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節能汽車的綠色汽車制造技術

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上一篇：汽車技術性能狀況的檢測

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節能汽車的綠色汽車制造技術
摘要：我國汽車產量2020年可能達到3 500萬～4 000萬輛。能否從汽車大國轉變為強國，不
僅關系到汽車產業，也關系到我國國民經濟的可持續發展。由汽車大國轉變為強國必要條件之一是
應對世界汽車的綠色革命，用綠色制造技術制造綠色汽車(新能源和節能汽車)。這不僅關系到我
國汽車產業的持續發展，而且關系到國家的可持續發展。
關鍵詞：綠色制造技術 節能汽車
中圖分類號：U46 文獻標識碼：A
1節能汽車的兩大關鍵領域
1．1節能動力總成技術
(1)柴油機高壓共軌技術
柴油機比汽油機節約燃料1／3以上，但傳統的機
械控制式柴油機排放差，振動、噪聲大。柴油機電控
共軌燃油系統應用于柴油機之后，大大降低了其振
動、噪聲，同時也提高了排放和節能水平。由于其節
能、環保的優勢，發展速度驚人，成為汽車工業的一
次革命性突破。全球商用車幾乎都是柴油車，歐洲轎
車的50％ 為柴油車。鑒于電控共軌系統的使用范圍除
了汽車外，還包括各類軍車、艦船、農機，長期市場
需求將達到1 O00萬套以上，因而制造系統的設計、
裝備逐漸國產化是非常關鍵的。
(2)汽油發動機渦輪增壓+缸內直噴(GTDI)
技術
由于我國柴油資源非常匱乏，在相當長的時
期內汽油機仍然是最主要的乘用車動力， 占中國
一 機械科學研究院陳長年(顧問)
轎車市場的95％ 以上。目前，乘用車普遍應用
進氣道噴射自然吸氣式汽油機， 耗油較柴油機高
20％ ～30％ ，因而汽油機的節能技術是我國汽車綠
色動力最重要的技術路線。
汽油機采用渦輪增壓直噴技術，可以在動力性
不變的前提下縮小排量，大幅度提高汽油機的經濟
性，降低CO 排放，是目前乘用車節能和CO 減排的
最有效技術措施。相同功率的汽油機，渦輪增壓直
噴汽油機的排量可比傳統自然吸氣發動機排量減小
18％ ～35％ ，燃油經濟性可提高10％ ～35％。按2009
年中國乘用車銷量為1 ooo萬輛左右及目前平均每輛
車油耗8 L_／1 00 km、co2排放1 80 g／km、每輛車平均
每年行駛1．8萬km計算，如果中國的乘用車全部采用
渦輪增壓直噴汽油機，油耗降低20％ ，每年能節省
燃~$30(LL，減少CO 排放650~-t，相當于1 000萬畝
森林1年的CO，凈吸收量。由于汽油機渦輪增壓直噴
技術在減小排量、降低油耗和CO，減排方面的巨大優
勢，全球各大汽車公司掀起了汽油機增壓直噴的熱
201 2年第4期 汽車T藝與材料 AT&amp;amp;M l 41
±生． 嚴產 搬瑣 l揚 。
潮，乘用車發動機增壓直噴化呈明顯上升趨勢。有人
預計，全球渦輪增壓普及率將從2009年的21％ 增長
~]2020年的67％ 。有關專家預測，未來5～10年，我
國GDTI系統的市場需求量將達到數百萬套，對微納
級精密制造裝備的需求有數以百億元之巨。
(3)自動變速器
自動變速器是汽車五大關鍵總成中第二大關鍵總
成，我國嚴重依賴進口，自主品牌汽車的自動變速器
裝車率非常低，自動變速器產業落后。造成這一現狀
的主要原因是自動變速器的關鍵零部件由跨國公司壟
斷和主導，以及其關鍵零部件制造技術與裝備落后。
配置自動變速器已經成為國際汽車發展的重要趨
勢。歐洲自動擋汽車已超過50％ ， 日、韓已達80％
以上，北美甚至超過90％ ，但我國很多品牌汽車根
本采購不到自動變速器，只能依靠進口產品，造成
目前我國自動擋乘用車占有率不到30％。如2009
年我國乘用車銷售1 033．1 3萬輛，自動擋乘用車僅
占28．4％。據預測，201 5年我國乘用車產銷將超過
2 000萬輛(自主品牌將接近60％ )，如果自動變速器
裝車率達~rJ45％ ，將需要自動變速器超過900萬臺， 自
主品牌產品將需求500~-臺以上。據測算，建造一個
年產1 0萬臺自動變速器工廠，關鍵零部件制造裝備
的投資約需3億元，也就是說~1J201 5年， 自主品牌自
動變速器企業的關鍵零部件制造裝備需求在1 50億元
(500／10 X 3(L元)以上。
1_2節能車身技術
(1)鋁合金車身技術
鋁質零件減重效果可達30％ ～40％。每使用1 kg
鋁，可使轎車壽命期減少20 kgj=-=-~氣排放。目前，幾
乎所有北美、歐洲及日本的著名汽車制造商都在新車
型上盡可能利用鋁合金材料。1 999年，奧迪公司推
出的A2車型，與相當的鋼質車型相比，減重43％ ；
后來出現的A8，通過激光焊和鉚接的方法把鋁合金
鈑金件連接到鋁合金空間框架上，減重近50％。在
福特公司為紀念成立1 00周年生產的Ford GT紀念車
上，采用了全鋁結構車身，而幾乎所有的覆蓋件都是
采用超塑性成形技術生產的。在歐洲，每輛轎車的輕
合金用量已超過120 kg， 占轎車自重的1O％ ，在某
些結構部位呈現出以鋁代鋼的趨勢。用鋁合金板材代
替鋼板制造汽車覆蓋件已是當前汽車行業的重要發展
趨勢之一。我國目前每輛汽車鋁合金精密塑性成形零
件更少，只有國外的1／3。關鍵技術和設備均需要進
口，受制于人，已成為制約我國汽車制造技術發展的
瓶頸之一。
(2)復合材料車身技術
美國和歐洲汽車工業已經成為復合材料最大的用
戶，2000年美國汽車零件的復合材料用量達14．8萬t，
歐洲汽車復合材料用量~f]2003年達1 0 5萬t，發展潛
力巨大。目前，美、日、歐汽車零件的復合材料應用
發展十分迅速。
選用碳纖維復合材料制作結構件、覆蓋件，可減
輕質量達30％左右。隨著碳纖維價格的不斷降低，
使用碳纖維復合材料的車型不斷涌現(尤其適合小批
量、多品種車型)，很多汽車制造廠商生產的高檔、
豪華轎車(如奔馳、寶馬、奧迪、福特、大眾、本
田、日產等)幾乎都開始試應用或已經采用了各種碳
纖維復合材料。福特公司2007年所做的研究證明了
碳纖維復合材料可以將零部件種類減為原來的8％ ，
加工費用相對鋼材降低60％ ，粘結費用相對焊接減少
25％～40％ ，而且具有極好的韌性和抗沖撞性能， 目
前已開始批量用于汽車等領域，如盤式制動器襯片、
離合器面片等，并有望大規模應用。
2節能動力總成技術的綠色制造技術
2．1微納制造技術和微納級精密制造裝備
20世紀末汽車產業進入汽車電子時代— — 第三
次汽車制造技術革命，最重要的汽車零部件都屬于汽
車電子零部件，是復雜、精密、小型的微機械，需求
微納制造技術和微納級精密制造裝備。
其中，電控發動機噴油器制造技術是最難突破的
“硬骨頭”。
而柴油高壓共軌噴油器的精密加工最具代表
42 J汽車T藝與材料AT&amp;amp;M 201 2年第4期
生 產 瑣 強
性。為保證其極高密封性和滑動性， 配合間隙3
u m左右，孔和軸零件圓柱度1 u m，表面粗糙度
R 0．05 u m，密封錐面圓度0．5 u m ，對制造裝備
的基本要求是采用微納級復合加工中心、復合數控
車床、數控磨床、珩磨機、數控電加工機床，以及
精密裝配和檢測裝備等。電控共軌噴油系統制造裝
備、汽油機缸內直噴系統制造裝備代表了汽車電
子零部件要求的成套精密數控機床，如實現集群
式重點突破，我國機床工業將取得跨越式發展。
2-2節能動力總成的關鍵零部件綠色制造技術
(1)材料輕量化
用結構陶瓷代替高強度合金制造渦輪增壓發動
機、燃氣輪機和絕熱發動機，可以將發動機的燃燒溫
度從700～800 oC提高到1 000 oC以上，熱效率提高1
倍以上。結構陶瓷密度為鐵的一半，節能效果非常顯
著，同時還能減少環境污染，節約鋼材等金屬材料。
粉末成形技術。金屬或陶瓷粉末注射成形技術結
合了注塑工藝和粉末冶金技術的優點，是新興的凈成
形制造技術，可以大批量、經濟高效地生產三維復雜
形狀的零部件。粉末注射成形關鍵汽車零部件在歐美
汽車工業界已經廣泛應用，包括渦輪增壓器轉子、導
向葉片、同步環等。
粉末鍛造連桿技術。粉末鍛造連桿屬于輕量化連
桿，連桿質量精度可達1％ ，而鍛造連桿質量精度為
2．5％。與常規機械加工連桿相比，達到經濟批量后
可節約anT費35％。福特公司1 992年粉末鍛造連桿
已達1 000萬件。
(2)結構輕量化
發達國家普遍采用裝配式凸輪軸制造技術。凸輪
軸是發動機的高速旋轉部件，減輕其質量可以明顯降
低發動機的油耗。裝配式凸輪軸可以將質量減輕30％
左右，同時在性能和使用壽命上也比鑄造或鍛造的整
體式凸輪軸要高。經過20年的發展，裝配式凸輪軸已
經被大批量應用到各類發動機上，并逐漸取代整體式
凸輪軸。目前，全球每年的車用凸輪軸產量超過1 5
億根，其中裝配式凸輪軸約~-20％ ，全部為國外企業
制造。我國的凸輪軸產量約1億根／年，大部分為整體
式凸輪軸。現在，在華的合資企業已經部分采用裝配
式凸輪軸，國內自主品牌轎車發動機凸輪軸也勢必采
用裝配式凸輪軸制造技術，但問題是其成套制造裝備
目前只能全部進口。
內高壓成形技術。歐、美、日空心輕體件占新
型轎車結構件比例已較高。2004年，美、歐內高壓
成形產值各約1 00億美元。截至2006年底，歐洲約有
120條內高壓成形線，北美約有1O0條線。預計國內
近年至少需要50條，2020年前需要1 50～200條。進
口一條線價格高達1億元。
2．3精密成形技術
精密成形技術是綠色制造的核心技術。我國汽
車綠色制造技術與世界差距巨大。我們制造零部件
主要采用切削加工方式，歐、美、日主要采用直接
成形方式。美國汽車產量達到1 1 00萬輛時擁有自
動鍛造線5 000條，我國目前只有20～30條。如，
歐、美、日汽車后橋齒輪已經完成了從切削向近凈
成形(冷熱溫鍛)的過渡。我國如果采用這項綠色
制造技術， 即可節約鋼材十幾萬噸，節電十幾萬千
瓦·時，減少CO，排放幾十萬噸，而我國現在正處
于典型的高耗能、高耗材、高污染的“三高” 制造
模式制造技術的初級階段。
轎車重要零件毛坯一直應用鍛件。2009年我
國汽車鍛件產量368萬t，模鍛件479萬t。隨著汽
車的大發展，我國汽車鍛件產量有可能達到1 700
萬t(世界其他國家汽車鍛件產量的總和)。但從
質量上看，我國的汽車鍛件水平與世界鍛造大國德
國和日本還有著相當大的差距，與法國、意大利、
韓國和我國的臺灣地區也不在一個層次上。目前，
世界其他主要鍛造國使用的鍛造設備基本為熱模鍛
壓力機和電液錘，而我國大部分鍛造企業還在使用
摩擦螺旋壓力機。
冷精鍛(冷擠壓)技術。美國每年生產冷擠壓件
1O0萬件以上，80％ 為汽車零件。豐田1．8 L排氣量轎
車中已有43 kg冷擠壓件，還有35 kg冷擠壓標準件。
201 2年第4期 汽 車 工 藝 與 材 料 AT&amp;amp;M Il 43
I
生．± 產 強瑣 場餳。 ’
TD覆層處理技術
在汽車縱梁成形模上的應用
摘要：TD覆層處理是在一定的處理溫度下將金屬工件置于硼砂熔鹽及其特種介質中，通過特
種熔鹽中的金屬原子和工件中的碳原子產生化學反應，擴散在工件表面而形成一層5～2O u m的
釩、鈮、鉻、鈦等金屬碳化層。本文敘述TTD覆層處理技術工藝流程，分析了成形類模具表面拉
毛產生機理及解決方法，并結合TD覆層處理技術在汽車縱梁模具上的成功應用介紹了該技術產生
的實際效果和經濟價值，以及該技術的工藝條件和后期模具維護保養注意事項。
關鍵詞：TD覆層處理技術模具拉毛縱梁
中圖分類號：TG76 文獻標識碼：B
日本豐田中央研究所于20世紀7O年代開發出TD
覆層處理技術，并將其成功用于汽車模具之中。該技
術的應用大大提升了汽車模具的質量，加速了汽車模
具的發展。
1 TD覆層處理的工藝流程
TD覆層處理的工藝流程為尺寸測量一打磨拋光
一脫脂處理一工件預熱一TD覆層一淬火一回火一清
理拋光一檢驗。具體做法是，將預處理的工件置于含
溫精鍛生產線或制造單元。溫鍛技術應用范圍廣
泛。我國近年精密溫熱鍛件總產量不足1 0萬t，與德
國、日本等國家熱、溫、冷鍛件質量1；I：；60：20：20
的發展水平差距明顯，許多在中國設廠的外資企業的
■ 東風汽車有限公司商用車車身廠 李兵
有碳化物形成元素如釩、鈮、鉻高溫鹽浴中，溫度保
持在850～1 050。C，處理1～8 h。~La,-J，基體中所
含的碳(主要指奧氏體中的固溶碳)會往外擴散至表
面，與鹽浴中的碳化物形成元素結合為碳化物。表面
形成碳化物后，產生內外碳濃度的梯度。隨著覆層過
程的進行，碳不斷向外擴散，使覆層加厚。
2 TD覆層處理技術的優勢
實踐證明，TD覆層處理技術是目前避免沖壓成
高附加值關鍵零部件靠進口。在未來5年左右，國內
需要溫鍛壓力機約5O余臺套，由于中國目前還不掌握
溫鍛壓力機設計制造技術，沒有國內制造企業參與市
場競爭，完全依賴進口。 圃
44 I汽車T藝與材料AT&amp;amp;M 2O1 2年第4期

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