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节能汽车的绿色汽车制造技术

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上一篇：汽车技术性能状况的检测

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节能汽车的绿色汽车制造技术
摘要：我国汽车产量2020年可能达到3 500万～4 000万辆。能否从汽车大国转变为强国，不
仅关系到汽车产业，也关系到我国国民经济的可持续发展。由汽车大国转变为强国必要条件之一是
应对世界汽车的绿色革命，用绿色制造技术制造绿色汽车(新能源和节能汽车)。这不仅关系到我
国汽车产业的持续发展，而且关系到国家的可持续发展。
关键词：绿色制造技术 节能汽车
中图分类号：U46 文献标识码：A
1节能汽车的两大关键领域
1．1节能动力总成技术
(1)柴油机高压共轨技术
柴油机比汽油机节约燃料1／3以上，但传统的机
械控制式柴油机排放差，振动、噪声大。柴油机电控
共轨燃油系统应用于柴油机之后，大大降低了其振
动、噪声，同时也提高了排放和节能水平。由于其节
能、环保的优势，发展速度惊人，成为汽车工业的一
次革命性突破。全球商用车几乎都是柴油车，欧洲轿
车的50％ 为柴油车。鉴于电控共轨系统的使用范围除
了汽车外，还包括各类军车、舰船、农机，长期市场
需求将达到1 O00万套以上，因而制造系统的设计、
装备逐渐国产化是非常关键的。
(2)汽油发动机涡轮增压+缸内直喷(GTDI)
技术
由于我国柴油资源非常匮乏，在相当长的时
期内汽油机仍然是最主要的乘用车动力， 占中国
一 机械科学研究院陈长年(顾问)
轿车市场的95％ 以上。目前，乘用车普遍应用
进气道喷射自然吸气式汽油机， 耗油较柴油机高
20％ ～30％ ，因而汽油机的节能技术是我国汽车绿
色动力最重要的技术路线。
汽油机采用涡轮增压直喷技术，可以在动力性
不变的前提下缩小排量，大幅度提高汽油机的经济
性，降低CO 排放，是目前乘用车节能和CO 减排的
最有效技术措施。相同功率的汽油机，涡轮增压直
喷汽油机的排量可比传统自然吸气发动机排量减小
18％ ～35％ ，燃油经济性可提高10％ ～35％。按2009
年中国乘用车销量为1 ooo万辆左右及目前平均每辆
车油耗8 L_／1 00 km、co2排放1 80 g／km、每辆车平均
每年行驶1．8万km计算，如果中国的乘用车全部采用
涡轮增压直喷汽油机，油耗降低20％ ，每年能节省
燃~$30(LL，减少CO 排放650~-t，相当于1 000万亩
森林1年的CO，净吸收量。由于汽油机涡轮增压直喷
技术在减小排量、降低油耗和CO，减排方面的巨大优
势，全球各大汽车公司掀起了汽油机增压直喷的热
201 2年第4期 汽车T艺与材料 AT&amp;amp;M l 41
±生． 严产 搬琐 l扬 。
潮，乘用车发动机增压直喷化呈明显上升趋势。有人
预计，全球涡轮增压普及率将从2009年的21％ 增长
~]2020年的67％ 。有关专家预测，未来5～10年，我
国GDTI系统的市场需求量将达到数百万套，对微纳
级精密制造装备的需求有数以百亿元之巨。
(3)自动变速器
自动变速器是汽车五大关键总成中第二大关键总
成，我国严重依赖进口，自主品牌汽车的自动变速器
装车率非常低，自动变速器产业落后。造成这一现状
的主要原因是自动变速器的关键零部件由跨国公司垄
断和主导，以及其关键零部件制造技术与装备落后。
配置自动变速器已经成为国际汽车发展的重要趋
势。欧洲自动挡汽车已超过50％ ， 日、韩已达80％
以上，北美甚至超过90％ ，但我国很多品牌汽车根
本采购不到自动变速器，只能依靠进口产品，造成
目前我国自动挡乘用车占有率不到30％。如2009
年我国乘用车销售1 033．1 3万辆，自动挡乘用车仅
占28．4％。据预测，201 5年我国乘用车产销将超过
2 000万辆(自主品牌将接近60％ )，如果自动变速器
装车率达~rJ45％ ，将需要自动变速器超过900万台， 自
主品牌产品将需求500~-台以上。据测算，建造一个
年产1 0万台自动变速器工厂，关键零部件制造装备
的投资约需3亿元，也就是说~1J201 5年， 自主品牌自
动变速器企业的关键零部件制造装备需求在1 50亿元
(500／10 X 3(L元)以上。
1_2节能车身技术
(1)铝合金车身技术
铝质零件减重效果可达30％ ～40％。每使用1 kg
铝，可使轿车寿命期减少20 kgj=-=-~气排放。目前，几
乎所有北美、欧洲及日本的著名汽车制造商都在新车
型上尽可能利用铝合金材料。1 999年，奥迪公司推
出的A2车型，与相当的钢质车型相比，减重43％ ；
后来出现的A8，通过激光焊和铆接的方法把铝合金
钣金件连接到铝合金空间框架上，减重近50％。在
福特公司为纪念成立1 00周年生产的Ford GT纪念车
上，采用了全铝结构车身，而几乎所有的覆盖件都是
采用超塑性成形技术生产的。在欧洲，每辆轿车的轻
合金用量已超过120 kg， 占轿车自重的1O％ ，在某
些结构部位呈现出以铝代钢的趋势。用铝合金板材代
替钢板制造汽车覆盖件已是当前汽车行业的重要发展
趋势之一。我国目前每辆汽车铝合金精密塑性成形零
件更少，只有国外的1／3。关键技术和设备均需要进
口，受制于人，已成为制约我国汽车制造技术发展的
瓶颈之一。
(2)复合材料车身技术
美国和欧洲汽车工业已经成为复合材料最大的用
户，2000年美国汽车零件的复合材料用量达14．8万t，
欧洲汽车复合材料用量~f]2003年达1 0 5万t，发展潜
力巨大。目前，美、日、欧汽车零件的复合材料应用
发展十分迅速。
选用碳纤维复合材料制作结构件、覆盖件，可减
轻质量达30％左右。随着碳纤维价格的不断降低，
使用碳纤维复合材料的车型不断涌现(尤其适合小批
量、多品种车型)，很多汽车制造厂商生产的高档、
豪华轿车(如奔驰、宝马、奥迪、福特、大众、本
田、日产等)几乎都开始试应用或已经采用了各种碳
纤维复合材料。福特公司2007年所做的研究证明了
碳纤维复合材料可以将零部件种类减为原来的8％ ，
加工费用相对钢材降低60％ ，粘结费用相对焊接减少
25％～40％ ，而且具有极好的韧性和抗冲撞性能， 目
前已开始批量用于汽车等领域，如盘式制动器衬片、
离合器面片等，并有望大规模应用。
2节能动力总成技术的绿色制造技术
2．1微纳制造技术和微纳级精密制造装备
20世纪末汽车产业进入汽车电子时代— — 第三
次汽车制造技术革命，最重要的汽车零部件都属于汽
车电子零部件，是复杂、精密、小型的微机械，需求
微纳制造技术和微纳级精密制造装备。
其中，电控发动机喷油器制造技术是最难突破的
“硬骨头”。
而柴油高压共轨喷油器的精密加工最具代表
42 J汽车T艺与材料AT&amp;amp;M 201 2年第4期
生 产 琐 强
性。为保证其极高密封性和滑动性， 配合间隙3
u m左右，孔和轴零件圆柱度1 u m，表面粗糙度
R 0．05 u m，密封锥面圆度0．5 u m ，对制造装备
的基本要求是采用微纳级复合加工中心、复合数控
车床、数控磨床、珩磨机、数控电加工机床，以及
精密装配和检测装备等。电控共轨喷油系统制造装
备、汽油机缸内直喷系统制造装备代表了汽车电
子零部件要求的成套精密数控机床，如实现集群
式重点突破，我国机床工业将取得跨越式发展。
2-2节能动力总成的关键零部件绿色制造技术
(1)材料轻量化
用结构陶瓷代替高强度合金制造涡轮增压发动
机、燃气轮机和绝热发动机，可以将发动机的燃烧温
度从700～800 oC提高到1 000 oC以上，热效率提高1
倍以上。结构陶瓷密度为铁的一半，节能效果非常显
著，同时还能减少环境污染，节约钢材等金属材料。
粉末成形技术。金属或陶瓷粉末注射成形技术结
合了注塑工艺和粉末冶金技术的优点，是新兴的净成
形制造技术，可以大批量、经济高效地生产三维复杂
形状的零部件。粉末注射成形关键汽车零部件在欧美
汽车工业界已经广泛应用，包括涡轮增压器转子、导
向叶片、同步环等。
粉末锻造连杆技术。粉末锻造连杆属于轻量化连
杆，连杆质量精度可达1％ ，而锻造连杆质量精度为
2．5％。与常规机械加工连杆相比，达到经济批量后
可节约anT费35％。福特公司1 992年粉末锻造连杆
已达1 000万件。
(2)结构轻量化
发达国家普遍采用装配式凸轮轴制造技术。凸轮
轴是发动机的高速旋转部件，减轻其质量可以明显降
低发动机的油耗。装配式凸轮轴可以将质量减轻30％
左右，同时在性能和使用寿命上也比铸造或锻造的整
体式凸轮轴要高。经过20年的发展，装配式凸轮轴已
经被大批量应用到各类发动机上，并逐渐取代整体式
凸轮轴。目前，全球每年的车用凸轮轴产量超过1 5
亿根，其中装配式凸轮轴约~-20％ ，全部为国外企业
制造。我国的凸轮轴产量约1亿根／年，大部分为整体
式凸轮轴。现在，在华的合资企业已经部分采用装配
式凸轮轴，国内自主品牌轿车发动机凸轮轴也势必采
用装配式凸轮轴制造技术，但问题是其成套制造装备
目前只能全部进口。
内高压成形技术。欧、美、日空心轻体件占新
型轿车结构件比例已较高。2004年，美、欧内高压
成形产值各约1 00亿美元。截至2006年底，欧洲约有
120条内高压成形线，北美约有1O0条线。预计国内
近年至少需要50条，2020年前需要1 50～200条。进
口一条线价格高达1亿元。
2．3精密成形技术
精密成形技术是绿色制造的核心技术。我国汽
车绿色制造技术与世界差距巨大。我们制造零部件
主要采用切削加工方式，欧、美、日主要采用直接
成形方式。美国汽车产量达到1 1 00万辆时拥有自
动锻造线5 000条，我国目前只有20～30条。如，
欧、美、日汽车后桥齿轮已经完成了从切削向近净
成形(冷热温锻)的过渡。我国如果采用这项绿色
制造技术， 即可节约钢材十几万吨，节电十几万千
瓦·时，减少CO，排放几十万吨，而我国现在正处
于典型的高耗能、高耗材、高污染的“三高” 制造
模式制造技术的初级阶段。
轿车重要零件毛坯一直应用锻件。2009年我
国汽车锻件产量368万t，模锻件479万t。随着汽
车的大发展，我国汽车锻件产量有可能达到1 700
万t(世界其他国家汽车锻件产量的总和)。但从
质量上看，我国的汽车锻件水平与世界锻造大国德
国和日本还有着相当大的差距，与法国、意大利、
韩国和我国的台湾地区也不在一个层次上。目前，
世界其他主要锻造国使用的锻造设备基本为热模锻
压力机和电液锤，而我国大部分锻造企业还在使用
摩擦螺旋压力机。
冷精锻(冷挤压)技术。美国每年生产冷挤压件
1O0万件以上，80％ 为汽车零件。丰田1．8 L排气量轿
车中已有43 kg冷挤压件，还有35 kg冷挤压标准件。
201 2年第4期 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&amp;amp;M Il 43
I
生．± 产 强琐 场饧。 ’
TD覆层处理技术
在汽车纵梁成形模上的应用
摘要：TD覆层处理是在一定的处理温度下将金属工件置于硼砂熔盐及其特种介质中，通过特
种熔盐中的金属原子和工件中的碳原子产生化学反应，扩散在工件表面而形成一层5～2O u m的
钒、铌、铬、钛等金属碳化层。本文叙述TTD覆层处理技术工艺流程，分析了成形类模具表面拉
毛产生机理及解决方法，并结合TD覆层处理技术在汽车纵梁模具上的成功应用介绍了该技术产生
的实际效果和经济价值，以及该技术的工艺条件和后期模具维护保养注意事项。
关键词：TD覆层处理技术模具拉毛纵梁
中图分类号：TG76 文献标识码：B
日本丰田中央研究所于20世纪7O年代开发出TD
覆层处理技术，并将其成功用于汽车模具之中。该技
术的应用大大提升了汽车模具的质量，加速了汽车模
具的发展。
1 TD覆层处理的工艺流程
TD覆层处理的工艺流程为尺寸测量一打磨抛光
一脱脂处理一工件预热一TD覆层一淬火一回火一清
理抛光一检验。具体做法是，将预处理的工件置于含
温精锻生产线或制造单元。温锻技术应用范围广
泛。我国近年精密温热锻件总产量不足1 0万t，与德
国、日本等国家热、温、冷锻件质量1；I：；60：20：20
的发展水平差距明显，许多在中国设厂的外资企业的
■ 东风汽车有限公司商用车车身厂 李兵
有碳化物形成元素如钒、铌、铬高温盐浴中，温度保
持在850～1 050。C，处理1～8 h。~La,-J，基体中所
含的碳(主要指奥氏体中的固溶碳)会往外扩散至表
面，与盐浴中的碳化物形成元素结合为碳化物。表面
形成碳化物后，产生内外碳浓度的梯度。随着覆层过
程的进行，碳不断向外扩散，使覆层加厚。
2 TD覆层处理技术的优势
实践证明，TD覆层处理技术是目前避免冲压成
高附加值关键零部件靠进口。在未来5年左右，国内
需要温锻压力机约5O余台套，由于中国目前还不掌握
温锻压力机设计制造技术，没有国内制造企业参与市
场竞争，完全依赖进口。 圃
44 I汽车T艺与材料AT&amp;amp;M 2O1 2年第4期

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