新材料在农机轻量化的应用研究*

苏丽旭，刘莉滋，何 湧

（重庆三峡学院机械工程学院，重庆 404130）

0 引言

20世纪80年代，能源危机让全球各个国家引发了石油资源紧张，导致各国开始了将轻量化技术应用在汽车领域的研究。一些发达国家针对怎样才能解决地方资源匮乏和环境污染恶化等问题，拟定并采用了一些强制性的法律条例与规章制度。各大品牌汽车制造商为了响应国家号召，开始研发节约能源、环境保护、可适用轻量化、可回收的新型材料，并投入了大量的科技人才及先进设备。同时，各国政府对国内一些企业、高等院校以及研究机构拨款，提供资金上的帮助，用于支持汽车轻量化材料的研发，以助推汽车轻量化技术的发展[1]。

如今，环境污染问题越来越严重，节约能源和环境保护已成为全球共同关注并亟待解决的问题。汽车使用消耗低碳化是整个设计领域减少排放、节约能源的关键环节。据测算，车的总重降低1/10，可以减少8%的石油使用量；同时，石油的使用性价比增长7%。所以，减少污染排放、节约能源、减少车身重量之间是密不可分的[2]。

与此同时，农业是我国重要的基础行业，农业机械化普遍代替人工作业，缩减成本，带来了经济效益。将轻量化技术应用到农业机械上，重量减少的同时降低了油耗，更方便与农机协同作业。从国家长远发展来看，节约了能源，保护了环境。同时，降低了农户生产成本，科研工作者研发和创造的时间也大大减少，极大地降低了研发成本，消费市场的竞争力也得到改善[3]。

1 轻量化现状

现如今，农业机械轻量化技术设计在农机设备产业、大型机械制造等领域已成为生产潮流，虽然我国是农业大国，但轻量化在农机领域涉及不多。目前，农业机械轻量化的主要方法有两个：一是改变农业机械设计的材料；二是采用先进设计手段，使机械结构更加合理。农机轻量化能减少资源的使用量和设计制造时的用料，并且在农机工作时各种操作性能也得到改善，大大激发了国内市场中农用机械的竞争力[4]。

轻量化是在稳定提升车辆性能的结构基础上，节能化、性能化地设计车体结构零部件，使其逐渐薄壁化、中空化、集成化，从而降低农机车架和部分机械覆盖件的重量。对于大型农业机械来说，降低自身重量达到减少油耗的效果，从而大大减少了能源的消耗。而且尾气的排放量也随之减少，进而减少对环境的污染，保护环境[5]。

从农机作业的角度来看，轻量化后在稳定性、噪声和振动性也有所提高。从安全方面来看，如果农机作业时错误发生急停，本身的惯性较小，制动距离就减少，预防生产损失。再加上在行驶碰撞过程中塑料材料的冲击较小，因此会更安全。实现车体轻量化的方法有：1）车架小型化，设计小排量农机。2）农业机械的合理化结构以及零部件的设计优化。3）就现状来说，解决农业机械轻量化最关键方法之一就是采用新的轻量化制造材料。在汽车车架的结构，如车身、车子动力转向系统、车体悬架、轮子、覆盖件、制动等上应用轻量化材料，都是农业机械结构设计的首选方向[6]。

目前，在轻量化方面的研究大多集中于采用新型材料，但由于制造成本、加工工艺、保护环境等方面的问题，这些材料很难用在一般农用机械上；在设计优化保证满足机械零件所有力学性能的需求下，农业机械轻量化设计才更有实际意义[7]。

2 轻量化材料

当今，汽车优化程度与设计制造的程度息息相关。而优化农业机械的重中之重就是材料。由于当今世界的潮流是节约能源和保护环境，农机制造企业应规划新对策，想方设法减少损耗以及污染气体的排放。因此，只能从降低车身重量入手。通过新型制作材料来增强汽车的综合性，从而让车架结构重量减少，实现环保和可持续发展[8]。

2.1 高强度钢

高强度钢制造材料应用在车辆设计制造材料中的比值，是其他类金属制造材料的4倍，金属制造材料的轻量化对车身重量轻量化有着举足轻重的影响。高强度钢本身属性能很好地提高车辆安全驾驶和稳定可靠性能[9]。

通过运用力学性能较好的材料以降低材料使用量，来实现轻量化的目的，有着巨大潜力。在保持制造费用不变的基础上，保证车辆驾驶的安全可靠，可减少钢板的厚度值，大大降低车身质量，达到减少排放、节约能源的目的。由于高强度钢板可以提升车辆抗碰撞能力，减轻自身重量。依靠其强度可以缩小车身结构零件及支撑件的横截面积，从而改善材料的抗碰撞和抗疲劳方面的性能[10]。

如今，从抗拉强度来定义划分，车辆设计制造行业中使用最广的制造材料是高强度钢，其中还包括双相钢、马氏体钢等。通过自身的硬度高的优点，减少自重的同时加强驾驶安全可靠性。目前，主要应用在安全方面（保险杠）、主受力结构方面（防撞梁、支撑柱）等[11]。

在农机制造行业中，高强度钢尽管应用比较普遍，但也有几个难题。比如，其本身的延伸率较低，硬度增强的同时延伸率反而慢慢下降；在制造过程中，钢材的弯曲强度随着长度增加而减少，经常会出现回弹性能，控制难度大。随着制造技术的不断改善，其本身的性能获得很大的提高，钢的延伸率也获得改善。使用制造行业前沿的新技术工艺达到降低车身自重的目标，为进一步实现车辆领域轻量化作出了很大的贡献[12]。

2.2 铝合金

铝合金是一种轻金属合金，自身的密度达到了钢的一半，但屈服强度却跟钢材质的一样，铝材料作为轻金属，在制造行业中使用比较广泛。用其制造的车身能在很大程度上降低质量数值，铝合金相对于钢铁等材料，可减少一半以上，从而起到节能减排、保护环境等作用，带来经济效益和社会效益。由于本身的研发费用高，现如今使用全铝车身的大都集中在世界制造厂商的名牌汽车[13]。

在吸能性能方面，铝材料要比钢材好得多，这同时也是比钢材普遍应用的原因。在设计制造的相撞测验中得出铝材料更具有安全可靠性，当车辆发生车祸时，通过车前部形成褶皱和变形，车前部可吸能缓冲大部分的撞击力，从而保障车内人员的生命安全。在应用铝材料制造农业机械时，用在农机的前后车身覆盖件或车身横梁等，车身质量大大减轻，行驶速度一样的情况下降低动能，车祸发生时能降低伤害[14]。

目前，国际竞争越来越激烈。铝材料得不到广泛应用主要还是因为价格太昂贵，生产成本费用较高。其次，能够修复铝材料的厂家企业比较少。现在，铝合金材料大都应用在车辆发动机的内部零件上，像油底壳、内燃机机体、活塞等[15]。

2.3 镁合金

镁在力学性能方面与铝材料相仿，密度仅是铝材料的三分之二，减震能力也比铝的效果好，并且可回收性好，符合环保要求，是农业机械轻量化所选用金属制造材料中效果最好的首选材料。具有机械加工性能好、屈服强度高、重量轻等优点，在稳定性、减震性、散热性方面都有不错的效果[16]。镁合金密度一般比铝合金轻30%～50%，比钢材轻65%以上。由于其良好的铸造性能以及模态[17]，在农业机械的各零部件的设计研究中，可用在农机内装系统如窗框架、转向盘、座椅底座、前端支架、车身、车门、前后舱体、仪表板、座椅、中控支架等；动力传动系统中副车架、轮载、悬架、转向器也可采用[18]。

对于农业机械而言，节约能源、保护环境、驾驶安全、行驶舒适、更智能化和网络控制是未来农机发展的大趋势[19]。随着全球资源和能源危机加剧，降低能耗和污染、节约能源、可持续发展、保护环境是大势所趋。通过将镁合金用于车辆的轻量化，对降低能源消耗、减少污染、保障国家安全有着极其重大的意义[20]。

现如今，镁合金材料及其制品已列入国家中长期科技发展规划，发展高性能镁合金材料和技术，需要大规模宣传和应用。国内的研发机构对镁合金研究尚处起步阶段，材料本身在性能上也存在着众多的问题。比如，它的耐腐蚀性比其他制作材料要差一些，限用于车身内部的零件，或者车辆工作环境好的情况下[21]。因此，还需要对新的镁合金材料和其制造成型技术进行深入研究，加大对科研人员和研究设备的投入，才能推动在农机产品的规模化应用，产生显著的社会效益和经济效益[22]。

2.4 钛合金

钛合金各个方面的性能良好，相比于其他几种材料有很大的优势。它的优点是重量轻、密度低、屈服强度高、耐高温、耐腐蚀性好等，适合用在农业机械上。通过减轻农机工作部件的重量以及缓解车架相关结构零件的负载能力，提高内部的发动机性能，能很好地降低农机作业时的车身震动，提高工作效率[23]。

钛材料在环保方面的性能也是不错的。因为其本身有着新型材料的特点，所以也得到了各国汽车制造商的关注。钛材料本身密度不高，密度值在铝材料和铁材料密度值之间，农用机械将其应用在制造设计各零件当中，也会有相当显著的效果。现如今，各类品牌汽车在发动机系统和生产零件上使用钛材料也是普遍存在的[24]。

钛材料也普遍应用于车辆的排气系统，设计制成的零器件可比其他材料制成的轻一半。在生产作业稳定性和强度不变的情况下，重量越轻车速更快，并且节省燃料。现如今，钛加工技术越来越完备，一些经过改善后的加工设备、刀具能对大型结构件、零构件实现精准加工处理，大大提高了加工制造的效率[25]。

虽然车辆轻量化技术发展较快，但是钛合金在国内制造行业中的使用并不多，最根本问题就是钛合金材料价格昂贵，各个零部件加工费用高，焊接技工差也是亟待解决的问题。在未来的发展趋势中，如果可以降低原材料的研发费用，降低钛制零部件的销售价格，并通过有效的加工方法改善钛合金性能，就能促使钛合金在各个领域的应用发展[26]。

2.5 复合材料

塑料金属复合材料。由于各种塑料金属复合材料的结构致密，老化程度相对较小，拥有良好的保温防水和隔热性、耐腐蚀性，容易用于制造和加工成型车辆中一些结构复杂的重要零配件[27]。所以汽车使用的各种塑料金属复合材料及其制造工艺加工简便，耐冲击，隔热性能好，设计利用空间大，外观设计多样化，绝热保温性能良好。目前，在新一代能源和纯电动车辆中，塑料金属复合材料是能够实现高密度、轻质量和小量化技术应用的重要复合材料[28]。比如，塑料钢的比重远远要低于铝和镁合金，是一种十分典型的轻质重量化耐用建筑材料。

塑料材料在非金属制造中普遍应用的是聚丙烯和聚氨酯等。它有着抗腐蚀性强、费用低、重量轻等优点，能提高车辆整体舒适性，对于车辆装饰美化方面有着显著效果。在整个车辆设计构造中内饰件、外饰件都采用塑料材质，尽管国内车辆制造中应用最少就是非金属材料，但仍然占到总车质量的5%[29]。

一般民用级别的复合材料由于其强度问题，主要用在后排的座底骨架，且由于其成本问题，现阶段主要的进展在通过有限元软件进行优化上，并无太多的实际使用。另外，成本高也是使用少的原因。待以后生产费用成本有所降低后，实际应用可能性才有所提升和推广。

3 结语

目前，机械设计制造轻量化已是大势所趋，现代汽车制造、工程机械制造、重工业制造等领域，镁、铝合金、钢材、复合材料、钛合金等材料已经有了不同程度的应用。但恰恰在我国这样一个以农业为主的国家，轻量化农业机械设计制造反而特别少。主要应用在大型的农业机械产品，而应对各种场景、性能、功能的产品，面向中小类车型推广，减少轻量化零件费用等问题，亟需进一步研究和解决[30]。

因此，要增强我国农业机械产品在国际市场的竞争力，就必须大力推广轻量化产品设计的应用优势，有效降低机械原料的大量使用，减少燃耗，增强农业机械操作和运行的稳定性[31]。因此，随着国内农业机械向高端和环保化的方向发展，轻量化的产品设计在一定程度可能会逐渐成为国内大型农机、机械制造企业未来发展的重心。同时，农业机械轻量化设计能有效降低资源消耗，减少环境污染，推动农业机械产业实现可持续发展[32]。