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

2023年07月30日 常州鋼管哥1333???3??? 鋼鐵知識(shí) 百度已收錄 № 11018

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

如果以具體的，具有代表性的車輛為基礎(chǔ)進(jìn)行論證，則更容易談?wù)摽尚械妮p量化設(shè)計(jì)潛力。“輕型鍛造計(jì)劃”研究項(xiàng)目表明，在混合動(dòng)力汽車和重型卡車的子系統(tǒng)中存在輕型設(shè)計(jì)的潛力。其中驅(qū)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(dāng)人們想到鍛造時(shí)，輕量化并不是一個(gè)立刻浮現(xiàn)在腦海中的詞。然而，鍛造技術(shù)被證明是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，可以在汽車應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)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(dāng)前的“輕型鍛造計(jì)劃”研究項(xiàng)目中展示了在雙橋（splitaxle，分段式驅(qū)動(dòng)橋）混合動(dòng)力汽車（HybridElectric Vehicle，HEV）和重型卡車子系統(tǒng)中輕量化設(shè)計(jì)的潛力。
項(xiàng)目和評(píng)估車輛
（圖1顯示了項(xiàng)目詳細(xì)信息和技術(shù)車輛數(shù)據(jù)：研究項(xiàng)目共提出了733個(gè)混合動(dòng)力汽車輕量化設(shè)計(jì)構(gòu)思和251個(gè)卡車輕量化構(gòu)思。）
圖1
輕量化設(shè)計(jì)潛力概述
混合動(dòng)力汽車：作為研究的一部分，考慮了混合動(dòng)力汽車中總重量為816千克的零部件–大約相當(dāng)于參考汽車的51％。分析了來(lái)自混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成、底盤和電子設(shè)備的3600多個(gè)comCOVER組件，總共開發(fā)了733種輕量化設(shè)計(jì)思想。然后根據(jù)輕量級(jí)設(shè)計(jì)潛力、制造工作和市場(chǎng)實(shí)施工作的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些想法進(jìn)行權(quán)衡和分類。這樣就可以根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)的成本效益比來(lái)評(píng)估相關(guān)的設(shè)計(jì)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93千克的輕量化設(shè)計(jì)潛力，這相當(dāng)于所分析部件質(zhì)量的大約11%。然后，根據(jù)潛在的重量節(jié)省和實(shí)施努力，這些想法可以被分類為速效方案、平衡和較難實(shí)施的三類，具體取決于潛在的重量減輕和實(shí)施工作。
圖2
商用車：對(duì)于商用車動(dòng)力總成而言，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)測(cè)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，開發(fā)了250多個(gè)輕型設(shè)計(jì)思想。最終的輕量化設(shè)計(jì)潛力總計(jì)達(dá)到124千克，大約是所分析組件質(zhì)量的14％。這些想法可以歸類為通過(guò)材料、設(shè)計(jì)或生產(chǎn)概念實(shí)現(xiàn)的輕量化設(shè)計(jì)。但是，這些概念并不是完全獨(dú)立的，有時(shí)它們是相互依賴的
圖3
采用材料創(chuàng)新的輕量化設(shè)計(jì)
現(xiàn)代的高強(qiáng)度鋼可以為減輕單個(gè)零件的重量，從而減輕車輛的總重量做出重要且具有成本效益的貢獻(xiàn)。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(qiáng)度鋼，以實(shí)現(xiàn)輕量化，更精簡(jiǎn)的零部件設(shè)計(jì)。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(diào)質(zhì)（Q+ T）高強(qiáng)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(qiáng)度和延展性。
圖4
Saarstahl，Sidenor和Georgsmarien-hütte建議連桿，曲軸和輪架使用高強(qiáng)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(dá)到機(jī)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(qiáng)度可能會(huì)超過(guò)傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度，例如42CrMo4。
圖5
高強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用的貝氏體。圖5中的百分比表示與輕量化設(shè)計(jì)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(qiáng)度的沖擊性能（夏比能量值）的鋼。在如此高的強(qiáng)度下，鋼的清潔度起著至關(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(xiàn)最高的抗拉強(qiáng)度，例如55Cr3，Saarstahl建議的熱機(jī)械軋制54SiCrV6、60SiCrV7或ArcelorMittal展示的SolamM2050 S-Cor，強(qiáng)度可達(dá)2050MPa。這種鋼可以減輕諸如橫桿或彈簧之類的車輛部件的重量。

通過(guò)使用高強(qiáng)度鋼實(shí)現(xiàn)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(guó)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制動(dòng)盤。在此應(yīng)用中，Sidenor在使用耐磨的錳合金鋼1.3401（X120Mn12）時(shí)發(fā)現(xiàn)了輕量化的設(shè)計(jì)潛力。

在圖5（左上方）中，介紹了在分析的混合動(dòng)力SUV中應(yīng)用的差速器輸入軸的輕量化設(shè)計(jì)潛力。該空心軸目前由一種稱為SCr420H的CrMn滲碳鋼制成，重量為1182g。作為此類CrMn滲碳鋼的高強(qiáng)度替代品，Georgsmarienhütte與Hirschvogel合作開發(fā)了一種微合金化貝氏體鋼，稱為16MnCrV7-7（1.8195）。該鋼還可以進(jìn)行表面硬化處理，并在高達(dá)1050°C的滲碳溫度下保持穩(wěn)定的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。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(qiáng)度鋼可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的薄壁設(shè)計(jì)，從而有望減輕307g的重量。

在該計(jì)劃中進(jìn)行的分析還表明，對(duì)于管件（例如在減震器中組裝的管件），可以實(shí)現(xiàn)可觀的重量減輕。因此，本特勒建議用屈服強(qiáng)度為500-600兆帕的高強(qiáng)度鐵素體-貝氏體多相鋼FB590替換屈服強(qiáng)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(xiàn)250g的相應(yīng)輕量化減重（圖5左下）。

安賽樂米塔爾（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(zhuǎn)向節(jié)。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(xiàn)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(zhuǎn)向節(jié)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(qiáng)度為1100MPa。Sidenor認(rèn)為這種輕量化設(shè)計(jì)潛力約為20％。
連桿的輕型設(shè)計(jì)建議由ArcelorMittal，DeutscheEdelstahlwerke，Georgsmarienhütte，NipponSteel，Nis-san，Saarstahl，SchmiedetechnikPletten-berg，Schuler和TimkenSteel提出。根據(jù)Mahle[5]的分析，通過(guò)使用用于鍛造連桿的高強(qiáng)度鋼36/46MnVS6Mod，鐵姆肯鋼公司估算出了高達(dá)35％的輕量化設(shè)計(jì)潛力，右圖5。僅考慮同心軸時(shí)，Georgsmarienhütte和SchmiedetechnikPlettenberg預(yù)測(cè)，使用高強(qiáng)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(shè)計(jì)潛力。

傳動(dòng)系統(tǒng)中的輕量化設(shè)計(jì)：材料是關(guān)鍵因素
通過(guò)改變承重值，可以評(píng)估材料優(yōu)化對(duì)變速器輕量化設(shè)計(jì)潛力的有效性。圖6顯示了后軸變速箱的計(jì)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(yīng)地，計(jì)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(jié)合）來(lái)開發(fā)輕量化設(shè)計(jì)儲(chǔ)備。因此，為了在變速器的輕量化設(shè)計(jì)上取得進(jìn)展，鋼材是絕對(duì)值得研究改進(jìn)的。
圖6
結(jié)論
鋼鐵是汽車工業(yè)中最重要，也是最先進(jìn)的材料。盡管如此，可以看出，對(duì)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（從鋼鐵廠和鍛造公司到成品組件的制造商）參與聯(lián)合開發(fā)過(guò)程中的優(yōu)化變得越來(lái)越重要。 
（文章來(lái)源：汽車材料網(wǎng)）
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