zhǔn)。


  降低汽車油耗雖然可以通過提高發(fā)動機(jī)效率、增加傳動效率、減少運(yùn)行阻力等方法,但是根據(jù)汽車油耗和汽車重量成線性關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。,如果汽車自重降低10%,在其他條件不變的情況下,則可使汽車油耗降低8%,排放降低4%,可見,降低汽車自重是降低汽車油耗的簡單有效的方法。


  汽車質(zhì)量對燃油消耗的影響可從以下分析中更一目了然地體現(xiàn)出來。如圖1-1所示,汽車在角度為α的坡面行駛,其行駛阻力Fwi可由方程1-1表示。



圖 1.jpg




以上各式中,m為汽車質(zhì)量,p為空氣密度,Cw為風(fēng)阻系數(shù),A為汽車迎風(fēng)截面積,vx為車速,g為重力加速度,ax為汽車加速度,KR為上坡阻力系數(shù),Km為加速度阻力系數(shù),將方程1-2~1-5代人方程1-1,可得:


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  方程1-6表明:汽車的運(yùn)動阻力與汽車質(zhì)量密切相關(guān),通常當(dāng)車型設(shè)計(jì)完成后,風(fēng)阻便可固定,則車子的運(yùn)行阻力(也即燃油消耗)與車子的自身質(zhì)量呈線性關(guān)系。


  從汽車制造、使用中耗能的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看假定一部小汽車“一生”所耗能量為12.56×108kJ(3×108kcal),則行駛占82%,制造材料占10%,加工工藝占5%,輪胎占2%,潤滑油占1%.可以看出,減少汽車自重從而降低使用中油耗的重要意義。因此,美國汽車的自重自1974年以來,已經(jīng)迅速下降,例如:1977年轎車平均重量為1900 kg,1985年下降到1360kg.汽車自重的這種明顯的變化只有通過各種構(gòu)件用材的變化才可能實(shí)現(xiàn)。


  有趣的是,降低燃油消耗和排放,要求汽車輕量化,降低自重;而近年來,由于汽車功能提升,安全性增加,舒適性改善,增加了許多安全件、自動化附件和相關(guān)的舒適性附件,這些又使汽車自重有增加的趨勢。但是,如果不是輕量化材料和技術(shù)的應(yīng)用,汽車自重的增加量將會更大,汽車自重變化的趨墊見圖1-2。


圖 2.jpg


 減輕汽車自重可以采用密度低的鋁合金、塑料以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。但這為些材料與低合金高強(qiáng)度鋼相比,尤其和近年發(fā)展的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼相比,不只制造過程耗能多、工藝復(fù)雜,而且現(xiàn)階段的價(jià)格也較高。根據(jù)我國及美國有關(guān)部門進(jìn)行的德爾菲(Delphi)預(yù)測,為了減少能源消耗,汽車工業(yè)用材近期仍以鋼為主,中期可能發(fā)展鋁合金,遠(yuǎn)期才發(fā)展工程塑料和復(fù)合材料。這和Compoton.對美國汽車材料使用的預(yù)測是一致的。1970年Compoton指出,即使到1985年,汽車工業(yè)中鋼鐵的用量還會占70%以上,而且高強(qiáng)度鋼材的用量會有顯著增加。


2001年美國典型家庭轎車用材的構(gòu)成:鋼54%,鑄鐵10%,鋁合金8%,橡膠和玻璃7%,鎂合金0.3%,其他12.7%,而高強(qiáng)度鋼的用量迅速增加,在國際鋼鐵協(xié)會組織的全世界34家鋼鐵公司和相關(guān)汽車行業(yè)的輕量化項(xiàng)目ULSABAVC白車身(BIW)的開發(fā)中,高強(qiáng)度鋼用量已達(dá)90%以上,這些數(shù)據(jù)和上述的預(yù)測趨勢相一致。


 在一部汽車中,鋼板的質(zhì)量占車體材料的83%以上。因此,采用低合金高強(qiáng)度鋼板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低碳鋼板,對減輕汽車自重、降低油耗、提高汽車構(gòu)件強(qiáng)度、保證安全行駛都具有重要的意義。正如Nitto等人在1981年所指出的:“現(xiàn)在可以毫不夸張地說,如何利用高強(qiáng)度鋼板已經(jīng)成為影響80年代小汽車制造全局的關(guān)鍵技術(shù)問題?!被谧罱鼛啄甑脑囼?yàn)結(jié)果和所進(jìn)行的理論分析,高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用及其在各類汽車零、部件中的應(yīng)用總結(jié)于表1-1。


表 1.jpg


 由表中關(guān)系方程可以看出:除疲勞強(qiáng)度外,其他各性能均正比于板材厚度和相應(yīng)的材料性能(抗拉強(qiáng)度、流變應(yīng)力和彈性模量)。如果材料強(qiáng)度提高,在所要求的性能不變或略有提高的前提下,則板材構(gòu)件厚度可以減薄,因而可以降低構(gòu)件重量。以承受大變形的保險(xiǎn)杠加強(qiáng)體為例,該零件在使用中承受大的撞擊載荷,希望具有較高的壓潰強(qiáng)度。厚度、強(qiáng)度和壓潰強(qiáng)度之間的關(guān)系方程為P.cct(σb)”,n=1/2如以厚度t=5mm的普通碳鋼制造,設(shè)低碳鋼的σb=280 MPa,則P,=84K(K為常數(shù));如采用強(qiáng)度σb=430 MPa的SAE950X制造,P.保持不變,則厚度可減為4mm或重量可降低20%;如采用σb=600 MPa的SAE980X制造,P,不變,則厚度可減至3.4mm,重量可減少30%;如仍用SAE980X制造,但重量只降低20%,則P.可提高到98K.這個(gè)例子說明了采用高強(qiáng)度鋼的優(yōu)越性。這和文獻(xiàn)中所列的采用屈服強(qiáng)度為350 MPa的HSLA鋼代替低碳鋼可分別使前梁、發(fā)動機(jī)支架、保險(xiǎn)杠加強(qiáng)體、保險(xiǎn)杠、門、發(fā)動機(jī)內(nèi)外蓋板等構(gòu)件板厚減少15%~25%的計(jì)算結(jié)果是一致的。因此,采用高強(qiáng)度鋼板制造車身構(gòu)件,可以減少板材厚度,降低構(gòu)件重量,從而節(jié)約行駛油耗,并保證安全運(yùn)輸。


文獻(xiàn)指出:采用高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,還有利于提高乘用車白車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及相應(yīng)的振動頻率,從而有利于降低白車身的NVH性能。