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瘦身迫切 德研發(fā)新型輕量化新技術(shù)

日期:2013-11-30     來源:商用汽車新聞     作者:

    隨著節(jié)能減排形勢變得日益嚴(yán)峻,相關(guān)部門對卡車超載的治理越來越嚴(yán),輕量化成了近幾年來汽車行業(yè)常被探討的話題。比如,鋁合金車輪的應(yīng)用就是國內(nèi)準(zhǔn)重載車輛實現(xiàn)輕量化的一大有效手段。在了解國內(nèi)外卡車企業(yè)的卡車輕量化情況時,記者通過查閱相關(guān)外文材料得知,德國某研究機(jī)構(gòu)近期研發(fā)了一種新型的車輛輕量化技術(shù)。
 

    汽車“瘦身”現(xiàn)實又迫切

    據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)站9月4日發(fā)布的一篇文章稱,最近歐洲委員會出臺了一項新法規(guī),如果汽車制造廠不能顯著降低其新生產(chǎn)汽車的二氧化碳平均排放量,它們將面臨巨額的罰款。汽車工業(yè)到了必須思索如何減少燃料消耗量和二氧化碳排放量的時候了。
 

    如何減少汽車燃料消耗量,一條有效的途徑就是在汽車輕量化結(jié)構(gòu)上做文章,換句話說就是讓汽車“瘦”下來。但是給汽車“減肥”必須在不降低汽車安全性的前提下進(jìn)行。如何在同等級別安全程度下成功給汽車瘦身,是擺在汽車設(shè)計人員面前的一道既現(xiàn)實又迫切的難題。
 

    到目前為止,大部分車身結(jié)構(gòu)都是由同質(zhì)鋼板組成的,不同部位的鋼板厚度基本上相同。一些承擔(dān)局部應(yīng)力過大的部件,要求鋼板較厚來承擔(dān)高強(qiáng)度局部應(yīng)力。這就意味著一些不需要承擔(dān)很大局部應(yīng)力部位的鋼板厚度超出了實際所需要的厚度,這就給車身增加了不必要的重量。此外,一些汽車制造廠家還喜歡用一些價格較貴的高強(qiáng)度鋼板,這無形之中也會增加車身重量。
 

    使用普通強(qiáng)度鋼板 激光提升局部強(qiáng)度

    國外先進(jìn)的輕量化技術(shù)一直是國內(nèi)制造企業(yè)效仿的對象,其前沿技術(shù)的發(fā)展也對我國有很大的借鑒意義。最近,德國薩克森州首府德累斯頓市弗勞恩霍夫材料和射線研究所(The Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS)的研究人員研發(fā)出了一項全新的車輛輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù),可在充分確保車輛安全性的前提下減輕車輛重量。
 

    來自該研究所的科學(xué)家馬庫斯。瓦格納稱:“安全性和輕量化結(jié)構(gòu)彼此并不矛盾。”為了更準(zhǔn)確地匹配車身各個部位所承受的應(yīng)力,馬庫斯。瓦格納和他的同事正在致力于創(chuàng)建一套實現(xiàn)車身輕量化的新方案,這項新方案被稱為“局部激光強(qiáng)化”(local laser reinforcement)。
 

    這套方案使用的是價格低廉、強(qiáng)度普通、壁厚度達(dá)到最薄限度的鋼板,但這么做會導(dǎo)致某個部位的鋼板無法承受高強(qiáng)度局部應(yīng)力。為解決這個難題,研究人員需要提升承受過大局部應(yīng)力部位的鋼板強(qiáng)度。
 

    那么這個過程具體是怎么實現(xiàn)的呢?首先,專家用聚集激光束照射未經(jīng)加工的鋼板表面,被聚集激光束照射的鋼板溫度開始升高并逐漸熔化,熔化所產(chǎn)生的熱量迅速消散并傳遞給毗連的冷材料,熱量所經(jīng)過的部位遇熱之后迅速冷卻。這個過程會產(chǎn)生硬質(zhì)相,遇熱之后迅速冷卻的材料其硬度可得到顯著強(qiáng)化。
 

    “通過這個過程,我們可以得到強(qiáng)度達(dá)到1500兆帕的材料,新材料的強(qiáng)度大概是未經(jīng)強(qiáng)化的原始材料的2倍。”瓦格納說。在整個過程中,得到強(qiáng)化的鋼板并未變厚,也就是說鋼板的重量并未增加,這個方案可謂是在確保車輛安全性的前提下,對輕量化技術(shù)的一種有益嘗試。
 

    瓦格納稱:“這個方案可被用于設(shè)計車輛前后緩沖杠、中立柱、加強(qiáng)筋、加強(qiáng)板等諸多部件。在設(shè)計這些部件時,上述方案提供了一條如何在重量和強(qiáng)度上作出最優(yōu)選擇的解決途徑。”
 

    碰撞性能表現(xiàn) 可提升一倍

    車輛碰撞時產(chǎn)生的壓力,足以令某個零部件瞬間產(chǎn)生大幅度變形。撞擊時,車身變形程度越小,司機(jī)得到的保護(hù)就越大。通過“局部激光強(qiáng)化”,上述研究所的科學(xué)家們試圖獲得抗變形性更強(qiáng)的零部件。
 

    為了使車身在撞擊時變形程度更小,研究人員必須確定需要進(jìn)行激光強(qiáng)化的最佳位置和最佳幾何形狀。比如:它們應(yīng)該是點狀的、傾斜的、還是縱長的?強(qiáng)化部分應(yīng)該選用何種材料來使車輛在撞擊時發(fā)生最小程度的變形?現(xiàn)在,研究人員可以通過電腦模擬測試探索以上所有問題的答案。據(jù)瓦格納稱:“通過電腦模擬實驗,我們可以完全模仿實地實驗并得到我們想要的數(shù)據(jù),電腦模擬實驗得到的數(shù)據(jù)與實地實驗得到的數(shù)據(jù)相差在幾毫米左右。”
 

    通過數(shù)值模擬研究,瓦格納和他的團(tuán)隊開發(fā)出了一種彎曲應(yīng)力的碰撞最優(yōu)軌跡設(shè)計。在受到不同形式的撞擊時,車輛的變形部位是不一樣的,比如說車輛迎面撞上一棵樹,與被另一輛車從側(cè)翼撞擊時所引起的變形并不相同。瓦格納團(tuán)隊把這種方法應(yīng)用到了實際車輛設(shè)計過程,并用激光強(qiáng)化。
 

    瓦格納說:“在實際實驗中,通過我們的碰撞最優(yōu)軌跡設(shè)計,經(jīng)過激光局部強(qiáng)化的管道外形,在發(fā)生碰撞后的扭曲變形程度比未經(jīng)強(qiáng)化時減小一半,而我們在這一管道上進(jìn)行激光強(qiáng)化的部分只占3%左右。這也就是說,我們的技術(shù)方案能夠使車輛的碰撞性能表現(xiàn)提高一倍。”
 

    出于對乘客安全的考慮,該研究所的研究人員已經(jīng)把這項全新的技術(shù)解決方案應(yīng)用到了車輛易遭撞擊的位置和座椅部件上。通過這套全新的技術(shù)方案,車輛的部件重量能夠減輕20%左右,而這是建立在完全無損車輛安全性的前提下。在下一階段,瓦格納和他的團(tuán)隊將致力于通過軌道幾何形狀自動優(yōu)化來進(jìn)一步完善他們的技術(shù)。


                                  

  • 【責(zé)任編輯:sindy】

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