汽车自适应巡航控制系统的发展_张景波概要

第一篇：汽车自适应巡航控制系统的发展_张景波概要

收稿日期:20020815 基金项目:福特-中国研究与发展基金(50122148 作者简介:张景波(1975-, 男, 博士研究生, 研究方向为汽车自适应巡航控制系统.文章编号:10094687(2003 02004406汽车自适应巡航控制系统的发展 张景波, 刘昭度, 齐志权, 马岳峰

(北京理工大学汽车动力性及排放测试国家专业实验室, 北京 100081 摘 要:详细叙述了汽车自适应巡航控制系统ACC 的组成、工作原理、所需要的关键技

术和存在的问题.介绍了近年来该系统在国内外所取得的成果, 对ACC 系统的未来发展

进行了预测.关键词:汽车;ACC;发展 中图分类号:U 467 文献标识码:A 1 ACC 的组成与原理

自适应巡航控制系统ACC(Adaptive Cruise Control 是一种构想于20世纪70年代末期的汽车安全性辅助驾驶系统[1].它将汽车自动巡航控制系统CCS(Cruise Control System 和车辆前向撞击报警系统FCWS(Forw ard Collision Warning System 有机地结合起来[2] , 既有自动巡航功能, 又有防止前向撞击功能.由于当时传感器技术、信号处理技术、汽车电子技术以及交通设施等方面的因素阻碍了ACC 的发展, 直到20世纪90年代中期, 随着各项技术的进步和对汽车行驶安全性要求的提高[1, 2], 特别是对

有效地防止追尾碰撞要求的不断提高, 才使得ACC 迅速发展起来.ACC 系统共有4种典型的操作, 如图1所示

.图1 ACC 的典型操作 2003年第2期

车辆与动力技术V ehicle &Pow er T echnolog y 总第90期

驾驶员可通过设置在仪表盘上的人机交互界面(MM I 启动或清除自适应巡航控制系统ACC.启动ACC 系统时, 要设定主车在巡航状态下的车速和与目标车辆间的安全距离, 否则ACC 系统将自动设置为默认值, 但所设定的安全距离不可小于设定车速下交通法规所规定的安全距离.当主车前方无行驶车辆时, 主车将处于普通的巡航行驶状态, ACC 系统按照设定的行驶车速对车辆进行匀速控制.当主车前方有目标车辆, 且目标车辆的行驶速度小于主车的行驶速度时, ACC 系统将控制主车进行减速, 确保两车间的距离为所设定的安全距离.当ACC 系统将主车减速至理想的目标值之后采用跟随控制, 与目标车辆以相同的速度行驶.当前方的目标车辆发生移线, 或主车移线行驶使得主车前方又无行驶车辆时, ACC 系统将对主车进行加速控制, 使主车恢复至设定的行驶速度.在恢复行驶速度后, ACC 系统又转入对主车的匀速控制.当驾驶员参与车辆驾驶后, ACC 系统将自动退出对车辆的控制.ACC 系统的基本组成如图2所示.雷达用以探测主车前方的目标车辆, 并向ACC

ECU 图2 ACC 系统的基本组成

提供主车与目标车辆间的相对速度、相对距

离、相对方位角度等信息.ACC ECU 根据 驾驶员所设定的安全车距及巡航行驶速度, 结合雷达传送来的信息确定主车的行驶状 态.当两车间的距离小于设定的安全距离 时, ACC ECU 计算实际车距和安全车距之 比及相对速度的大小, 选择减速方式;同时 通过报警器向驾驶员发出警报, 提醒驾驶员 采取相应的措施.2 国外发展状况 美国的伊顿(EATON 公司自1971年就

一直从事这方面产品的开发和研制.EATON VORAD-300是伊顿公司最新一代的产品, 它采用241725GHz 单脉冲雷达, 可同时探测到主车正前方120m, 左右偏移8b 范围内的24个目标车辆, 以距离主车最近的车辆作为主目标, 当两车距离小于驾驶员所设定的距离时, 该系统向驾驶员发出警报.这一系统只具有车辆间的距离监测和报警功能, 无法实现对车辆速度的控制.三菱公司研制开发的PDC(Preview Distance Control 系统是具有现代概念的最早的ACC 系统雏形.它将扫描式雷达及其处理器同车辆的巡航控制系统结合在一起, 当预测出两车间距离过近时向驾驶员给出警告提示, 同时通过控制节气门开度调整发动机的输出功率, 并按需要进行自动换档、减速.丰田、本田、通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒、Bosch、Continen-tal Teves 等各大汽车和零部件生产商及研究机构延续了三菱公司基于汽车巡航控制系统CCS 来开发研制ACC 系统的设计思想, 使之成为当前ACC 系统研制、开发的主流.Bosch 公司开发的ACC 系统包括雷达、转向传感器、执行机构和显示单元.ACC 系统包括原有的车辆控制ECU 以及位于车辆前端的传感器和控制装置SCU(Sensor and Control U , #45# 第2期 张景波等:汽车自适应巡航控制系统的发展

控ECU 相连.用于车辆动力性控制系统VDC(Vehicle Dynam ics Control 的转向传感器可以帮助车辆预知其行驶路线.M MI(Hum an-Machine-Interface 是ACC 系统与驾驶员交互的媒介, 包括操作开关、状态显示器、加速踏板、刹车踏板等.驾驶员通过M MI 可启动、关闭ACC, 设定行驶速度及安全车距.近年来, 德国的大陆特威斯公司(Continental T eves 致力于汽车安全行驶的全方位研究和产品开发.该公司开发出采用微波雷达技术和红外传感技术两类ACC 产品, 可探测出前方150m 范围内的目标车辆与主车间的车距和相对速度, 在自动进行安全车距控制时, 发动机和传动系工作稳定, 乘坐舒适.为了进一步提高ACC 系统的性能, 该公司还提供了与能见度相关的车速推算系统, 以及为缩短制动系反应时间的电子辅助制动助力装置.目前大陆公司的产品广泛地应用在各大著名汽车公司的高档轿车上.Jaguar 公司1999年和2000年分别推出了装备ACC 系统的XK180轿车和XKR 轿车, 标志着ACC 系统作为一种驾驶员安全性辅助驾驶系统进入了商品化阶段.此后, 戴姆勒-克莱斯勒公司推出的CL600轿车、S600轿车, 通用汽车公司2001年推出的Cadillac Viz n 轿车都配备了ACC 系统.当前, 配备ACC 系统已经成为高档豪华轿车的一个标志.图3 大气衰减系数与频率关系图各生产商在加紧开发ACC 系统的同时, 也在加紧对车用雷达系统的开发.车用微波 雷达系统同以往的民用雷达及倒车用雷达相 比, 最显著之处在于它的使用频率.当前车 用微波雷达的使用频率为241725GHz、6015GH z 和7615GH z.之所以使用这3个 频率是由微波在大气中传播的衰减特性决定 的, 其特性如图3所示.在241725GH z 频 率处, 由于大气中水分子对这一频率微波的 吸收作用, 使得在此处产生一个衰减尖峰.在6015GHz 处, 由于氧气分子的吸收作用

也产生一个衰减尖峰, 7615GH z 大大超过了无线通讯使用的频率, 因而它们和无线通讯不冲突, 不影响现有正常的无线通讯.6015GHz 雷达信号在大气中传播衰减系数为15dB/km , 而在7615GHz 大约为014dB/km, 这样在雷达信号传播到稍微远些的地方就会迅速衰减.近年来, 新开发的雷达系统多使用频率为7615GHz [3, 4]的单脉冲雷达.单脉冲雷达具有精度高、数据输出稳定等特点, 而且还可通过编码来分辨不同车辆的雷达, 确保接受信号的正确性.3 国内研究状况

我国一些高等院校正对ACC 技术的发展进行跟踪研究.北京理工大学车辆学院、清华大学汽车技术研究所等多家科研机构正在从事ACC 技术或相关技术的研制开发工作, 并取得了阶段性的进展.北京理工大学针对当前ACC 系统多是基于CCS 系统开发, 对车辆速度的调节主要是通过控制节气门开度和自动换档来实现, 提出了将ACC 系统与车辆制动和防滑控制系统ABS/#46#车辆与动力技术2003年

用ABS/ASR 系统的硬件设施, 只需在ABS/ASR 集成系统的硬件结构基础上添加一个雷达探测系统, 再将ACC 系统控制程序与ABS/ASR 控制流程相融合, 实现ACC 与ABS/ASR 系统的信息共享.这种设计方案使ACC 系统直接同车辆上的制动系统相关联, 在对车辆进行速度调节时, 不但可以利用节气门、自动变速器, 还可以直接利用制动系统.当主车与目标车辆间的距离小于安全距离时, ABS/ASR/ACC 集成化系统可通过减小节气门开度、自动降低档位的方法调节车速, 还可在必要时

自动增加对车轮的制动力矩来实现快速调速, 从而为驾驶员提供更加充足的第一反映时间.清华大学所做的汽车主动安全性的研究, 将ACC 技术融合其中, 不但可以实现自动调整与目标车辆间的距离, 而且还可以实现障碍主动避让, 从而进一步提高车辆行驶的安全性能.4 ACC 的关键技术 雷达的性能.雷达的功用是测知相对车距、相对车速、相对方位角等信息, 其性能的优劣直接关系到ACC 系统性能的好坏.当前应用到ACC 系统上的雷达主要有单脉冲雷达、微波雷达、激光雷达以及红外探测雷达等.单脉冲雷达和微波雷达是全天候雷达, 可以适用各种天气情况, 具有探测距离远、探测角度范围大、跟踪目标多等优点.激光雷达对工作环境的要求较高, 对天气变化比较敏感, 在雨雪天、风沙天等恶劣天气探测效果不理想[5], 探测范围有限, 跟踪目标较少, 但其最大的优点在于探测精度比较高, 价格低, 易于控制和进行二次开发.红外线探测在恶劣天气条件下性能不稳定, 探测距离较短, 但价格便宜.无论使用何种类型的雷达, 确保雷达信号的实时性处理是要首先考虑的问题.随着汽车电子技术的迅速发展, 现在大都利用DSP 技术来处理雷达信号, 应用CAN 总线输出雷达信号.2 目标车辆的识别和跟踪.雷达只能将它所探测到的物体信息传递给ACC ECU , ECU 要根据传来的信息进行识别, 从中确定一主目标用做ACC 控制中的参照物, 依据两者间的相对运动及距离控制主车的行驶速度.主目标是可变的, 不同厂商开发的ACC 系统对主目标的选取模式是不同的, 一般ACC 系统将与主车间距离最近的车辆视为主目标, 而有些系统则将与主车位于同一车道上距离最近的车辆视为主目标.ACC 系统不但要确定主目标, 而且还应该能够对其进行跟踪, 无论是弯道还是上下坡道都要保证主目标的一致性, 以减少系统的误报率.对主目标进行跟踪的另外一个好处就是可以根据主目标的运行情况来预测出主车在未来时间内运行状态.例如, 主车现沿直道行驶而此时主目标车辆已进入弯道, 由于ACC 系统可对主目标进行跟踪, 故不会将正前方的护栏或旁车道上的车辆视为主目标, 从而避免了误报的产生;同时主车根据主目标的运行轨迹判断出前方是弯道路况, 可以使主车提前做好减速转向的准备.当前ACC 系统对目标的识别判定技术上已经有了很大进展, 但对主目标的跟踪以及ACC 系统与习惯性驾驶之间的矛盾[6~8]等问题还有待解决.5 ACC 当前存在的问题, #47# 第2期 张景波等:汽车自适应巡航控制系统的发展

车辆的主动制动.由于车辆在道路中行驶状况十分复杂, 使ACC 系统对主目标的识别十分困难, 误报率很高.当前为了解决这一问题所采取的措施包括在车辆前部加装一个红外成像系统, 将所成的平面图像提供给驾驶员进行参考以及记录车辆在每一时刻相对于主车的位置, 对车辆进行实时跟踪、预测.现在对目标车辆的跟踪研究还只局限于一维的水平上.ACC 通过雷达只能进行水平方向上的弯道跟踪或竖直方向上的上、下坡道跟踪.日本丰田公司开发的ACC 系统, 通过将激光雷达扫描回来的图像在竖直方向上进行分割, 初步实现了对目标车辆上下坡道的判别与跟踪[9~11].Bosch 公司正在研制的ACC 系统, 利用微波雷达来探测、记录目标车辆的位置, 再利用这些位置信息分析和判断目标车辆的行驶路线, 目前这项研究还只限于对水平弯道的识别.虽然这两项研究取得了一定的成果, 但离实际应用还有一段距离.ACC 系统对车辆速度的调节主要是通过控制发动机节气门开度和自动降低档位来实现的[12~18].但是由于节气门和换档调节在时间上有一定的滞后, 当主车前方有车辆并入或有其它紧急情况发生时, 这样的速度调节不足以为驾驶员提供充足的第一反应时间, 因此, ACC 系统应该与车辆的制动系统直接相连, 具有主动制动功能.6 ACC 未来的发展趋势 集成化.它有助于降低成本, 增强各系统间的内在联系, 充分利用各种车辆信息, 从而提高系统的稳定性和可靠性.ACC 在发展之初就与CCS 系统结合在一起, 按照ACC 的发展方向, 它还会同ABS、ASR 以及发动机控制器等各种电控系统集成起来[1, 19].走停控制.现在对ACC 系统的研制和开发主要针对的是在高速公路上高速行驶的车辆, 而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用.走停控制正是ACC 系统针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展, 这要求ACC 系统具有更好的近距离探测能力, 更快的信号处理功能, 更迅速的系统反映, 同时还向ACC 系统提出了增加车辆的自动起步功能.这样既使在堵车情况下也无须驾驶员参与, 只需操纵车辆的转向即可[20], 驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来.日本丰田公司在这方面的研究领先一步, 已取得部分成果.3 随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用, 未来的ACC 系统将同其它的汽车电控系统相互融合, 形成智能汽车电子控制系统.驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地, 汽车就会在卫星导航系统的指引下, 借助公路两旁的电子标志牌, 无需人为参与就可安全驶达目的地, 实现完全的自动驾驶功能.参考文献: [1] Winner H, Witte S.A daptiv e Cruise Control System Aspects and Development T rends [C].SA E 961010, U SA , 1996.[2] Say er J R.Intelligent Cruise Control Issues for Consideration [C].SA E 961667, U SA , 1996.[3] Woll J D.60GHz Vehicle Radar for Japan [C].SA E 981948U SA , 1998.[4] Olbrich H, Beez T.A Small, Lig ht Radar Sensor and Control U nit for A daptiv e Cruise Contro l [C].SAE 980607U SA, 1998.[5][M ].,.#48#车辆与动力技术2003年

第2期 [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] [ 10] [ 11] [ 12] [ 13] [ 14] [ 15] [ 16] [ 17] [ 18] [ 19] [ 20] 张景波等 : 汽车自适应巡航控制系统的发展 # 49 # K oziol J S.Safety Evaluation M ethodology for the Intelligent Cr uise Control Field Operatio nal T est [ C].SAE 970457 U SA , 1997.Fancher P , Er vin R, et al.A F ield Operational T est of A daptiv e Cr uise Control: System Operability in N atu ralistic U se [ C].SAE 980852 U SA, 1998.N ajm W G., Silva M P, et al.Safety Benefits Estimation of an Intelligent Cruise Control System Using F ield Operational T est Data [ C].SA E, 1999-01-2950 U SA, 1999.M iy akoshi H, Furui N , et al.Development of A daptive Cruise Control System [ J].T OYOT A T echnical Re view 48(2 , M ar.1999.Osug i K , M iyauchi K, et al.Development of the Scanning L aser Radar for ACC System [ C ].JSAE 9936998 Jap, 1999.F urui N , M iyakoshi H, et al.Development of a Scanning L aser Radar for ACC [ C].SAE, 980615 USA, 1998.Y i K , L ee S, et al.An Investig ation of Intelligent Cruise Control L aws for Passenger V ehicles [ C].Proc Instn M ech Engrs , 215 Part D, D02000, ImechE, 2001, 159-168.Rohr S N , Lind R C, et al.A n Integ rated Approach to Automo tive Safety Systems [ C].SAE, 2000-010346 U SA, 2000.Kuragaki S, K uroda H, et al.An Adaptive Cruise Control U sing Wheel T or que M anagement T echnique [ C].SAE, 980606 U SA, 1998.lijima T , Higashimata A , et al.Development of an A daptive Cruise Contro l System w ith Br ake Actuation [ C].SAE, 2001-01-1353 U SA , 2001.Hoess A, Hosp W, et al.Longitudinal Autonomous V ehicle Control U tilizing Access to Electronic T hrottle Contro l.Automatic T r ansmission and Br akes [ C].SAE, 961009 U SA , 1996.Sommerv ille M , Redmill K , et al.A M ulti-Level A utomotive Speed Control [ C].SA E, 961011 USA, 1996.Higashimata A , Adachi K , et al.Design of a Headw ay Distance Contro l System for ACC [ C].JSAE 20014003 Jap, 2001.Liu Zhaodu, L u Jiang, et al.ABA/ ASR/ A CC System for Cars [ J].Jour nal of Beijing Institute of T echnolo g y, 2001, 10(3 : 326-330.Yi K , Hong J, et al.A vehicle Control Algorithm for Stop-and-Go Cruise Control [ C].Proc Instn M ech Engrs, 215, Part D, D1100, I mechE, 2001, 1099-1114.Development of the Adaptive Cruise Control for Cars ZHANG Jingdu, Q I Zhi quan, MA Yuetechnologies and updat e problems of t he Adapt ive Cruise Control(ACC are elucidated in details.T he development of the ACC in t he re cent y ears and t rends in the fut ure are also described.Key words: car;ACC;development

第二篇：汽车用新材料的研究发展状况概要

汽车用新材料的研究发展状况 1国内外汽车用新材料发展状况 1.1 国外汽车用新材料的发展现状与趋势 当前世界汽车材料技术发展的主要特征如下:(1轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向;(2尽管近阶段钢铁材料仍保持主导地位, 但各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化。主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量将有较大的增长, 铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下降,但载重车的用材变化不如轿车明显;(3轻量化材料技术与汽车产品设计、制造工艺的结合将更为密切, 汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向;(4更重视汽车材料的回收技术;(5电动汽车、代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强。

减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效措施之一。世界铝业协会的报告指出, 汽车的自身质量每减少10%, 燃油的消耗可降低6~ 8%, 根据最新资料,国外汽车自身质量同过去相比减轻了20~ 26%。预计在未来的10 年内, 轿车自身质量还将继续减轻20%。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的开发与应用在汽车的轻量化中将发挥重大作用。可以看出, 尽管钢铁材料在当前仍然占主导地位, 但其份额却在逐年减少, 而铝合金、镁合金、塑料等轻量化材料的用量则呈持续上升的趋势。在最近投产的某些新车型中, 钢铁材料的比例更低, 例如在奥迪A2中, 钢材的比例仅

为34%, 轻质材料则高达52%。国外开发的全铝车身已经在AUDI A8、BMW Z8、FERRARI360等很多车型上使用, 甚至全铝发动机、轮毂都已经开始实际应用。

虽然联邦政府和欧共体有多种与材料有关的研究项目, 但整体上主要还是 体现在墓础研究方而。从汽车行业的应用性研究来讲, 主要依靠企业的自身力量, 这与美国汽车行业的情况很不相同, 后者可从国家得到各种资助。不仅如此, 德国政府在支持、促进和推广新材料在汽车行业的应用以及采用新材料的汽车的生产、销信等方而也没有任何鼓励的政策与措施。虽然从长远战略上说, 汽车采用新材料具有多种重要意义, 但就口前的实际而言, 首要目的是减轻重量、提高效率、降低能耗、减少环境污染。从根木上来讲, 汽车减轻屯量很有好处,既可增加使用面积, 又可节省燃料消耗, 减少环境污染。汽车能耗的70%与汽车重量有关, 如中型轿车的自重每减少100公斤, 每百公里的燃料消耗就可减少0.4公升。此外, 自重减轻对加速和弹性等行驶效率也有积极影响, 同时可使转动和振动

部件的噪音明显降低。试验证明,假如负荷是单轴的或者在结构上可以沿纤维方向伸展的话, 纤维强化的材料明显比金属优越。

近年来, 虽然日本汽车工业由于各种原因而陷于持续的不景气状况之中, 但各汽车厂商从长远利益出发, 仍继续着各种汽车用新材料及其相关伎术的研 究开发, 并取得品些进展。总的来看, 这一领域研究开发的重点主要集中在三个方面。一是大力开发各类“低公害车”所需材料;二是继续发展汽车以铝、塑等代钢技术;三是提高汽车用材料再生利用率。

一、“低公害车”所需材料的发展状况

随着全球环保呼声日益高涨, 电动汽车、甲醇汽车、天然气汽车等不以汽油为动力源的所谓“低公害车”展现出诱人的发展前景。但是, 目前这类汽车离实用化都还相距甚远。其有待解决的主要问题之一就是所需的各种材料技术尚未过关。在被

认为是最理想的“低公害车”的电动汽车的研究中, 目前面临的主要课题仍然是车体的轻量化和蓄电池的高性能化, 而这都与材料技术密切相关。在东京电力公司和日产汽车公司分别开发的高性能电动汽车的概念车 IZA和FEV,为了减轻车休重量, 外板均采用了碳纤维强化塑料,底盘均采用了各种招合金材料。然而, 这两种概念车的开发者一致认为, 对批量生产而言, 采用昂贵的CFRP 材料是不现实的。出路在于能多大程度地采用铝合金材料。比车体轻量化更为重要、也更为复杂的问题是蓄电池的高性能化。在IZA和FEV中采用的是镍镉电池,它是已能实用的各种蓄电池中能量密度高的。但因镉资源很少, 故对大批量生产电动汽车并不合适。据日本通产省估计,全球镉储藏量仅约97万吨, 只能供制造1000万辆电动汽车使用。

二、铝、塑代钢技术发展状况

从80年代起, 主要为了减轻汽车重量以降低耗油量、节约能源、保护环境, 在汽车制造中以铝、塑代钢技术开始发展起来, 但至今仍未出现成热的批量生产车型。其重要原因是以铝、塑代钢并不仅仅意味着材料的替换, 还意味着汽车的设计、加工、装配各个环节都必须进行大幅度的更动, 因而风险很大。目前, 除马自达公司外, 日本各大汽车厂商都还只在少量零部件或特殊车种(如运动车试制中应用铝、塑代钢佼术。

三、汽车用材料再生利用发展状况

为了节省资源、保护环境, 日本于1992年10月开始实施“关于促进再生资源利用的法律”。汽车是该法律适用对象之一, 要求制造商在设计阶段就对再生利用作出评价, 并从材料、结构、拆分等各方面进行积极研究。该法实施以来, 日本有关汽车用材料再生利用的研究进一步受到重视, 取得了一些新进展。丰田、日产、本田等公司均已开始通过各自的销售网来系统地回收在维修中换下的保险杠, 经洗净、粉碎后, 加工成货物周转箱(丰田、通风管迸(日产、换气口(本田等等重新加以利用。为了进一步提高由高级聚丙烯材料制成的保险杠的再生利用率, 各汽车公司正在加紧研究能完全消除旧保险杠表面油漆的影响, 从而用旧材料制造新保险杠的有关技术, 升已取得阶段性成果。如日产公司的“有机盐系溶剂分解、剥离法”、富士重工

业公司的“微粉碎法”、丰田公司的“加压水分解法”等, 在不远的将来, 即可望获得实际应用。

汽车车身、底盘(含悬挂系统、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应, 是汽车轻量化的重要途径。车身轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前, 节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势,尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。汽车油耗与车重关系密切, 汽车行驶过程中受到空气阻力、轮胎阻力、加速阻力和爬坡阻力等, 其中后面三项均与车身本身的重量成正比, 这直接影响轿车的油耗, 因此, 降低燃油消耗、减少向大气排出CO2 和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减小汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。尤其是当前全球能源缺少的危机之下, 轻量化技术对于未来轿车发展有着巨大的意义。实现轻质车身, 最主要就是大量应用使车身轻量化的

材料, 同时进行车身轻量化的结构设计等。目前, 车身轻量化的主要途径有2条: 效果比较明显的是用轻型材料(如镁、铝、塑料盒复合材料等替代车身骨架

及内、外壁板原有的钢材, 目前已制造出部分产品;另一种有效的方法是通过优化车身结构实现轻量化, 其代表性成果为ULSAB(U ltra L ight Steel Auto Body项目112。

现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外, 还应该满足基本性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。在九十年代以前, 以轿车为例, 其整车质量中, 钢铁占有80%, 铝占3%, 树脂占4%。由于能源价格不断上升, 作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板用量逐年上升, 有色金属材料的用量也在不断增加, 其中, 铝合金材料的应用明显增加, 非金属材料也逐步增加。本文主要就车身轻量化材料的发展做研究。

1.2 国内汽车用材料发展状况分析

我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的。尤其是在/ 七五0至/ 九五0期间, 我国通过合资的方式引进了国外先进的汽车产品技术, 缩短了与发达国家之间的差距。在引进技术的带动下, / 九五0期间/ 轿车新材料技术开发0被列入国家科技攻关计划, 同时在国家863高技术计划新材料领域的支持下, 先后开发出了一批轿车国产化急需的金属材料和非金属材料, 促进了国产汽车材料的技术进步。但是, 同国外相比, 我国汽车工业整体技术水平还比较落后,汽车材料领域的差距更大。主要表现为: 企业开发能力不足, 缺乏创新、竞争能力;技术与管理水平落后, 生产规模小,劳动生产率低, 产品质量差;产品结构不合理, 技术含量低,低档产品过剩, 高端产品依靠进口;汽车行业采用的材料系列与品种繁杂、数量少, 使汽车专用材料的产量难以达到经济规模;汽车材料基础技术研究薄弱, 缺少材料评价技术与体系, 材料技术标准混乱, 基础数据贫乏。从总体上看, 国内汽车材料领域的现状还不能满足我国汽车工业的发展需要。国内汽车工业的迅速发展以及加入WTO, 使我国汽车材料领域面临着前所未有的机遇与挑战。不仅汽车材料的需求量持续增长(预计从现在起到2020年, 年均增长率可达20%以上, 而且对材料的品质提出了更高的要求, 这为我国汽车材料领域的发展创造了十分有利的条件。

2汽车发动机连杆新材料新工艺的应用研究

当今,汽车工业的主体技术正步入转型换代的新时期,轻量化、智能化、节能、安全和环保是重要的发展方向。汽车用材料属于技术含量高、性能指标高、附加值高的三高产品,代表着材料发展的最高水平。

连杆是发动机主要零件之一,是传递动力的重要运动部件,又是发动机的安全件,所以连杆的质量直接影响发动机的使用性能和安全。连杆从结构上看并不复杂,但其精度要求特别高,因此连杆加工工艺比较复杂。传统连杆材料为高强度碳钢和中碳合金钢,如45、40Cr 或40MnB 等,其加工工艺是连杆体和连杆盖分别加工,该工艺对连杆体和连杆盖接合面要求比较高,至少需要3-4 道工序,然后合体加工。连杆新材料主要是高碳钢和粉末冶金,其塑性变形非常小,连杆毛坯整体加工,利用撑断技术,使连杆体和连杆盖分开,断面整齐、变形小,利用断口进行定位,无须再加工。

1.连杆的功用、结构特点及主要技术要求

连杆功用是将活塞的力传给曲轴,变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。连杆的小头随活塞作往复运动,大头随曲轴作回转运动,杆身在大小头运动的合成下作摆动,所以,连杆除承受周期性变化的气体冲击外,还要承受较大的惯性力。这就要求连杆耐疲劳、抗冲击,并具有足够的强度、刚度及较好的韧性。由于发动机的结构不同,连杆结构略有差异,但基本上都由活塞销孔端(小头端,曲轴销孔端(大头端及杆身三部分组成(如图1 所示。大头与曲轴的连杆轴颈相连,一般做成分开式,即连杆体大头和连杆盖连杆杆身和盖用螺栓连接。小头用来安装活塞销,以连接活塞。杆身常做成“工”字形断面。连杆大小头端的高度根据结构的不同,有等高和不等高两种,在V 型发动机中,为了使结构紧凑,连杆经常采用不等高结构。

图1 连杆结构

现代的高性能发动机对连杆的要求是重量轻、强度高、刚度好、惯性力小且尽量采用强化工艺,其发展趋势是采用短连杆结构。发动机运动部件重量的减轻有助

于降低能耗和噪声,可以改善发动机的排放。对短连杆的需求是因为发动机正朝着体积小和功率大的方向发展。连杆机械加工的主要技术要求见表一

表一连杆机械加工的主要技术要求

2.连杆材料及毛坯汽车发动机连杆材料及其选择标准

连杆在工作中承受多向的交变载荷,要求有很高的强度,因此毛坯大都采用高强度碳钢和中碳合金钢模锻而成。近年来,由于在连杆加工中所采用得撑断新工艺和粉末冶金技术的发展,高碳钢、可锻铸铁和粉末冶金材料也被广泛应用。特别是粉末冶金锻造工艺的应用使粉末冶金件的密度和强度都大大提高,其密度可达7.8 克/厘米3,抗拉强度可达140~240 公斤/毫米2。粉末冶金零件毛坯的尺寸精度高,可以减少机械加工量和材料浪费,从而能降低成本。另外,一些具有新型组成或微观结构的材料,如复合材料、铝纤维增强合金材料等也有应用。连杆的毛坯形式有两种,一种是体、盖分开锻造,另一种是先将体、盖锻成一体,在加工过程中再切开后一种具有材料损耗少,锻造工时少等优点,故其应用愈来愈多,成为一种主要的毛坯形式。为

了保证连杆的质量和加工精度,各厂对连杆毛坯都有较严格的要求,连杆毛坯必须达到一定的技术要求并经过严

外观检查毛坯表面应光洁,非加工表面不允许有凹陷、飞刺及分层,并通过磁力探伤以检查是否有裂纹。此外,我们还要对毛坯的总重量及大小头重量也有严格 的要求，对毛坯重量的公差也有相关规定。3.连杆的机械加工典型工艺路线 连杆形状复杂不易定位和夹紧，其刚性差、容易变形，因此其加工精度较高。3.1.连杆体 检查及验收毛坯→粗磨大小头两平面（半自动双头立轴圆台平面磨床）→钻铰小 头孔及一面倒角（钻铰组合机）→小头孔倒角（立式钻床）→拉半圆、结合面、两侧面及倒角（连续拉床）→拉螺栓座面（20T 双溜板拉床）→拉小头去重面（20T 双溜板拉床）→钻铰连杆体的螺栓孔、铣轴瓦锁口槽、精铣结合面以及钻油道阶 梯孔（13 工位自动线）→清理毛刺→ 清洗并吹净（清洗机）→检查零件。3.2.连杆盖 检查及验收毛坯→拉连杆盖两平面（连续拉床）→拉半圆、结合面、两侧面及倒 角（连续拉床）→拉螺母座面及去重块三面（连续拉床）→ 钻铰螺栓孔、铣轴 瓦锁口槽、精铣结合面（13 工位自动线）→清理毛刺→清洗并吹净（清洗机）→检查零件。3.3.连杆总成 装配连杆体及盖→拧紧连杆螺栓并保证力矩（螺栓拧紧机）→ 精磨大小头两平面（半自动双头立轴圆台平面磨床）→粗镗大头孔（单面卧式金刚镗床）→大头 孔倒角（立式钻床）→半精镗、精镗大小头孔并两面倒角（11 工位镗孔自动线）→清理毛刺→称重、精铣连杆大小端凸台至规定重量（去重平衡铣）→ 中间检 查→清理毛刺→ 零件清洗（清洗机）→珩磨连杆大小头孔（单轴液压珩磨机、珩磨自动线）→零件清洗（清洗机）→复检重量并分组（连杆总成专用秤）→修 磨重量（砂轮机）→去净连杆总成全部毛刺→ 最终检查。4.连杆主要部位的加工工艺分析 4.1.两端平面的加工 连杆加工的首道工序就是加工两端平面。在大小头孔精加工前，往往还要对 此两平面进行精加工。连杆端面加工一般采用磨削工艺。在连杆毛坯锻造时，对 这两端面进行精压，尺寸精度可达±0.15～±0.20mm。精压的目的就是提高毛坯 精度，减少余量，使其不再经过车、铣粗加工就可直接磨削。4.2.体盖分合面及其它平面的加工 连杆除了两端面以外的其它平面，也包括体盖分合面及作定位用的大小头侧 面，以及整体连

杆毛坯的体盖切开和切开后的半圆面，大多在连续式拉床上拉削。4.3.螺栓孔的加工 连杆螺栓孔一般分为定位部分和紧固部分，定位部分为光孔，紧固部分为螺 孔，因此，螺栓孔的尺寸和位置精度要求都比较高。作为定位的光孔，在钻孔后 还要进行铰孔。为了提高尺寸精度，螺栓孔采用枪钻和枪铰加工。在大规模自动 化生产及近年来所建立的自动系统中，组合机床自动线用得越来越多，并且作为 整个综合加工系统的一部分，纳入一条组合自动线中，或成为一条长自动线中的 组合部分。采用组合机床自动线更便于多件多面加工，有利提高生产率。连杆新材料和新工艺已经在国内各大汽车厂（奇瑞/上海大众/上海通用等汽 车厂）新建的发动机厂得到应用；芜湖市的奇瑞汽车有限公司第二发动机厂也建 了一条连杆线，连杆材料为 C70，加工工艺采用最新的激光撑断技术，规划中的 发动机三厂准备用粉末冶金作为连杆材料。