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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

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％。

鍛造和輕量化

當人們想到鍛造時，輕量化并不是一個立刻浮現在腦海中的詞。然而，鍛造技術被證明是一種經濟有效的方法，可以在汽車應用中實現輕量化的設計進步，從而適合大批量生產。通過利用鍛造技術提供的潛力。在當前的“輕型鍛造計劃”研究項目中展示了在雙橋（splitaxle，分段式驅動橋）混合動力汽車（HybridElectric Vehicle，HEV）和重型卡車子系統中輕量化設計的潛力。

項目和評估車輛

（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。）

圖1

輕量化設計潛力概述

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。

總的來說，該研究確定了混合動力汽車93千克的輕量化設計潛力，這相當于所分析部件質量的大約11%。然后，根據潛在的重量節省和實施努力，這些想法可以被分類為速效方案、平衡和較難實施的三類，具體取決于潛在的重量減輕和實施工作。

圖2

商用車：對于商用車動力總成而言，在設計基準測試期間共分析了460個組件，總重量為909kg。在該總重量中，290千克來自傳動裝置，而619千克來自傳動軸和后軸。基于技術可能性，開發了250多個輕型設計思想。最終的輕量化設計潛力總計達到124千克，大約是所分析組件質量的14％。這些想法可以歸類為通過材料、設計或生產概念實現的輕量化設計。但是，這些概念并不是完全獨立的，有時它們是相互依賴的

圖3

采用材料創新的輕量化設計

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。

圖4

Saarstahl，Sidenor和Georgsmarien-hütte建議連桿，曲軸和輪架使用高強度彌散硬化鋼，例如38MnVS6和46MnVS6，它們通過鍛造熱的冷卻控制而達到機械性能，而無需額外的熱處理工藝。在某些情況下，這種彌散硬化鋼的強度可能會超過傳統的調質鋼的強度，例如42CrMo4。

圖5

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5（左上方）中，介紹了在分析的混合動力SUV中應用的差速器輸入軸的輕量化設計潛力。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滲碳鋼的高強度替代品，Georgsmarienhütte與Hirschvogel合作開發了一種微合金化貝氏體鋼，稱為16MnCrV7-7（1.8195）。該鋼還可以進行表面硬化處理，并在高達1050°C的滲碳溫度下保持穩定的細晶粒結構。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度鋼可實現優化的薄壁設計，從而有望減輕307g的重量。

在該計劃中進行的分析還表明，對于管件（例如在減震器中組裝的管件），可以實現可觀的重量減輕。因此，本特勒建議用屈服強度為500-600兆帕的高強度鐵素體-貝氏體多相鋼FB590替換屈服強度至少為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，從而實現250g的相應輕量化減重（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。

鋼鐵制造商Sidenor建議使用其Micro1100鋼（44MnSiVS6）來減輕圖5（右上方）所示轉向節的重量。通過直接從鍛造熱中冷卻鋼，生成了鐵素體-珠光體晶粒組織，其抗張強度為1100MPa。Sidenor認為這種輕量化設計潛力約為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計：材料是關鍵因素

通過改變承重值，可以評估材料優化對變速器輕量化設計潛力的有效性。圖6顯示了后軸變速箱的計算。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％。相應地，計算出可能的重量減輕和減少的裝配空間。通過這種方式，通過增加承載能力（最好相互結合）來開發輕量化設計儲備。因此，為了在變速器的輕量化設計上取得進展，鋼材是絕對值得研究改進的。

圖6

結論

鋼鐵是汽車工業中最重要，也是最先進的材料。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。

（文章來源：汽車材料網）

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