新能源汽车概论7

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1、第 1 页,第7章 新材料和新技术应用,7.1 镁合金 7.2 碳纤维 7.3 表面装饰技术 7.4 现代控制技术 7.5 仿真技术 7.6 车载网络技术 7.7 汽车线控转向系统 7.8 汽车线控制动系统,第 2 页,7.1 镁合金,7.1.1 镁合金的类型和特性 7.1.2 镁合金的主要成型工艺 7.1.3 镁合金材料在汽车上的应用,第 3 页,7.1.1 镁合金的类型和特性,镁合金是以镁为基加入其它元素组成的合金。其特点是：密度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合

2、金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。 镁合金可以分为铸镁合金和变形镁合金。铸造镁合金适宜于熔融状态下充填铸型，以获得良好形状和尺寸的毛坯；变形镁合金适宜于塑性成型，在塑性变形中仍然能保持镁的特性。,第 4 页,7.1.1 镁合金的类型和特性,镁合金按合金组元不同主要有Mg-Al-Zn-Mn系（AZ系）、Mg-Al-Mn系（AM系）、Mg-Al-Si-Mn系（AS系）、Mg-Al-RE系（AE系）、Mg-Zn-Zrn系（ZK系）、Mg-Zn-RE系（ZE系）等合金。,第 5 页,7.1.2 镁合金的主要成型工艺,一般镁合金制品成型主要

3、分为变形（轧制、挤压等）和铸造两种方法。当前镁合金的成型工艺主要分为压力铸造、低压铸造、挤压铸造、半固态铸造和触变注射成型等，其中压力铸造仍是最主要的成型工艺。 1.压力铸造 压力铸造是目前最成熟、应用最广泛的铸造方法，目前，镁合金压铸工艺的研究热点主要集中在镁合金压铸件的开发设计和镁合金压铸工艺的完善创新两个方面。世界上镁合金铸件的93%是用压铸工艺生产的，镁合金是一种非常适合高压铸造的金属材料，其实际压铸周期比铝合金短50%，同时比所用的模具寿命高23倍。,第 6 页,7.1.2 镁合金的主要成型工艺,2.低压铸造 低压铸造已经应用于生产镁合金汽车铸件，此法可以保证平稳充型，避免镁合金液氧

4、化和卷气，还可以在铸造过程中将加压系统与镁合金的气体保护有效地结合起来。低压铸造由于其充型过程的平稳性和良好的排气性能，被广泛应用于轮毂等对铸件缺陷较为敏感的零件制造上。,第 7 页,7.1.2 镁合金的主要成型工艺,3.挤压铸造 挤压铸造是将一定量的熔融金属液直接注入金属模膛，在机械静压力的作用下，使处于熔融或半熔融状态的金属流动并凝固成型，从而获得毛坯或零件。挤压铸造最重要的参数是浇铸温度和充型压力等，其直接影响合金本身的性能和化学成分。挤压铸造能提高材料利用率，降低生产成本，缩短生产周期。挤压铸造的铸型温度一般为200300，充型压力为50150MPa。,第 8 页,7.1.2 镁合金的

5、主要成型工艺,4.半固态铸造 半固态铸造具有充型平稳、无金属飞溅、金属液氧化少、节能、操作安全、减少铸件内孔洞类缺陷等优点，是近年来发展起来的成型技术。通过此种方法可以获得高致密度的镁合金制品。半固态铸造可分为流变铸造和触变铸造，流变铸造是将金属从熔融状态冷却至两相区成型的一种方法，触变铸造是将金属从固态加热到两相区成型的一种方法，是目前半固态铸造的主要工艺方法。,第 9 页,7.1.2 镁合金的主要成型工艺,5.触变注射成型技术 触变注射成型是将具有触变结构的半固态镁合金高速注射到模具中，得到近终形的金属零件，它具有如下特点：镁锭无需预热及熔化，成型工艺简单，成本低；铸造温度比传统压力铸造温

6、度低90120；金属无需熔融处理，避免了镁合金熔化损害。与传统的压铸相比，触变注射成型无需金属熔炼及浇铸等过程，从而使生产过程更加清洁、安全和节能。,第 10 页,7.1.3 镁合金材料在汽车上的应用,镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减轻质量基础上再减轻1520。在轻量化的驱动下，自1990年以来，镁在汽车中的应用正以年均增长20的速度迅速发展。镁合金的开发与应用已成为汽车材料技术发展的一个重要方向。 目前，汽车上应用的镁合金零部件主要有两类共60多种，如离合器外壳、变速箱体、曲轴箱等壳体类，以及转向盘、座椅支架、仪表盘框架、转向支架、车镜支架等支架类。在材料的选择方面，用于结构件的一般以AZ

7、系和AS系为主，而AM系镁合金主要用于装饰零件。,第 11 页,7.1.3 镁合金材料在汽车上的应用,图是某企业生产的镁合金轮毂。,第 12 页,7.1.3 镁合金材料在汽车上的应用,目前，北美和欧洲的平均单车镁合金用量约为3.8kg，德国大众汽车公司的帕萨特单车镁合金用量为14kg；美国通用和福特汽车公司的单车镁合金用量为3kg。预计在2012年单车镁合金用量将提高至30kg，2015年达到100kg。 我国镁合金在汽车上的应用主要有变速器箱体及壳盖、离合器外壳及壳盖、泵体、转向盘、气缸盖罩、轮毂、仪表盘、座椅架和防护杆等零件。单车镁合金用量平均不足1kg。镁合金汽车压铸件的年产量不足400

8、0t。 镁合金以其显著的减重效果、良好的铸造和尺寸稳定性、优良的抗振性及可回收再生等特性，已成为汽车制造业最具潜力的结构材料。特别是大力提倡发展低碳经济的今天，镁合金是汽车轻量化中取代钢铁及部分铝合金的首选材料，各国也把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。,第 13 页,7.2 碳纤维,7.2.1 碳纤维的定义和分类 7.2.2 碳纤维的特性 7.2.3 碳纤维在汽车上的应用,第 14 页,7.2.1 碳纤维的定义和分类,1.碳纤维的定义 碳纤维是一种纤维状复合材料，含碳量超过90以上，具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的强度比钢大，密度比铝小，具

9、有极好的电学、热学和力学性能。,第 15 页,7.2.1 碳纤维的定义和分类,2.碳纤维的分类 碳纤维的分类有许多方法，可按原料、力学性能和状态来进行分类。 （1）按原料分类。碳纤维按原料可分为聚丙烯腈系碳纤维和沥青系碳纤维。其中聚丙烯腈系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用；沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量高，适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。,第 16 页,7

10、.2.1 碳纤维的定义和分类,（2）按力学性能分类。碳纤维按力学性能可分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100GPa左右；高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）；强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。 （3）按状态分类。碳纤维按状态可分为长丝碳纤维、短碳纤维和短切碳纤维。,第 17 页,7.2.2 碳纤维的特性,1.碳纤维的力学特性 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量

11、为2300043000MPa，也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时，往往利用其耐拉质轻的优势而避免去作承受侧面冲击的部分。 碳纤维经2500高温处理（也可称作石墨化处理）后，称高模量碳纤维（或石墨纤维），或称I型碳纤维；在13001700范围内处理的碳纤维称高强度碳纤维，或称II型碳纤维。 碳纤维的拉伸破坏方式属脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，这一点与玻璃纤维相似，然而其断裂伸长率比玻璃纤维的小。高模量碳纤维的断裂伸长率约为0.5%；高强度碳纤维的约为1%；玻璃纤维的约为2.6%；而环氧树脂的约为1.7%，所以碳

12、纤维复合材料的强度能得到充分的发挥。,第 18 页,7.2.2 碳纤维的特性,2.碳纤维的物理特性 碳纤维的导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料纤维轴向的导热系数为0.04卡/秒厘米；垂直纤维向的导热系数为0.002卡/秒厘米。 碳纤维的线膨胀系数具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维有收缩的趋势。碳纤维的线膨胀系数沿纤维轴向约为：0.07210-80.910-6/；垂直纤维轴向约为2210-63210-6/，而基体树脂的线膨胀系数约为：4510-6/，二者之间相差较大，所以碳纤维复合材料在固化后冷却过速，或经受高低温度变化时易产生裂纹。 碳纤维的比重取决于原料的性质及热处

13、理条件，如：PAN基碳纤维经1000处理后，比重为1.7g/cm3；经3000处理后，比重为2.01g/cm3。 此外，碳纤维具有自润滑性、摩擦系数较低、良好的导电性等特性。,第 19 页,7.2.2 碳纤维的特性,3.碳纤维的化学特性 碳纤维的化学性能与块状碳的相似，在空气中，当温度高于400时，出现明显的氧化，氧化物以CO、CO2的形式从其表面散失，这个反应从200到900结束。在惰性气体中，即使温度超过2000，碳纤维仍具有承载能力。 碳纤维除了能被强氧化剂氧化外，一般的酸碱对它作用很小，比玻璃纤维具有更好的耐腐蚀性。将碳纤维置于一些酸溶液中浸泡20天后，测量其弹性模量、拉伸强度及直径，

14、发现：在浓度50%的盐酸、硫酸及磷酸中浸泡后均无变化；在浓度50%的硝酸中浸泡后直径略有增大；在浓度50%的次氯酸中浸泡后直径略为减小。 此外，碳纤维还具有耐油、抗辐射以及减速中子运动等特性。,第 20 页,7.2.3 碳纤维在汽车上的应用,1.在汽车车身和底盘上的应用 由于碳纤维增强复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40%60%，相当于钢结构重量的1/31/6。 英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维复合材料车身重量仅为172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50%。

15、但由于碳纤维成本较高，碳纤维增强复合材料在汽车上的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车上有所应用。,第 21 页,7.2.3 碳纤维在汽车上的应用,日产Yuki-onna概念车是一款十分环保的车型，其依靠安装在每个车轮上的电动马达来行驶。该车的整体外观呈现的是跑车车型风格，其底盘采用的为碳纤维材料，如图所示。,第 22 页,7.2.3 碳纤维在汽车上的应用,未来兰博基尼几乎所有的新车型车身都将使用碳纤维材料，大幅降低车身重量。,第 23 页,7.2.3 碳纤维在汽车上的应用,2010年首届FSAE中国大学生方程式汽车大赛中，哈工大制造的赛车，车身全部采用碳纤维，整车重量只要260kg。,第 2

16、4 页,7.2.3 碳纤维在汽车上的应用,2.在制动摩擦片上的应用 碳纤维具有环保和耐磨的特点，适于被应用在高档轿车的制动摩擦片上，特别是在F1赛车上。例如，使用碳纤维摩擦片的赛车，能够在50m的距离内将汽车的速度从300km/h降低到50km/h，此时制动盘温度会升高到900以上，制动盘会因为吸收大量热能而变红。碳纤维制动盘能够承受2500高温，而且具有非常优秀的制动稳定性。虽然碳纤维制动盘具有卓越的减速性能，但是目前在量产的汽车上使用碳纤维制动盘却不实际，因为碳纤维制动盘的性能在温度达到800以上时才能够达到最好。另外，碳纤维制动盘的磨损速度快，成本高。,第 25 页,7.2.3 碳纤维在汽车上的应用,3.在座椅加热垫上的应用 碳纤维汽车座椅加热垫是碳纤维加热应用于汽车工业的一个突破，碳纤维加热技术在汽车配套市场越来越受欢迎，它将会完全替代传统的座椅加热系统。目前计划全球所有汽车制造厂商的高档、豪华轿车都配备了这种座椅加热装置。碳