第7章新材料和新技术应用

1、7.1 7.1 镁合金镁合金7.2 7.2 碳纤维碳纤维7.3 7.3 表面装饰技术表面装饰技术7.4 7.4 现代控制技术现代控制技术7.5 7.5 仿真技术仿真技术7.6 7.6 车载网络技术车载网络技术7.7 7.7 汽车线控转向系统汽车线控转向系统7.8 7.8 汽车线控制动系统汽车线控制动系统7.1.1 7.1.1 镁合金的类型和特性镁合金的类型和特性7.1.2 7.1.2 镁合金的主要成型工艺镁合金的主要成型工艺7.1.3 7.1.3 镁合金材料在汽车上的应用镁合金材料在汽车上的应用镁合金是以镁为基加入其它元素组成的合金。其特点是：密镁合金是以镁为基加入其它元素组成的合金。其特点是

2、：密度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。在实用金属中是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/32/3，是铁的，是铁的1/41/4。镁合金可以分为铸镁合金和变形镁合金。铸造镁合金适宜于镁合金可以分为铸镁合金

3、和变形镁合金。铸造镁合金适宜于熔融状态下充填铸型，以获得良好形状和尺寸的毛坯；变形熔融状态下充填铸型，以获得良好形状和尺寸的毛坯；变形镁合金适宜于塑性成型，在塑性变形中仍然能保持镁的特性。镁合金适宜于塑性成型，在塑性变形中仍然能保持镁的特性。镁合金按合金组元不同主要有镁合金按合金组元不同主要有Mg-Al-Zn-MnMg-Al-Zn-Mn系（系（AZAZ系）、系）、Mg-Mg-Al-MnAl-Mn系（系（AMAM系）、系）、Mg-Al-Si-MnMg-Al-Si-Mn系（系（ASAS系）、系）、Mg-Al-REMg-Al-RE系系（AEAE系）、系）、Mg-Zn-ZrnMg-Zn-Zrn系（系（

4、ZKZK系）、系）、Mg-Zn-REMg-Zn-RE系（系（ZEZE系）等合系）等合金。金。 一般镁合金制品成型主要分为变形（轧制、挤压等）和铸造一般镁合金制品成型主要分为变形（轧制、挤压等）和铸造两种方法。当前镁合金的成型工艺主要分为压力铸造、低压两种方法。当前镁合金的成型工艺主要分为压力铸造、低压铸造、挤压铸造、半固态铸造和触变注射成型等，其中压力铸造、挤压铸造、半固态铸造和触变注射成型等，其中压力铸造仍是最主要的成型工艺。铸造仍是最主要的成型工艺。1.1.压力铸造压力铸造压力铸造是目前最成熟、应用最广泛的铸造方法，目前，镁压力铸造是目前最成熟、应用最广泛的铸造方法，目前，镁合金压铸工艺的

5、研究热点主要集中在镁合金压铸件的开发设合金压铸工艺的研究热点主要集中在镁合金压铸件的开发设计和镁合金压铸工艺的完善创新两个方面。世界上镁合金铸计和镁合金压铸工艺的完善创新两个方面。世界上镁合金铸件的件的93%93%是用压铸工艺生产的，镁合金是一种非常适合高压铸是用压铸工艺生产的，镁合金是一种非常适合高压铸造的金属材料，其实际压铸周期比铝合金短造的金属材料，其实际压铸周期比铝合金短50%50%，同时比所用，同时比所用的模具寿命高的模具寿命高2323倍。倍。2.2.低压铸造低压铸造低压铸造已经应用于生产镁合金汽车铸件，此法可以保证平低压铸造已经应用于生产镁合金汽车铸件，此法可以保证平稳充型，避免镁

6、合金液氧化和卷气，还可以在铸造过程中将稳充型，避免镁合金液氧化和卷气，还可以在铸造过程中将加压系统与镁合金的气体保护有效地结合起来。低压铸造由加压系统与镁合金的气体保护有效地结合起来。低压铸造由于其充型过程的平稳性和良好的排气性能，被广泛应用于轮于其充型过程的平稳性和良好的排气性能，被广泛应用于轮毂等对铸件缺陷较为敏感的零件制造上。毂等对铸件缺陷较为敏感的零件制造上。3.3.挤压铸造挤压铸造挤压铸造是将一定量的熔融金属液直接注入金属模膛，在机挤压铸造是将一定量的熔融金属液直接注入金属模膛，在机械静压力的作用下，使处于熔融或半熔融状态的金属流动并械静压力的作用下，使处于熔融或半熔融状态的金属流动

7、并凝固成型，从而获得毛坯或零件。挤压铸造最重要的参数是凝固成型，从而获得毛坯或零件。挤压铸造最重要的参数是浇铸温度和充型压力等，其直接影响合金本身的性能和化学浇铸温度和充型压力等，其直接影响合金本身的性能和化学成分。挤压铸造能提高材料利用率，降低生产成本，缩短生成分。挤压铸造能提高材料利用率，降低生产成本，缩短生产周期。挤压铸造的铸型温度一般为产周期。挤压铸造的铸型温度一般为200300200300，充型压力为，充型压力为50150MPa50150MPa。4.4.半固态铸造半固态铸造半固态铸造具有充型平稳、无金属飞溅、金属液氧化少、节半固态铸造具有充型平稳、无金属飞溅、金属液氧化少、节能、操作

8、安全、减少铸件内孔洞类缺陷等优点，是近年来发能、操作安全、减少铸件内孔洞类缺陷等优点，是近年来发展起来的成型技术。通过此种方法可以获得高致密度的镁合展起来的成型技术。通过此种方法可以获得高致密度的镁合金制品。半固态铸造可分为流变铸造和触变铸造，流变铸造金制品。半固态铸造可分为流变铸造和触变铸造，流变铸造是将金属从熔融状态冷却至两相区成型的一种方法，触变铸是将金属从熔融状态冷却至两相区成型的一种方法，触变铸造是将金属从固态加热到两相区成型的一种方法，是目前半造是将金属从固态加热到两相区成型的一种方法，是目前半固态铸造的主要工艺方法。固态铸造的主要工艺方法。5.5.触变注射成型技术触变注射成型技术

9、触变注射成型是将具有触变结构的半固态镁合金高速注射到触变注射成型是将具有触变结构的半固态镁合金高速注射到模具中，得到近终形的金属零件，它具有如下特点：镁锭无模具中，得到近终形的金属零件，它具有如下特点：镁锭无需预热及熔化，成型工艺简单，成本低；铸造温度比传统压需预热及熔化，成型工艺简单，成本低；铸造温度比传统压力铸造温度低力铸造温度低9012090120；金属无需熔融处理，避免了镁合金；金属无需熔融处理，避免了镁合金熔化损害。与传统的压铸相比，触变注射成型无需金属熔炼熔化损害。与传统的压铸相比，触变注射成型无需金属熔炼及浇铸等过程，从而使生产过程更加清洁、安全和节能。及浇铸等过程，从而使生产过

10、程更加清洁、安全和节能。镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减轻质量基础上再减轻镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减轻质量基础上再减轻15152020。在轻量化的驱动下，自。在轻量化的驱动下，自19901990年以来，镁在汽车中年以来，镁在汽车中的应用正以年均增长的应用正以年均增长2020的速度迅速发展。镁合金的开发与的速度迅速发展。镁合金的开发与应用已成为汽车材料技术发展的一个重要方向。应用已成为汽车材料技术发展的一个重要方向。目前，汽车上应用的镁合金零部件主要有两类共目前，汽车上应用的镁合金零部件主要有两类共6060多种，如多种，如离合器外壳、变速箱体、曲轴箱等壳体类，以及转向盘、座离合器外壳、

11、变速箱体、曲轴箱等壳体类，以及转向盘、座椅支架、仪表盘框架、转向支架、车镜支架等支架类。在材椅支架、仪表盘框架、转向支架、车镜支架等支架类。在材料的选择方面，用于结构件的一般以料的选择方面，用于结构件的一般以AZAZ系和系和ASAS系为主，而系为主，而AMAM系镁合金主要用于装饰零件。系镁合金主要用于装饰零件。图是某企业生产的镁合金轮毂。图是某企业生产的镁合金轮毂。目前，北美和欧洲的平均单车镁合金用量约为目前，北美和欧洲的平均单车镁合金用量约为3.8kg3.8kg，德国大众汽车公司，德国大众汽车公司的帕萨特单车镁合金用量为的帕萨特单车镁合金用量为14kg14kg；美国通用和福特汽车公司的单车镁

12、合金；美国通用和福特汽车公司的单车镁合金用量为用量为3kg3kg。预计在。预计在20122012年单车镁合金用量将提高至年单车镁合金用量将提高至30kg30kg，20152015年达到年达到100kg100kg。我国镁合金在汽车上的应用主要有变速器箱体及壳盖、离合器外壳及壳我国镁合金在汽车上的应用主要有变速器箱体及壳盖、离合器外壳及壳盖、泵体、转向盘、气缸盖罩、轮毂、仪表盘、座椅架和防护杆等零件。盖、泵体、转向盘、气缸盖罩、轮毂、仪表盘、座椅架和防护杆等零件。单车镁合金用量平均不足单车镁合金用量平均不足1kg1kg。镁合金汽车压铸件的年产量不足。镁合金汽车压铸件的年产量不足4000t4000t

13、。镁合金以其显著的减重效果、良好的铸造和尺寸稳定性、优良的抗振性镁合金以其显著的减重效果、良好的铸造和尺寸稳定性、优良的抗振性及可回收再生等特性，已成为汽车制造业最具潜力的结构材料。特别是大及可回收再生等特性，已成为汽车制造业最具潜力的结构材料。特别是大力提倡发展低碳经济的今天，镁合金是汽车轻量化中取代钢铁及部分铝合力提倡发展低碳经济的今天，镁合金是汽车轻量化中取代钢铁及部分铝合金的首选材料，各国也把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。金的首选材料，各国也把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。7.2.1 7.2.1 碳纤维的定义和分类碳纤维的定义和分类7.2.2 7.2.2 碳纤维的特

14、性碳纤维的特性7.2.3 7.2.3 碳纤维在汽车上的应用碳纤维在汽车上的应用1.1.碳纤维的定义碳纤维的定义碳纤维是一种纤维状复合材料，含碳量超过碳纤维是一种纤维状复合材料，含碳量超过9090以上，具有以上，具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的强度比钢大，密度比铝小，具有极是新一代增强纤维。它的强度比钢大，密度比铝小，具有极好的电学、热学和力学性能。好的电学、热学和力学性能。2.2.碳纤维的分类碳纤维的分类碳纤维的分类有许多方法，可按原料、力学性能和状态来进碳纤维的分类有许多方法，可按原料、力学性能

15、和状态来进行分类。行分类。（1 1）按原料分类。碳纤维按原料可分为聚丙烯腈系碳纤维）按原料分类。碳纤维按原料可分为聚丙烯腈系碳纤维和沥青系碳纤维。其中聚丙烯腈系碳纤维具有高强度、高弹和沥青系碳纤维。其中聚丙烯腈系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用；沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚用；沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量高，适合于支于

16、沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量高，适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。等特性。（2 2）按力学性能分类。碳纤维按力学性能可分为通用型和）按力学性能分类。碳纤维按力学性能可分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa1000MPa、模量为、模量为100GPa100GPa左右；左右；高性能型碳纤维又分为高强型（强度高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa2000

17、MPa、模量、模量250GPa250GPa）和高模型（模量和高模型（模量300GPa300GPa以上）；强度大于以上）；强度大于4000MPa4000MPa的又称为超的又称为超高强型；模量大于高强型；模量大于450GPa450GPa的称为超高模型。的称为超高模型。（3 3）按状态分类。碳纤维按状态可分为长丝碳纤维、短碳）按状态分类。碳纤维按状态可分为长丝碳纤维、短碳纤维和短切碳纤维。纤维和短切碳纤维。1.1.碳纤维的力学特性碳纤维的力学特性碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/41/4，碳纤维树脂，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般

18、都在复合材料抗拉强度一般都在3500MPa3500MPa以上，是钢的以上，是钢的7979倍，抗拉弹性模量为倍，抗拉弹性模量为2300043000MPa2300043000MPa，也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高，也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时，往往的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时，往往利用其耐拉质轻的优势而避免去作承受侧面冲击的部分。利用其耐拉质轻的优势而避免去作承受侧面冲击的部分。碳纤维经碳纤维经25002500高温处理（也可称作石墨化处理）后，称高模量碳纤维高温处理

19、（也可称作石墨化处理）后，称高模量碳纤维（或石墨纤维），或称（或石墨纤维），或称I I型碳纤维；在型碳纤维；在1300130017001700范围内处理的碳纤维称范围内处理的碳纤维称高强度碳纤维，或称高强度碳纤维，或称IIII型碳纤维。型碳纤维。碳纤维的拉伸破坏方式属脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，这一碳纤维的拉伸破坏方式属脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，这一点与玻璃纤维相似，然而其断裂伸长率比玻璃纤维的小。高模量碳纤维的断点与玻璃纤维相似，然而其断裂伸长率比玻璃纤维的小。高模量碳纤维的断裂伸长率约为裂伸长率约为0.5%0.5%；高强度碳纤维的约为；高强度碳纤维的约为1%1%；

20、玻璃纤维的约为；玻璃纤维的约为2.6%2.6%；而环氧；而环氧树脂的约为树脂的约为1.7%1.7%，所以碳纤维复合材料的强度能得到充分的发挥。，所以碳纤维复合材料的强度能得到充分的发挥。2.2.碳纤维的物理特性碳纤维的物理特性碳纤维的导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料纤维碳纤维的导热系数较高，但随温度升高有减小的趋势。碳纤维复合材料纤维轴向的导热系数为轴向的导热系数为0.040.04卡卡/ /秒秒 厘米厘米；垂直纤维向的导热系数为；垂直纤维向的导热系数为0.0020.002卡卡/ /秒秒 厘米厘米。碳纤维的线膨胀系数具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维有收缩的碳纤维的线

21、膨胀系数具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维有收缩的趋势。碳纤维的线膨胀系数沿纤维轴向约为：趋势。碳纤维的线膨胀系数沿纤维轴向约为：0.0720.07210-810-80.90.910-6/10-6/；垂直纤维轴向约为垂直纤维轴向约为222210-610-6323210-6/10-6/，而基体树脂的线膨胀系数约为：，而基体树脂的线膨胀系数约为：454510-6/10-6/，二者之间相差较大，所以碳纤维复合材料在固化后冷却过速，二者之间相差较大，所以碳纤维复合材料在固化后冷却过速，或经受高低温度变化时易产生裂纹。或经受高低温度变化时易产生裂纹。碳纤维的比重取决于原料的性质及热处理条件，如：碳

22、纤维的比重取决于原料的性质及热处理条件，如：PANPAN基碳纤维经基碳纤维经10001000处理后，比重为处理后，比重为1.7g/cm31.7g/cm3；经；经30003000处理后，比重为处理后，比重为2.01g/cm32.01g/cm3。此外，碳纤维具有自润滑性、摩擦系数较低、良好的导电性等特性。此外，碳纤维具有自润滑性、摩擦系数较低、良好的导电性等特性。3.3.碳纤维的化学特性碳纤维的化学特性碳纤维的化学性能与块状碳的相似，在空气中，当温度高于碳纤维的化学性能与块状碳的相似，在空气中，当温度高于400400时，出现时，出现明显的氧化，氧化物以明显的氧化，氧化物以COCO、CO2CO2的形

23、式从其表面散失，这个反应从的形式从其表面散失，这个反应从200200到到900900结束。在惰性气体中，即使温度超过结束。在惰性气体中，即使温度超过20002000，碳纤维仍具有承载能力。，碳纤维仍具有承载能力。碳纤维除了能被强氧化剂氧化外，一般的酸碱对它作用很小，比玻璃纤维具碳纤维除了能被强氧化剂氧化外，一般的酸碱对它作用很小，比玻璃纤维具有更好的耐腐蚀性。将碳纤维置于一些酸溶液中浸泡有更好的耐腐蚀性。将碳纤维置于一些酸溶液中浸泡2020天后，测量其弹性模天后，测量其弹性模量、拉伸强度及直径，发现：在浓度量、拉伸强度及直径，发现：在浓度50%50%的盐酸、硫酸及磷酸中浸泡后均无变的盐酸、硫酸

24、及磷酸中浸泡后均无变化；在浓度化；在浓度50%50%的硝酸中浸泡后直径略有增大；在浓度的硝酸中浸泡后直径略有增大；在浓度50%50%的次氯酸中浸泡后的次氯酸中浸泡后直径略为减小。直径略为减小。此外，碳纤维还具有耐油、抗辐射以及减速中子运动等特性。此外，碳纤维还具有耐油、抗辐射以及减速中子运动等特性。1.1.在汽车车身和底盘上的应用在汽车车身和底盘上的应用由于碳纤维增强复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车由于碳纤维增强复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重

25、量可使汽车车身、底盘减轻重量40%60%40%60%，相当于钢结构重量的，相当于钢结构重量的1/31/61/31/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维复合材料车身重量仅为结果表明碳纤维复合材料车身重量仅为172kg172kg，而钢制车身重量，而钢制车身重量为为368kg368kg，减重约，减重约50%50%。但由于碳纤维成本较高，碳纤维增强复合材料在汽车上的应用但由于碳纤维成本较高，碳纤维增强复合材料在汽车上的应用有限，仅在一些有限，仅在一些F1F1赛车、高级轿车上有所应用。赛车、高级轿车上有所应用。日产

26、日产Yuki-onnaYuki-onna概念车是一款十分环保的车型，其依靠安装在概念车是一款十分环保的车型，其依靠安装在每个车轮上的电动马达来行驶。该车的整体外观呈现的是跑车车每个车轮上的电动马达来行驶。该车的整体外观呈现的是跑车车型风格，其底盘采用的为碳纤维材料，如图所示。型风格，其底盘采用的为碳纤维材料，如图所示。未来兰博基尼几乎所有的新车型车身都将使用碳纤维材料，大未来兰博基尼几乎所有的新车型车身都将使用碳纤维材料，大幅降低车身重量。幅降低车身重量。 20102010年首届年首届FSAEFSAE中国大学生方程式汽车大赛中，哈工大制造的中国大学生方程式汽车大赛中，哈工大制造的赛车，车身全部

27、采用碳纤维，整车重量只要赛车，车身全部采用碳纤维，整车重量只要260kg260kg。 2.2.在制动摩擦片上的应用在制动摩擦片上的应用碳纤维具有环保和耐磨的特点，适于被应用在高档轿车的制动碳纤维具有环保和耐磨的特点，适于被应用在高档轿车的制动摩擦片上，特别是在摩擦片上，特别是在F1F1赛车上。例如，使用碳纤维摩擦片的赛车，赛车上。例如，使用碳纤维摩擦片的赛车，能够在能够在50m50m的距离内将汽车的速度从的距离内将汽车的速度从300km/h300km/h降低到降低到50km/h50km/h，此，此时制动盘温度会升高到时制动盘温度会升高到900900以上，制动盘会因为吸收大量热能以上，制动盘会因

28、为吸收大量热能而变红。碳纤维制动盘能够承受而变红。碳纤维制动盘能够承受25002500高温，而且具有非常优秀高温，而且具有非常优秀的制动稳定性。虽然碳纤维制动盘具有卓越的减速性能，但是目的制动稳定性。虽然碳纤维制动盘具有卓越的减速性能，但是目前在量产的汽车上使用碳纤维制动盘却不实际，因为碳纤维制动前在量产的汽车上使用碳纤维制动盘却不实际，因为碳纤维制动盘的性能在温度达到盘的性能在温度达到800800以上时才能够达到最好。另外，碳纤以上时才能够达到最好。另外，碳纤维制动盘的磨损速度快，成本高。维制动盘的磨损速度快，成本高。 3.3.在座椅加热垫上的应用在座椅加热垫上的应用碳纤维汽车座椅加热垫是碳

29、纤维加热应用于汽车工业的一个突碳纤维汽车座椅加热垫是碳纤维加热应用于汽车工业的一个突破，碳纤维加热技术在汽车配套市场越来越受欢迎，它将会完全破，碳纤维加热技术在汽车配套市场越来越受欢迎，它将会完全替代传统的座椅加热系统。目前计划全球所有汽车制造厂商的高替代传统的座椅加热系统。目前计划全球所有汽车制造厂商的高档、豪华轿车都配备了这种座椅加热装置。碳纤维热载荷碳纤维档、豪华轿车都配备了这种座椅加热装置。碳纤维热载荷碳纤维是一种比较高效率的导热材料，热效率高达是一种比较高效率的导热材料，热效率高达96%96%，并且在加热垫，并且在加热垫中均匀密布，保证热量在座椅加热区域均匀释放，碳纤维线及温中均匀密

30、布，保证热量在座椅加热区域均匀释放，碳纤维线及温度分布均匀，又确保了加热垫长期使用，保持座椅表面皮革平整度分布均匀，又确保了加热垫长期使用，保持座椅表面皮革平整完好。不产生纹路痕迹，不产生局部变色。温度超过设定区间则完好。不产生纹路痕迹，不产生局部变色。温度超过设定区间则自动断电，不能满足要求时自动通电调节温度。碳纤维适宜人体自动断电，不能满足要求时自动通电调节温度。碳纤维适宜人体吸收的红外线波长，具有促进健康的保健作用，可以充分减少驾吸收的红外线波长，具有促进健康的保健作用，可以充分减少驾乘疲劳，增强舒适度。乘疲劳，增强舒适度。4.4.在燃料储罐上的应用在燃料储罐上的应用采用碳纤维增强复合材

31、料可以在满足要求的条件下实现压力容采用碳纤维增强复合材料可以在满足要求的条件下实现压力容器的轻量化。随着新能源汽车的开发，以氢为燃料的燃料电池电器的轻量化。随着新能源汽车的开发，以氢为燃料的燃料电池电动汽车使用碳纤维增强复合材料制作燃料储罐已为市场所接受。动汽车使用碳纤维增强复合材料制作燃料储罐已为市场所接受。据日本能源厅燃料电池研讨会信息，据日本能源厅燃料电池研讨会信息，20202020年日本将有年日本将有500500万辆汽万辆汽车使用燃料电池。车使用燃料电池。另外，碳纤维在发动机罩、汽车内饰、车轮、传动轴、尾翼等另外，碳纤维在发动机罩、汽车内饰、车轮、传动轴、尾翼等也有应用。也有应用。7.

32、3.1 7.3.1 表面装饰技术的定义和分类表面装饰技术的定义和分类7.3.2 7.3.2 表面装饰技术的工艺和特点表面装饰技术的工艺和特点7.1.1 7.1.1 表面装饰技术在汽车上的应用。表面装饰技术在汽车上的应用。 1.1.表面装饰技术的定义表面装饰技术的定义传统的表面装饰是在注塑成型的塑料器件表面印上不同的图传统的表面装饰是在注塑成型的塑料器件表面印上不同的图案，而这些图案往往会因长时间摩擦（尤其是接触按键）而案，而这些图案往往会因长时间摩擦（尤其是接触按键）而消失，且不耐划伤，容易产生划痕，即使印在透明按键材料消失，且不耐划伤，容易产生划痕，即使印在透明按键材料上，这些图案也不会透光

33、，并且对于表面不平整的材料，只上，这些图案也不会透光，并且对于表面不平整的材料，只能用移印的办法印上图案，给批量生产带来了不便。随着社能用移印的办法印上图案，给批量生产带来了不便。随着社会的进步，人们对表面装饰的要求也在不断提高，为满足社会的进步，人们对表面装饰的要求也在不断提高，为满足社会的需要，人们研制和开发了新的表面装饰技术。会的需要，人们研制和开发了新的表面装饰技术。2.2.表面装饰技术的分类表面装饰技术的分类新的表面装饰技术主要包括热烫技术、模内转印技术、嵌片新的表面装饰技术主要包括热烫技术、模内转印技术、嵌片注塑技术和模内贴片技术。这些技术可提供各种装潢效果，注塑技术和模内贴片技术

34、。这些技术可提供各种装潢效果，如桃木、碳纤及金属效果，因此日益受到重视而成为内饰之如桃木、碳纤及金属效果，因此日益受到重视而成为内饰之新宠儿，已是现代汽车应用在门踏板、空调出风口、扶手、新宠儿，已是现代汽车应用在门踏板、空调出风口、扶手、中央饰框、显示面板、标牌、散热格珊、中央饰框、显示面板、标牌、散热格珊、ABCABC柱、镀铬饰柱、镀铬饰条、外饰条、按键、甚至发动机顶盖装潢的优化工艺。该技条、外饰条、按键、甚至发动机顶盖装潢的优化工艺。该技术产品在生产过程中没有任何污水排放，较传统的电镀、喷术产品在生产过程中没有任何污水排放，较传统的电镀、喷涂和水转印工艺，不会造成环境污染，多年来已广泛应用

35、在涂和水转印工艺，不会造成环境污染，多年来已广泛应用在奔驰、大众、宝马、通用、福特、丰田、奥迪等高档车型上，奔驰、大众、宝马、通用、福特、丰田、奥迪等高档车型上，近几年，中档车型也开始应用。近几年，中档车型也开始应用。1 1热烫印技术热烫印技术热烫印（热烫印（Hot StampingHot Stamping，简称，简称HSHS）就是利用烫印机输出的热）就是利用烫印机输出的热和压力使烫印箔的装饰层与聚酯薄膜剥离，连同保护层一起和压力使烫印箔的装饰层与聚酯薄膜剥离，连同保护层一起转印到基材上，牢固地贴紧在装饰件表面。转印到基材上，牢固地贴紧在装饰件表面。热烫印工艺分为两类：平压式烫印和圆压式烫印。

36、平压式烫热烫印工艺分为两类：平压式烫印和圆压式烫印。平压式烫印就是烫印头上下移动完成烫印；而圆压式烫印则通过旋转印就是烫印头上下移动完成烫印；而圆压式烫印则通过旋转的烫印锟或印轮完成烫印。这种工艺是对注塑成型后的产品的烫印锟或印轮完成烫印。这种工艺是对注塑成型后的产品进行平面装饰。进行平面装饰。热烫印工艺过程如图所示。热烫印工艺过程如图所示。 2 2模内转印技术模内转印技术模内转印（模内转印（In-Mold-DecorationIn-Mold-Decoration，简称，简称IMDIMD）是通过送箔机）是通过送箔机器自动输送定位，将已印好图案的膜片放入金属模具中，然器自动输送定位，将已印好图案

37、的膜片放入金属模具中，然后将成形用的塑胶注入金属模具内与膜片结合，使印刷在膜后将成形用的塑胶注入金属模具内与膜片结合，使印刷在膜片上的图案跟树脂形成一体而固化成产品。片上的图案跟树脂形成一体而固化成产品。 IMDIMD工艺过程如图所示。工艺过程如图所示。 IMDIMD主要特点有：主要特点有：（1 1）生产时的自动化程度高，大批量生产的成本较低；）生产时的自动化程度高，大批量生产的成本较低；（2 2）成型与转印同时进行，减少工序、仓储与时间的成本；）成型与转印同时进行，减少工序、仓储与时间的成本；（3 3）不需要用任何溶剂，不会对环境造成污染；）不需要用任何溶剂，不会对环境造成污染；（4 4）通

38、过更换送箔器上的装饰箔可快速变更图案，表面装饰变化多样；）通过更换送箔器上的装饰箔可快速变更图案，表面装饰变化多样；（5 5）提供金属、镭射效果、发丝、木纹、石纹等多种图案设计；）提供金属、镭射效果、发丝、木纹、石纹等多种图案设计；（6 6）表层）表层UVUV涂布可有效提高产品磨耗特性；涂布可有效提高产品磨耗特性；（7 7）使这些特殊效果转印成型后，直接呈现在塑胶的外观，有效的增加）使这些特殊效果转印成型后，直接呈现在塑胶的外观，有效的增加产品的质感及价值感；产品的质感及价值感；（8 8）开发周期长，开发费用高；）开发周期长，开发费用高；（9 9）只能做平面或轻微弯曲表面装饰；）只能做平面或轻

39、微弯曲表面装饰；（1010）生产环境必须清洁。）生产环境必须清洁。 3 3嵌片注塑技术嵌片注塑技术嵌片注塑（嵌片注塑（Insert MoldingInsert Molding，简称，简称INSINS）是膜内转印以外的另）是膜内转印以外的另一种工艺，能提供更大的延伸性或装饰深度。这种工艺利用热一种工艺，能提供更大的延伸性或装饰深度。这种工艺利用热吸塑成型或高压成型，把转印好的吸塑成型或高压成型，把转印好的ABSABS板材（一般是板材（一般是0.5mm0.5mm厚）厚）进行三维拉伸，然后依照产品外型裁出嵌片；再把此嵌片准确进行三维拉伸，然后依照产品外型裁出嵌片；再把此嵌片准确地置于注塑模腔内，在注

40、塑的同时把图案转移到部件上，注塑地置于注塑模腔内，在注塑的同时把图案转移到部件上，注塑成品上便可以出现所需要的装饰效果。它结合了转印、真空吸成品上便可以出现所需要的装饰效果。它结合了转印、真空吸塑和注塑三种工序。塑和注塑三种工序。 INSINS工艺过程如图所示。工艺过程如图所示。 IMDIMD和和INSINS两种工艺有以下的区别：两种工艺有以下的区别：（1 1）模具不同：）模具不同：IMDIMD只有一套注塑倒装硬模；只有一套注塑倒装硬模；INSINS有成形模，有成形模，冲切模和注塑模。冲切模和注塑模。（2 2）片材不同：）片材不同：IMDIMD通常是通常是PETPET薄膜；薄膜；INSINS有

41、有PCPC、PETPET、ABSABS的的片材。片材。（3 3）程序不同：）程序不同：IMDIMD是把已印刷好的图案放进注塑膜内，对是把已印刷好的图案放进注塑膜内，对位，然后注塑，工序简洁，而且可以全自动，减少人手；位，然后注塑，工序简洁，而且可以全自动，减少人手；INSINS是先把印刷好的片材成形，然后冲切，再注塑，工序比是先把印刷好的片材成形，然后冲切，再注塑，工序比IMDIMD的的多。多。 INSINS的主要特点有：的主要特点有：（1 1）比）比IMDIMD技术装饰区域更深；技术装饰区域更深；（2 2）在生产中可以随时更改图案及颜色，装饰效果和方案更多；）在生产中可以随时更改图案及颜色，

42、装饰效果和方案更多；（3 3）INSINS最外层是最外层是FILMFILM，油墨丝印于中间层，外表光潔美观，越摸越光亮，油墨丝印于中间层，外表光潔美观，越摸越光亮，具有优良的抗刮性；具有优良的抗刮性；（4 4）INSINS生产批量数量很灵活，适合多品种小批量生产；生产批量数量很灵活，适合多品种小批量生产；（5 5）有）有好的边缘装饰；好的边缘装饰；（6 6）无污染；）无污染；（7 7）易产生胶片脫落、扭曲变形等情況；）易产生胶片脫落、扭曲变形等情況；（8 8）成品率难以控制，受人为因素影响比较大，温度难控制；）成品率难以控制，受人为因素影响比较大，温度难控制；（9 9）需要）需要3 3套模具，

43、成本增加；套模具，成本增加；（1010）薄膜厚度变化需要修改成型模，费用昂贵，）薄膜厚度变化需要修改成型模，费用昂贵，R R角成型差，易拉破片角成型差，易拉破片材等。材等。 嵌片注塑技术和模内转印技术生产出的产品，最大不同点在嵌片注塑技术和模内转印技术生产出的产品，最大不同点在于分型面不同，嵌片注塑比模内转印的分型面深，一般可拉伸于分型面不同，嵌片注塑比模内转印的分型面深，一般可拉伸到到5mm5mm左右，如图所示。左右，如图所示。 4 4模内贴片技术模内贴片技术模内贴标（模内贴标（In-Mold LabelingIn-Mold Labeling，简称，简称IMLIML）在塑料装饰市场出）在塑料

44、装饰市场出现了许多年，目前仍然是高速发展的技术，被用于各行业的塑现了许多年，目前仍然是高速发展的技术，被用于各行业的塑料表面装饰。这里提到的模内贴片，其独特之处是它的底层是料表面装饰。这里提到的模内贴片，其独特之处是它的底层是ABSABS物料，表层是装饰层和保护层，它适合汽车装饰件、手机物料，表层是装饰层和保护层，它适合汽车装饰件、手机外壳、笔记本电脑外壳、白色家电及塑料包装等。外壳、笔记本电脑外壳、白色家电及塑料包装等。 模内贴片工艺过程如图所示。模内贴片工艺过程如图所示。 新的表面装饰技术，特别是新的表面装饰技术，特别是IMDIMD和和INSINS技术技术正在取代传统的模后涂漆、印刷、热冲

45、压和镀铬等旧工艺，它们等旧工艺，它们在汽车内外饰用中等尺寸及相对扁平的塑件中获得了成功。今天，IMDIMD和和INSINS技术已经发展到用于大出很多的三维塑件中，例如轿车和卡车的整体仪表板、保险杠、顶棚乃至引擎盖。近几近几年来，IMDIMD和和INSINS技术技术已经被用于汽汽车仪表盘和门板、内内饰条、饰条、开关、仪表前盖和中央控制板等等，并且会继续增长。目前各式各样的标准烫印膜可以在市场采购，在汽车上比较目前各式各样的标准烫印膜可以在市场采购，在汽车上比较适合热烫印工艺应用的有散热格珊、镀铬饰条、发动机顶盖、适合热烫印工艺应用的有散热格珊、镀铬饰条、发动机顶盖、标牌及按键等。因为具有比较明显

46、的成本优势及环保因素，标牌及按键等。因为具有比较明显的成本优势及环保因素，烫印金属效果比电镀效果更佳。烫印金属效果比电镀效果更佳。 某汽车前格珊和某汽车标牌用热烫印的效果图如图所示。某汽车前格珊和某汽车标牌用热烫印的效果图如图所示。 模内转印可以根据用户的要求，装饰出各种不同的图案和效模内转印可以根据用户的要求，装饰出各种不同的图案和效果，且具有一定的保护性。图是利用模内转印技术生产的汽果，且具有一定的保护性。图是利用模内转印技术生产的汽车内饰条。车内饰条。图是利用嵌片注塑技术生产的中央面板，使用同一模具，只图是利用嵌片注塑技术生产的中央面板，使用同一模具，只需更换薄膜材料，就会得到不同的效果

47、。需更换薄膜材料，就会得到不同的效果。 图是某汽车综合应用表面装饰技术实例。图是某汽车综合应用表面装饰技术实例。7.4.1 7.4.1 控制技术的分类控制技术的分类7.4.2 7.4.2 汽车控制系统的分类汽车控制系统的分类控制技术分为经典控制技术、现代控制技术和智能控制技术。控制技术分为经典控制技术、现代控制技术和智能控制技术。古典控制技术使用的方法与工具主要有微分方程、付立叶变古典控制技术使用的方法与工具主要有微分方程、付立叶变换、拉普拉斯变换、传递函数及频域分析等，它只能用于线性换、拉普拉斯变换、传递函数及频域分析等，它只能用于线性或定常系统。或定常系统。现代控制技术使用的数学工具是概率

48、论、随机过程、矩阵方现代控制技术使用的数学工具是概率论、随机过程、矩阵方法和变分法等，它适用于复杂的动态系统，系统可能是线性的，法和变分法等，它适用于复杂的动态系统，系统可能是线性的，也可能是非线性的；可能是定常的，也可能是时变的；本质上也可能是非线性的；可能是定常的，也可能是时变的；本质上是是“时域时域”的方法。的方法。智能控制是把人工智能和自动控制相结合，它不依赖系统的智能控制是把人工智能和自动控制相结合，它不依赖系统的精确数学模型，算法非常简捷，在实际应用中已显示出它的巨精确数学模型，算法非常简捷，在实际应用中已显示出它的巨大优越性。大优越性。1 1PIDPID控制控制PIDPID（比例

49、、积分、微分）控制是以经典控制理论为基础的控制。（比例、积分、微分）控制是以经典控制理论为基础的控制。PIDPID控制控制是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种控制方式。它最大的优点是不是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种控制方式。它最大的优点是不需了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数在线整定，即需了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数在线整定，即可取得满意的结果。它的不足之处是对被控对象参数变化比较敏感。可取得满意的结果。它的不足之处是对被控对象参数变化比较敏感。PIDPID控控制可用微机实现，称为数字制可用微机实现，称为数字PIDPID调节器。由于用软件编程方法

50、实现调节器。由于用软件编程方法实现PIDPID控制，控制，参数变动十分灵活，因而获得广泛应用。参数变动十分灵活，因而获得广泛应用。2 2最优控制最优控制 经典控制理论不适用于多变量系统、时变系统和非线性系统，而这些系统经典控制理论不适用于多变量系统、时变系统和非线性系统，而这些系统在汽车工程中是大量遇到的，这就必须采用现代控制理论所提高的状态空在汽车工程中是大量遇到的，这就必须采用现代控制理论所提高的状态空间设计法。这种方法既适用于单变量系统、定常系统和线性系统，也适用间设计法。这种方法既适用于单变量系统、定常系统和线性系统，也适用于多变量系统、时变系统和非线性系统。它是利用状态空间表达式，确

51、定于多变量系统、时变系统和非线性系统。它是利用状态空间表达式，确定系统的控制规律，使控制系统达到要求的性能指标。一般采用二次型指标系统的控制规律，使控制系统达到要求的性能指标。一般采用二次型指标最优来确定控制率的最优控制法。最优来确定控制率的最优控制法。例如：例如：ABSABS的最优控制是根据的最优控制是根据ABSABS的各项控制要求，按最优化原理求得控制的各项控制要求，按最优化原理求得控制系统的最优控制指标。一般取车轮角速度和角加速度作为系统的最优控制指标。一般取车轮角速度和角加速度作为ABSABS的状态变量，的状态变量，把附着系数和滑移率的关系曲线峰值处的车轮速度作为系统的期望值输出，把附

52、着系数和滑移率的关系曲线峰值处的车轮速度作为系统的期望值输出，设计跟踪系统，使系统实现闭环控制。设计跟踪系统，使系统实现闭环控制。3 3自适应控制自适应控制 自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的变化（如负荷变化，风、雨等气候条件的变化等）并自动校正控制动作，变化（如负荷变化，风、雨等气候条件的变化等）并自动校正控制动作，使系统达到最优或接近最优的控制效果。使系统达到最优或接近最优的控制效果。图图7.177.17是某一半主动悬架阻尼自适应控制系统框图。它是利用汽车悬挂质是某一半主动悬架阻尼自适应控制系统框

53、图。它是利用汽车悬挂质量的影响，逐步调节悬架阻尼，直至车身垂直加速度的方均根值达到极小量的影响，逐步调节悬架阻尼，直至车身垂直加速度的方均根值达到极小值作为控制的目标量。值作为控制的目标量。4 4滑模变结构控制滑模变结构控制 滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统。它根据系统当时的状态、滑模变结构控制属于一类特殊的非线性控制系统。它根据系统当时的状态、偏差及其导数值，在不同的控制区域，以理想开关的方式切换控制量的大偏差及其导数值，在不同的控制区域，以理想开关的方式切换控制量的大小和符号，使系统在滑移曲线很小的领域内沿滑移换节曲线滑动的控制方小和符号，使系统在滑移曲线很小的领域内沿滑移换节曲

54、线滑动的控制方式。式。滑模变结构控制本质上分为两个部分，一部分是在滑模面上的基于制动模滑模变结构控制本质上分为两个部分，一部分是在滑模面上的基于制动模型的近似控制，这相当于系统的连续控制，有利于消除系统的抖动；另一型的近似控制，这相当于系统的连续控制，有利于消除系统的抖动；另一部分是在达到滑移面之前的控制，可以保证物理滑模系统的相轨迹达到滑部分是在达到滑移面之前的控制，可以保证物理滑模系统的相轨迹达到滑移面。移面。滑模控制对被控系统参数变化不敏感，抗干扰能力强，动态性能好，具有滑模控制对被控系统参数变化不敏感，抗干扰能力强，动态性能好，具有很好的鲁棒性和很强的自适应性，但它的算法有静差调节，很

55、难保证静态很好的鲁棒性和很强的自适应性，但它的算法有静差调节，很难保证静态精度，要求动作系统有较高的动作频率，且滑动运动在切换面附近切换时精度，要求动作系统有较高的动作频率，且滑动运动在切换面附近切换时有抖动，对作动系统的性能及可靠性要求太高，很难实施。有抖动，对作动系统的性能及可靠性要求太高，很难实施。5 5模糊控制模糊控制 模糊控制是一种新型的智能控制。它模仿人工控制活动中人脑的模糊概念模糊控制是一种新型的智能控制。它模仿人工控制活动中人脑的模糊概念和成功的控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实现。模糊和成功的控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实现。模糊控制不依赖系统

56、的精确数学模型，因而对系统参数变化不敏感，具有很强控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。另外，它的控制算法是基于若干条控制规则，算法非常简捷，的鲁棒性。另外，它的控制算法是基于若干条控制规则，算法非常简捷，特别适合于像汽车这一类快动态系统。图是模糊控制特别适合于像汽车这一类快动态系统。图是模糊控制ABSABS简图。简图。6 6神经网络控制神经网络控制 神经网络控制是仿真人的神经网络，实现人工智能的一种途径。它具有记神经网络控制是仿真人的神经网络，实现人工智能的一种途径。它具有记忆过去的经验和识别环境变化的能力，并为了更好地适应环境，能够按照忆过去的经验和识别

57、环境变化的能力，并为了更好地适应环境，能够按照一定的规律改变自己的结构或工作程序。神经网络系统是一个高度复杂的一定的规律改变自己的结构或工作程序。神经网络系统是一个高度复杂的非线性动力学系统。它由大量的神经元节点组成，尽管每个神经元的结构非线性动力学系统。它由大量的神经元节点组成，尽管每个神经元的结构相对简单和功能有限，但由大量神经元按一定的方式连接成的网络集体工相对简单和功能有限，但由大量神经元按一定的方式连接成的网络集体工作，并按一定的规则来调整神经元间连接强度，却能使系统具有十分强大作，并按一定的规则来调整神经元间连接强度，却能使系统具有十分强大的功能。其处理单元分为三类：输入单元、隐单

58、元和输出单元。在神经网的功能。其处理单元分为三类：输入单元、隐单元和输出单元。在神经网络发生的动力学过程有两类：第一为学习过程，第二为运行过程。学习过络发生的动力学过程有两类：第一为学习过程，第二为运行过程。学习过程是通过一定的规则来改变连接权值，运行过程是使输入通过网络的处理，程是通过一定的规则来改变连接权值，运行过程是使输入通过网络的处理，得出一个期望的输出。得出一个期望的输出。图是某半主动悬架神经网络控制系统简图。它有两个子神经网络，其中神图是某半主动悬架神经网络控制系统简图。它有两个子神经网络，其中神经网络经网络1 1用于对汽车悬架系统进行在线辨识。在对悬架进行在线辨识的基础用于对汽车

59、悬架系统进行在线辨识。在对悬架进行在线辨识的基础上，应用另一个具有控制作用的神经网络上，应用另一个具有控制作用的神经网络2 2，通过对控制网络的权系数进行，通过对控制网络的权系数进行在线调整，控制器经过学习，对悬架系统进行在线控制，使悬架系统输出在线调整，控制器经过学习，对悬架系统进行在线控制，使悬架系统输出逐渐接近于期望值。具有神经网络自适应控制的主动悬架能很好地减小汽逐渐接近于期望值。具有神经网络自适应控制的主动悬架能很好地减小汽车振动，提高行驶平顺性和稳定性。车振动，提高行驶平顺性和稳定性。1 1发动机控制系统发动机控制系统发动机控制主要包括汽油机控制和柴油机控制，控制的主要发动机控制主

60、要包括汽油机控制和柴油机控制，控制的主要目的是改善汽车的动力性和经济性。目的是改善汽车的动力性和经济性。汽油机控制主要有燃油喷射控制、点火控制、怠速控制、排汽油机控制主要有燃油喷射控制、点火控制、怠速控制、排放控制、进气及增压控制、稀薄燃烧及缸内直喷控制等；柴放控制、进气及增压控制、稀薄燃烧及缸内直喷控制等；柴油机控制主要有各种泵油喷射系统控制、怠速控制、进气控油机控制主要有各种泵油喷射系统控制、怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制等。制、增压控制、排放控制、启动控制等。2 2底盘控制系统底盘控制系统随着汽车技术的发展，底盘控制的内容正在增多，目前底盘随着汽车技术的发展，底盘控制的