鋼鐵在混合動力汽車和重型卡車中的輕量化潛力:輕型鍛造計劃的使用
鋼鐵在混(hun)合動力汽車和重型卡車中的輕量化潛(qian)力輕型鍛造計劃的使用
如果以具體的，具有代表性的車輛為基礎進行論證，則更容易談論可行的輕量化設計潛力。“輕型鍛造計劃”研究項目表明，在混合動力汽車和重型卡車的子系統中存在輕型設計的潛力。其中驅動軸、減震器、輪架和連桿的重量減輕了23％至35％。
當(dang)人們想到鍛(duan)造(zao)(zao)時，輕量(liang)(liang)化并不是(shi)(shi)一(yi)個立(li)刻浮現(xian)在(zai)腦海中的(de)詞。然而，鍛(duan)造(zao)(zao)技術被證明是(shi)(shi)一(yi)種經濟有效的(de)方法，可以在(zai)汽車應用中實現(xian)輕量(liang)(liang)化的(de)設計(ji)進(jin)步，從(cong)而適合大(da)批(pi)量(liang)(liang)生產。通過利用鍛(duan)造(zao)(zao)技術提供的(de)潛力。在(zai)當(dang)前的(de)“輕型鍛(duan)造(zao)(zao)計(ji)劃”研究(jiu)項目中展示(shi)了(le)在(zai)雙(shuang)橋（splitaxle，分段式(shi)驅(qu)動橋）混合動力汽車（HybridElectric Vehicle，HEV）和重型卡車子(zi)系統中輕量(liang)(liang)化設計(ji)的(de)潛力。（圖1顯示了項目詳細信息和技術車輛數據：研究項目共提出了733個混合動力汽車輕量化設計構思和251個卡車輕量化構思。）
混合動力汽車：作為研究的一部分，考慮了混合動力汽車中總重量為816千克的零部件–大約相當于參考汽車的51％。分析了來自混合動力汽車的動力總成、底盤和電子設備的3600多個comCOVER組件，總共開發了733種輕量化設計思想。然后根據輕量級設計潛力、制造工作和市場實施工作的標準對這些想法進行權衡和分類。這樣就可以根據輕量化設計的成本效益比來評估相關的設計想法，如圖2所示。總(zong)的來說，該研究確定了(le)混合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車93千克的輕(qing)量(liang)(liang)(liang)化設(she)計潛力(li)，這相當于所分析部件質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的大約11%。然后，根據潛在(zai)的重量(liang)(liang)(liang)節省和(he)實施(shi)努力(li)，這些想法可以(yi)被分類為速效方案、平衡和(he)較難實施(shi)的三(san)類，具體取決于潛在(zai)的重量(liang)(liang)(liang)減(jian)輕(qing)和(he)實施(shi)工作。
商(shang)用(yong)車：對于(yu)商用(yong)車動(dong)力(li)總(zong)(zong)成(cheng)而言(yan)，在(zai)(zai)設計(ji)基(ji)準(zhun)測試期(qi)間共(gong)分析(xi)了460個組(zu)件，總(zong)(zong)重(zhong)量為(wei)909kg。在(zai)(zai)該總(zong)(zong)重(zhong)量中，290千(qian)(qian)克(ke)來(lai)自傳動(dong)裝置，而619千(qian)(qian)克(ke)來(lai)自傳動(dong)軸和(he)后軸。基(ji)于(yu)技術可(ke)能性，開發(fa)了250多個輕(qing)型(xing)設計(ji)思想。最終的(de)(de)(de)輕(qing)量化設計(ji)潛力(li)總(zong)(zong)計(ji)達到124千(qian)(qian)克(ke)，大約是(shi)所分析(xi)組(zu)件質量的(de)(de)(de)14％。這(zhe)些(xie)想法可(ke)以歸類為(wei)通過(guo)材(cai)料、設計(ji)或生(sheng)產(chan)概(gai)念實(shi)現(xian)的(de)(de)(de)輕(qing)量化設計(ji)。但是(shi)，這(zhe)些(xie)概(gai)念并(bing)不是(shi)完(wan)全獨立的(de)(de)(de)，有時(shi)它們是(shi)相互(hu)依(yi)賴的(de)(de)(de)
采用材料(liao)創新的輕(qing)量化(hua)設計現代的高強度鋼可以為減輕單個零件的重量，從而減輕車輛的總重量做出重要且具有成本效益的貢獻。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，以實現輕量化，更精簡的零部件設計。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（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、以及它們的強度和延展性。
Saarstahl，Sidenor和Georgsmarien-hütte建議連(lian)桿(gan)，曲(qu)軸和輪(lun)架使用高強度彌(mi)散(san)硬(ying)化鋼，例如38MnVS6和46MnVS6，它們通過鍛造(zao)熱(re)的(de)冷卻控(kong)制而(er)達到機械性能，而(er)無需額(e)外的(de)熱(re)處(chu)理工藝。在某些情況下，這種(zhong)彌(mi)散(san)硬(ying)化鋼的(de)強度可能會超過傳統(tong)的(de)調質鋼的(de)強度，例如42CrMo4。
高強度貝氏體鋼有時會通過鍛造熱的受控冷卻獲得更高的強度，同時改善延展性。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，鋼的清潔度起著至關重要的作用。鐵姆肯鋼鐵公司表示，因此在生產過程中使用了其“超潔凈鈾”技術。彈簧鋼可實現最高的抗拉強度，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的車輛部件的重量。通過使用高強度鋼實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代替重35.5千克的鑄造卡車制動盤。在此應用中，Sidenor在使用耐磨的錳合金鋼1.3401（X120Mn12）時發現了輕量化的設計潛力。在圖(tu)5（左上方）中，介紹了(le)在分(fen)析的混(hun)合(he)(he)動力(li)SUV中應用的差速器輸入軸的輕量化(hua)設計潛力(li)。該空心軸目前由一(yi)種(zhong)稱為SCr420H的CrMn滲(shen)(shen)碳(tan)鋼(gang)(gang)制(zhi)成，重量為1182g。作為此(ci)類CrMn滲(shen)(shen)碳(tan)鋼(gang)(gang)的高強度(du)(du)替代品，Georgsmarienhütte與Hirschvogel合(he)(he)作開發了(le)一(yi)種(zhong)微合(he)(he)金化(hua)貝氏體鋼(gang)(gang)，稱為16MnCrV7-7（1.8195）。該鋼(gang)(gang)還(huan)可(ke)以進行表面硬化(hua)處理，并在高達(da)1050°C的滲(shen)(shen)碳(tan)溫度(du)(du)下(xia)保持(chi)穩定的細晶粒(li)結構。其特征還(huan)在于更高的淬透性值。這種(zhong)用于差速器輸入軸的高強度(du)(du)鋼(gang)(gang)可(ke)實(shi)現優化(hua)的薄(bo)壁設計，從而(er)有(you)望減輕307g的重量。在(zai)(zai)該計劃(hua)中(zhong)(zhong)進行的(de)(de)(de)分(fen)析還表明，對于管(guan)件(jian)（例如(ru)在(zai)(zai)減(jian)震(zhen)器中(zhong)(zhong)組裝(zhuang)的(de)(de)(de)管(guan)件(jian)），可(ke)以(yi)實現可(ke)觀的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)量減(jian)輕。因此，本特(te)勒建議(yi)用屈服強(qiang)(qiang)度(du)(du)為500-600兆(zhao)帕的(de)(de)(de)高強(qiang)(qiang)度(du)(du)鐵素體-貝(bei)氏(shi)體多(duo)相鋼(gang)FB590替換屈服強(qiang)(qiang)度(du)(du)至少為235MPa的(de)(de)(de)E235+ CR鋼(gang)制(zhi)成的(de)(de)(de)管(guan)件(jian)。這(zhe)樣，外管(guan)的(de)(de)(de)壁厚(hou)可(ke)以(yi)從2.8毫米(mi)減(jian)小到(dao)2.0毫米(mi)，從而實現250g的(de)(de)(de)相應(ying)輕量化(hua)減(jian)重(zhong)(zhong)（圖(tu)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替代品，例如用于轉向節。通過在零件上進行的有限元模擬，可以估算出所減輕的重量。通過使用貝氏體鍛鋼，可以實現4100克重量的鑄件替換原先的5060克鑄件——只需通過鍛造熱控制冷卻，而無需進行昂貴的熱處理工藝。鋼(gang)鐵制造商Sidenor建議使用其Micro1100鋼(gang)（44MnSiVS6）來減輕(qing)圖5（右(you)上方）所(suo)示轉向(xiang)節的(de)重量。通(tong)過(guo)直接(jie)從鍛(duan)造熱(re)中冷卻鋼(gang)，生成了(le)鐵素體-珠光體晶粒組織，其抗(kang)張強度為1100MPa。Sidenor認(ren)為這種輕(qing)量化設計潛力約(yue)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，Georgsmarienhütte和SchmiedetechnikPlettenberg預測，使用高強度彌散硬化鋼46MnVS5或貝氏體鋼16MnCrV7-7將產生10％至15％的輕量化設計潛力。傳動系統中的輕量化設(she)計：材料(liao)是(shi)關鍵(jian)因素通過改(gai)變(bian)承重(zhong)值，可以評估材料優化(hua)(hua)對變(bian)速(su)器輕量化(hua)(hua)設計潛力(li)的(de)(de)有(you)效(xiao)性。圖6顯示了(le)后軸變(bian)速(su)箱(xiang)的(de)(de)計算。依(yi)次列出了(le)各種材料的(de)(de)輸(shu)入值，并且鐵(tie)姆肯鋼(gang)公司使用(yong)超(chao)潔凈(jing)滲(shen)碳鋼(gang)似乎可以增(zeng)(zeng)加20％。相應(ying)地，計算出可能的(de)(de)重(zhong)量減輕和減少的(de)(de)裝(zhuang)配空間。通過這種方式，通過增(zeng)(zeng)加承載能力(li)（最好相互結(jie)合(he)）來開(kai)發(fa)輕量化(hua)(hua)設計儲備。因此，為了(le)在(zai)變(bian)速(su)器的(de)(de)輕量化(hua)(hua)設計上取得進(jin)展，鋼(gang)材是絕(jue)對值得研究改(gai)進(jin)的(de)(de)。
鋼鐵是(shi)汽車(che)工(gong)業中最重(zhong)要，也是(shi)最先進(jin)的材料。盡管如此，可以看出，對鋼材的性能和成本效率（例如通過鍛造熱的受控冷卻）有進一步提高的需要。此處概述的示例以令人印象深刻的方式證明了這一點。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）參與聯合開發過程中的優化變得越來越重要。
