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材料与人类文明进步西安交通大学通识教育核心课程（第讲交通运输材料）汽车中的新材料应用提纲•汽车性能和构造•汽车发动机•汽车车身材料•汽车电器•汽车节油和尾气净化•汽车轮胎汽车主要性能•动力性是汽车主要的使用性能之一。只有汽车的动力性好，才有可能提高平均行车速度，汽车的平均行车速度越高，单位时间内完成的货运周转量（百吨公里、千人公里）越大，运输生产率就越高。•衡量汽车动力性能的指标：最高车速、加速能力、爬坡能力最高车速•汽车的最高车速为汽车在下述条件下能达到的最高车速①最大额定裁荷②发动机全负荷③水平良好的路面④无风，1大气压，气温在18-20度加速能力•汽车加速能力的评价指标为原地起步加速时间和超车加速时间。(1)原地起步加速时间是在良好平直的水泥或沥青路面上，汽车满载、用头档或二档起步，以全油门加速，在发动机最大功率转速时换档，全油门加速到最高档最高车速的80％以上时所用的时间。(2)超车加速时间是指满载、用最高档，从稍高于该档最低稳定车速的某一低车速加速到另一车速所需的时间。爬坡能力•汽车的爬坡能力是指汽车满载、在良好的水泥或沥青路上，各档能爬过的最大坡度或最大坡道角。•在各档最大爬坡度中，最重要的是头档最大爬坡度和直接档的最大爬坡度。(1)头档的最大爬坡度表示汽车的最大通过能力，直接档的最大爬坡度表示汽车不必换入低档的通过能力。(2)直接档的最大爬坡度大，表示在一般坡道上，不必换入低档就可通过，这有利于提高汽车的平均车速并可以减轻驾驶员的疲劳程度。汽车的燃油经济性•汽车的燃油经济性是指汽车以最小的燃油消耗量完成单位运输工作的能力，它是汽车的主要使用性能之一，常用L/100km为单位。•货运企业的燃油经济性考核指标常用L/100t·km为单位，它表示每完成1百吨公里的货物周转量所用燃油的升数。汽车的行驶安全性•汽车的行驶安全性包括主动安全性和被动安全性。主动安全性：是指汽车本身防止或减少公路交通事故的能力。它主要与汽车的制动性、操纵稳定性、驾驶的舒适性、视野和灯光等因素有关，此外，动力性中的超车加速时间短，也对行车安全有利。被动安全性：是指汽车发生车祸后，汽车本身减轻人员受伤和货物受损的能力。汽车的操纵稳定性•在驾驶员不感到过分紧张和疲劳的条件下，汽车按照驾驶员给定方向行驶的能力，以及对各种企图改变其行驶方向的外界干扰的抵抗能力，称为汽车的操纵稳定性。•操纵稳定性不仅影响到汽车能否如意地进行驾驶，而且也是保证汽车高速行驶安全的一个主要性能。•汽车的舒适性包括行驶平顺性、噪声、空气调节和居住性等内容。•汽车的通过性汽车以足够高的平均速度通过不良道路、无路地带和克服障碍的能力。汽车中的材料•以现代轿车用材为例，按照重量换算，钢材占汽车自重的55％～60％，铸铁占5％～12％，有色金属占6％～10％，塑料占8％～12％，橡胶占4％，玻璃占3％，其他材料(油漆、各种液体等)占6％一12％。•汽车材料是指生产汽车，以及汽车在运行过程中所用到的材料。按照用途来分，一般将其划分为汽车工程材料和汽车运行材料。汽车底盘组成传动系统行驶系统转向系统制动系统传动系统的种类和组成传动系统可按能量传递方式的不同，划分为机械传动、液力传动、液压传动、电传动等。轮式汽车:分为非全轮驱动和全轮驱动两种类型。汽车驱动型式一般用符号“n×m”（车轮总数×驱动轮数）表示：4×2—非全轮驱动4×4—全轮驱动轻型越野汽车6×6—中型越野汽车其它型式的车辆如履带式、雪橇式、气垫式、步行机械式车辆等按发动机位置发动机布置和驱动型式示意图发动机前置、前驱（FF）发动机前置、后驱(FR)发动机后置、后驱(RR)发动机前置、全轮驱动优点：附着力大，发动机散热好，离合器，变速器操纵方便，操纵机构简单，维修方便。行李箱内较宽敞。缺点：噪音大，驾驶空间小，影响踏板的布置和乘坐舒适性。传动轴长，增加整车质量，影响传动系统的效率。发动机前置后轮驱动的FＲ（front—rear）方案应用：载货汽车，部分轿车和客车。•如红旗7560、广州标志、伏尔加、日产公爵、丰田皇冠、丰田凌志等。发动机前置后轮驱动(FＲ)发动机前置前轮驱动的FF(front—front)方案•在发动机横向布置时，变速器轴线与驱动桥轴线平行，主减速器可以采用结构、加工都较简单的圆柱斜齿轮副。•汽车整体十分紧凑，前轮为驱动轮，在变速器和驱动桥之间省去了万向节和传动轴。•发动机布置可以横置，也可以纵置。优点：结构十分紧凑，车身底盘高度降低，有助于提高汽车的乘坐舒服性和高速行驶的稳定性。操纵简便，发动机散热条件好。缺点：坡道行驶性能差，如上坡时，重量后移，前驱动轮的附着重量减小，易于打滑。下坡时，重量前移，前轮负荷过重，制动不当易引起车辆颠覆（故货车不用）。前轮既是驱动轮，又是转向轮，需要使用等速万向节7，使结构较为复杂；且前轮的轮胎寿命较短。应用：微型和中型轿车（广泛应用），中高级和高级轿车（应用日渐增多）发动机后置后轮驱动RR（rear—rear）方案•优点：传动系结构紧凑，后轮附着力大，车内噪声低，车厢面积利用率高，驾驶员工作条件好。•缺点：发动机冷却条件差，发动机和离合器、变速器的操纵机构都较复杂、维修调整不便。•应用：大、中型客车，少数轿车和微型汽车。发动机后置后轮驱动RR发动机中置后轮驱动的MR（middle—rear）方案将发动机布置于驾驶室后面的汽车的中部，后轮驱动，有利于实现前、后轴较为理想的轴荷分配，是赛车和部分大、中型客车采用的方案。客车采用这种方案布置时，能得到车厢有效面积的最高利用。发动机中置后轮驱动的MR充分利用所有车轮与地面之间的附着条件，以获得尽可能大的驱动力，提高其通过性。在变速器后要设置分动器，将动力分配给各驱动轮。全轮驱动的nWD（nWheelDrive）方案前桥离合器前桥减速器变速器后传动轴发动机前传动轴分动器后桥减速器后桥•德国宝马（短时四轮驱动）车身材料•A柱是汽车前挡风玻璃与前车门之间的柱子，B柱是前后车门之间的柱子，C柱是后车门和后挡风玻璃之间的柱子。多孔复合钢板•微型不锈钢纤维（长度～1mm，直径小于20μm）作层芯、薄不锈钢板（0.2mm厚）作面板而制成的夹心层合结构，是一种超轻的构造材料,在强度、刚度及延展性方面具有独特的性能；和传统的金属板一样薄和容易成形，比铝更轻，刚性更好，并且材料中空的核心部分使汽车具有出色的减震性、隔音性能和防震的性能。用该材料设计的单片防火墙板替代较厚的橡胶隔离层，可以保护乘客不受发动机舱热量和噪音的影响。车身焊接电极•焊接的方式有多种，目前一般汽车的车身焊接都是用点焊、缝焊、电弧焊等方式。•在汽车制造中，激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，焊接极为牢固，表面焊缝宽度很小，连接间隙实际为零，焊接质量比传统方法高。焊接合格好的焊接质量取决于焊核直径直径应大于或等于Chrysler标准规定的最小值。焊接质量原因分析：电流过大维持时间过长裂纹极端的热量变化将引起表面或焊核产生裂纹无焊接无焊核形成仅仅形成热痕与压痕原因分析：电极头过大电流过小焊接时间短焊核过小焊核直径5.1mm原因分析：电极头过大电极压力过大电流过小焊接时间短焊核位置偏移焊核位于工件接缝处焊核位于工件圆角处原因分析：点焊位置不当工件位置不当焊钳调节不当常见焊核缺陷分析汽车发动机•汽车发动机常用缸数有3、4、5、6、8、10、l2缸。排量1L以下的发动机常用3缸；(1-2.5)L一般为4缸发动机；3L左右的发动机一般为6缸；4L左右为8缸；5.5L以上用12缸发动机。•在同等缸径下，缸数越多，排量越大，功率越高；在同等排量下，缸数越多，缸径越小，转速可以提高，从而获得较大的提升功率。•气缸的排列形式主要有直列、V形、W形等。直列L型V型W型水平对置奥迪3.2升V6直喷发动机•缸体材料–铸铁–铝合金•缸体与缸盖选择材料的主要出发点在于高强度、优良的热疲劳性能，轻量化。轿车发动机已普遍从灰铸铁到铝合金，现在正逐步发展到镁合金材料。增压发动机技术•涡轮增压器是前端是个涡轮，后部则是一个与涡轮同轴的压缩机，发动机排放出来的废气，经过涡轮时，带动涡轮旋转，压缩机便能把空气进行压缩。•涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。•作用:维持发动机工作循环，实现能量转换的主要机构。•组成：机体组；活塞连杆组；曲轴飞轮组。曲柄连杆机构活塞连杆组、曲轴飞轮组配气机构•作用：适时开关进排气门，使可燃混合气及时进入气缸，废气及时排出气缸。•组成：进气门、排气门、进排气门驱动机构（凸轮轴正时齿轮、凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂等）•作用：将汽油和空气混合成可燃混合气供入气缸，并将燃烧生成的废气排出发动机。•组成：汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进气管、排气管、排气消声器等。燃料供给系•功用：保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气。•组成：蓄电池、点火线圈、点火控制器、分电器、火花塞等。点火系•作用：把受热机件的热量散到大气中去，保证发动机在正常温度下工作。•组成：水泵、散热器、水套、风扇等。冷却系•作用：将润滑油供给作相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。•组成：机油泵、集滤器、润滑油道、机油滤清器等。润滑系起动系•作用：使静止的发动机起动，并转入自行运转状态•组成：起动机及附属装置悬架系统•定义车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称。•功用–保证车轮与地面的附着；–传递载荷（车轮与车架间）；–缓和冲击，衰减振动；–保持行驶中车轮、车身运动姿态。•组成：弹性元件、减振器、导向机构、横向稳定器–弹性元件--传递垂直载荷，缓和冲击–减振器--加速衰减车身的振动–导向机构--传递纵向力,侧向力及其力矩，保证车轮的运动轨迹–横向稳定器--防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜悬架分类•按结构特征分：–非独立悬架：两侧车轮由一整体式车桥相连，车轮和车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架下面；–独立悬架：每一侧的车轮单独地通过弹性悬架悬挂在车架下，车桥是断开的；•按弹性元件分：–螺旋弹簧悬架、钢板弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、气体弹簧悬架；•按使用状态分：–被动悬架、半主动悬架、主动悬架非独立悬架和独立悬架非独立悬架独立悬架独立悬架优点和缺点•在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以单独运动，互不影响，在不平路上行驶时可减少车架和车身的振动，有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象；•减少了汽车的非簧载质量。在道路条件和车速条件相同的情况下，非簧载质量愈小，则悬架所受的冲击载荷愈小，可提高汽车的平均行驶速度；•采用断开式桥，发动机总成的位置可降低和前移，使汽车重心降低，提高汽车行驶稳定性；•某些越野车全部使用独立悬架，可使车轮与路面良好接触；•可提高汽车的离地间隙，提高通过性。•缺点：结构复杂，制造成本高。一般情况下，车轮跳动时由于车轮外倾角与车距变化较大，轮胎磨损严重。刹车系统•常见的刹车装置有“鼓式刹车”和“盘式刹车”二种型式汽车燃油系统节油措施•机动车燃油改良剂，提高车的动力20%；节省燃油10%-30%；清除积碳清洁油路；降低尾气排放，CO和HC降90%、NOX和SO2降50%。•富氧型节油器，将其产生的富氧输入汽缸，通过高温的作用，使富氧还原为氧气，提升燃油的燃烧效率，提高汽缸的温度和压力，清除汽缸积碳，减少汽缸损耗，减少30%—90%的一氧化碳和碳氢化合物排放。•纳米汽油，在汽油中加入微乳化剂制成的纳米汽油，油耗可以降低10％～20％，动力性能提高25％，尾气排放污染物可降低50％～80％。汽车节油器•磁化节油器，通过永磁体产生的强磁场加强对油的雾化，激活燃料中的碳氢化合物分子形状，改变它们的分子流，使燃料能充分与空气中的氧气结合，达到较为理想的燃烧值，