范文一:汽车轻量化设计
汽车轻量化设计
“低碳”经济如今成为全球最热话题,随着上海世博会出行普通采用纯电动、 混合动力、燃料电池等新能源汽车以及新能源汽车补贴政策的实施,汽车行 业也燃起了一股“低碳”经济热潮。不过大家关注汽车行业低碳经济的时候, 往往首先想到的就是新能源汽车,事实上,只要有利于减少排放和污染的技术都可以称之为低碳技术。今天我们就来讲讲汽车行业的另类“低碳”经济——全球汽车轻量化设计风潮。
汽车轻量化是不折不扣的“低碳”经济
汽车轻量化,并非没有技术含量的简单降低汽车重量,事实上诸如碳纤维代 表着当今最先进的汽车技术。汽车轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提 下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力利用率,减少燃料消耗,降低排气污染。汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。权威研究显示,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。而在驾驶方面,汽车轻量化后其加速性能也将得到提高,而在碰撞时由于惯性小,制动距离也将减少。此外,车辆每减轻100公斤,二氧化碳排放可减少约5克/公里。可见汽车轻量化的节能环保效益觉不亚于汽车发动机技术节油技术。当前,由于环保和节能的需要,汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。实施汽车轻量化的主要材料有碳纤维、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等,主要用来改造和替代车身材料。汽车轻量化大致可以分为三类:车身轻量化、发动机轻量化、底盘轻量化。其目的均是在保证性能的前提下通过使用更轻材料降低车重,从而实现节能环保功能。将车身轻量化运用到极致的当属大量使用碳纤维的F1赛车,不过由于追求速度和激情,燃油消耗依然严重再次不做介绍,但可以肯定的是如果F1赛车不采取轻量化车身,其燃油消耗将更为惊人。
奥迪、捷豹、莲花引领车身轻量化设计
铝制车身与钢板车身相比重量大约可减轻40%,可明显降低能耗,碳纤维的效果则更为突出。而且轻量化车身的回收利用率也较高。因此车身的轻量化对提高能源利用率和环保具有重大意义。
在豪华车领域捷豹XJ 和奥迪A8从来都是车身轻量化的践行者,奥迪A8首创了 ASF 铝合金空间桁架车身轻量化技术,因成为世界上首辆全铝合金车身的产量型轿车,奥迪A8一战成名。以国际上最新一代的奥迪A8为例,其采用ASF (AudiSpaceFrame )铝合金空间桁架车身结构,其整体结构刚性则提升25%, 但车辆结构因大量采用铝合金材质而节省6.5公斤。奥迪宣称其新A8的四驱版 本的重量低于同级的奔驰S 级和宝马7系的后驱版,而比同样是四驱的S 级或者 7系至少要轻上100-200公斤。ASF 组件大多以铝制成,不仅帮助奥迪减轻车身 重量,也保证了良好的吸能和制动的效果。与此同时,这些铝制零件还可以规 模回收再利用。
捷豹XJ 首创的铆钉固定全铝合金承载式车身轻量化技术同样是其在豪华车 中留有一席之地。以全新捷豹XJ 为例采用先进航空制造技术的铆接胶合铝合金 车身结构在保持了超凡的刚度和安全性同时车身重量轻于其他竞争车型。比如, 同样配备V 型8缸发动机的竞争车型,德国戴姆勒公司的5.5L 排量“梅赛德斯·奔驰S550”重1950kg ,宝马公司的4.4L 排量“750i ”重2040kg 。而新款XJ 为1850kg ,比竞争车型轻100kg 以上
莲花跑车可谓当今汽车轻量化的最为杰出的代表,以莲花2010ExigeCup260 为例,该车采用来自Toyota (丰田)的1.8升机械增压发动机,最大马力260 马力,搭配6速手排变速箱,其百公里加速却只需4.1秒达到超级跑车的性能。 其秘密就在于车身的轻量化。莲花2010ExigeCup260在顶、尾门、中控台、后扰 流尾翼等部位使用碳纤维材质。同时也使用了铝合金机械增压管路、轻量化锻造铝圏、轻量化飞轮和轻量化电池等轻量化材料,这让2010ExigeCup260的重量仅有890kg 。但是莲花并没有失去其操控稳定性能,2010ExigeCup260通过将后底盘刚性增加了30%,前308mm 后282mm 的大刹车碟盘,比2009ExigeCup260 的尾翼寛181mm 高46mm ,在160km/h时可提供42kg 下压力的大型扰流尾翼, 让Exige 车型原本已经非常出色的操控和转向能力获得更进一步的提升。在国内则不得不提及以车身轻量化技术著称的马自达6和睿翼,两款轿车的安全和操控性能多不错,但由于采用了高强度钢结构,其车身重量相比同级别车型50-100 公斤,从而带来较好的燃油经济性。
宝马、奥迪引领发动机和底盘轻量化
发动机和底盘的轻量化,一般都是采用铝合金或镁铝合金结构代替笨重的铸铁发动机部件和普通钢制悬架部件,从而实行更强强度和更轻的质量。以这一代宝马530的前悬挂和直列6缸引擎为例,铝合金材料的大量运用,有效的控制了 二者的自重,从而帮助设计师实现了降低12%单位油耗的既定目标。发动机材质通常采用三种方式:缸体缸盖全铸铁、缸体铸铁缸盖铝合金以及缸体缸盖全铝合金。目前缸盖采用铝合金的发动机动机较多,但缸体仍然是铸铁。全铝合金的发动机并不算多。如国内新天籁搭载著名的VQ 系列发动机就采用了缸体和缸盖全铝合金材质,可称为轻级别的轻量化发动机技术。宝马经典的直列6缸、V8发动机都是轻量化发动机的杰出代表。宝马发动机轻量化技术则可称为高级别的轻量化技术,目前宝马大部分车型上的发动机都采用了其独创的镁铝合金材料技术,典型的并是其直列六缸发动机。当然装载在其M3系列的V8发动机,更是运用了F1发动机的轻量化技术,由硅铝合金压铸而成的曲轴,及硅晶体制的汽缸衬垫等轻量化零件,将发动机的重量压低至202千克,甚至比以前的直6发动机还减轻了15公斤。底盘轻量化主要是铝合金材质的控制臂代替传统的钢材质控制臂。以全新宝马Z4跑车为例,其前悬挂采用的铝合金材质的双控制臂结构,重量比普通的钢制车桥轻了约30%,既能保证强度,又能提升车轮回弹速度。奥迪汽车底盘的轻量化则以采用轻质的锻造铝合金悬架而著称,从奥迪TT 、R8 到A8几乎进口的奥迪车都采用轻质铝合金悬架。
随着汽车轻量化的不断升入, 现在各厂家开始对其他占比重量大的零部件也开始轻量化设计, 比如座椅, 在乘用车上, 驾驶员座椅, 付驾驶员座椅及后排座椅大概
重70-80公斤, 通过采用先进的分析技术和材料工艺, 整个座椅可以减少10公斤. 根据对大主机厂的座椅分析, 现在在座椅中采用1.5毫米厚的热成形材料越来越多, 相比以前使用的3毫米普通材料, 对于这些零件可以减少1半的重要. 最近的发展有采用高强铝合金来生产座椅骨架, 也可降低重量. 目前大多在研究和分析阶段. 但应该将在未来实施的方向.
汽车轻量化带来的是汽车技术的提升, 使低碳成为现实. 使材料科技和其他相关技术得到发展. 对促进整个社会发展有着重要意义. 该技术总体来说, 国外已领先我国多年, 我们国家应该加大力度支持, 因为我国的汽车销量全球第二, 如果实施得力, 对我国的能源和PM2.5 将做出贡献.
范文二:汽车轻量化设计
汽车轻量化设计
Automobile lightening design for energy conservation
and environmental protection
课程名称:汽车节能与减排技术
汽车轻量化设计与节能环保
摘要:综述了汽车轻量化与节能环保的关系、轻量化的途径、轻量化面临的问题、轻量化的发展方向,强调了使用新型材料是实现汽车轻量化的有效措施之一。 关键词:汽车轻量化;新材料;节能;环保
Automobile lightening design for energy
conservation and environmental protection
Abstract: The relationship between automobile lightening and energy conservation and environmental protection, the approaches and development direction of automobile lightening and the problems facing are summarized. The application of new type materials is considered to be the main approaches to achieve the automobile lightening.
Keywords: automobile lightening; new type materials; energy conservation; environmental protection
前言
随着世界能源紧缺和环境污染问题日益加剧,对汽车的节能环保要求也越来越高。汽车轻量化成为汽车产业的发展方向之一,也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。轻量化早就成为我国汽车制造业的发展主题,在学习和时间科学发展观、强调汽车产业可持续发展的年代,面对节能环保要求和原材料价格上涨压力,加速汽车轻量化进程就越发显得迫在眉睫。汽车轻量化对节能减排的效果直接而显著,据国际权威部门统计,汽车燃料约60%消耗于汽车自重,汽车质量每减轻10%,可降低油耗6%~8%。目前,考虑到汽车巨大的产量和保有量,这将大大降低能耗总量和环境压力。除此之外,汽车轻量化也有利于汽车的操控稳定性能的提升,减小振动,冲击和降低噪音,提高零部件的耐用性和安全性能。 汽车轻量化实现途径和关键技术主要有以下几个方面:一是轻质材料的应用;二是结构轻量化设计与优化;三是新型制造工艺技术的使用。构成汽车的2万多个零件中,约86%是金属材料,且钢铁占了约80%,这表明通过材料的轻量化来减轻汽车自重有着巨大的潜力。
汽车轻量化与节能环保
汽车行驶时,汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率、爬坡阻力功率、空气阻力功率和加速度阻力功率。用汽车功率平衡方程式表示:式
(1)
(1)式中,m 为汽车质量;U a 为汽车速度;ηT 为传动效果;f 为滚动阻力系数;g 为重力加速度;i 为坡度;δ为旋转质量换算系数;C D 为空气阻力系数;A 为迎风面积。
从式中可知,空气阻力主要与车身的形状、迎风面积等有关,并与速度的三次方成正比,但它与整车的总质量无关。而滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与整车质量成正比。所以减轻自身质量,就减轻了整车总质量,从而就正比例地减少了上述3种阻力,也降低了能量消耗。
世界铝业协会的报告指出,轿车质量每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%。对总质量16~20t的载货汽车,每减重1000kg 则可以降低油耗6%~7%。油耗的降低,意味着汽车的排污量的降低。因此,减轻汽车的自重,对于电动汽车而言,是节能的最有效措施之一;而对于燃油汽车来说,是节能环保的最有效措施之一。
轻质新材料的应用
与汽车自重下降相对应的轻质材料所占的比例不断上升,高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料和复合材料的应用越加广泛。为了减轻车重,制造商正在限制钢材的使用,尽力寻求适合特定零部件的替代材料,汽车已成了复合材料的混合体。
1 高强度钢
车身与底盘轻量化的有效手段是采用具有高碰撞安全性的高强度材料,高强度钢对汽车轻量化的发展起着举足轻重的作用。当钢板厚度分别减小0.05mm 、0.10mm 和0.15mm 时,车身的重量分别减轻6%、12%、18%。采用高强度钢板还可提高汽车车体的抗凹陷性、耐久强度和变形冲击强度。目前全球各国正在尽力开发各种高强度钢板、超高强度钢板,并加快其在汽车轻量化的应用步伐。
如荣获国产中高级轿车“节能之王”的马自达睿翼,其高刚性轻量化车身采用了抗拉强度为590Mpa 高强度钢板,以及780Mpa 、980Mpa 和1480Mpa 超高强度钢板制成,使该车在国产2.0L 、2.5L 车型整备质量为最低,综合油耗也是同类车型中最少。
2 铝合金
铝合金的比重仅为钢的1/3,与其他材料相比,轻量化效果好、成本较低、耐腐蚀性、可回收利用,被广泛应用于发动机、传动系统、车身和底盘部件。
铝合金分为铸件、锻件、板材和轧制件。戴姆勒Maybach 和奔驰S 级轿车V12发动机采用铝合金缸体后,缸体重量仅38kg 。奥迪1.8L 涡轮增压汽油机将灰铸铁缸体改成铝镁合金后,发动机整机质量从145kg 降为122kg 。
采用全铝空间框架(ASF )结构的奥迪A8重量比同等车型钢制车身轻50%,其静态扭转刚度提升了60%。
汽车工业使用的铝合金每年以6%的速度递增,欧洲制造的轿车平均车重1100kg ,其中用铝85kg 。预见未来10年,汽车重量中铝合金所占比例将比现在高一倍。
3 镁合金
镁合金比重为1.8,比铝还轻1/3,强度和刚性也较好,作为轻量化材料一直备受业界的关注。近年来,镁合金在座椅和仪表板骨架等大部件已进入实用化阶段。在镁合金中添加Ca 和稀土元素,提高其耐热性,目前已开始应用在机油盘壳和变速器壳体上。
除镁合金铸造工业外,锻造、挤压、轧制和焊接新工艺也处在研发中,研究成果将展出不穷。
4 工程塑料
塑料具有密度小、成型性好,耐腐蚀、防振、隔音隔热等特性,同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。近年来,其在汽车中用量迅速上升。
工程塑料的应用已从汽车外饰件、内饰件扩展到包括发动机和底盘在内的结构件,仪表、电子电气和冷却系统,以及车身覆盖件等诸多零部件,并形成五大类,品种已超过1000个汽车材料体系。
工程塑料的用量已成为衡量现代工业发展的重要标志之一。发达国家每辆汽车的工程塑料用量已达300kg (占整车质量为20%)。随着汽车轻量化技术的发展,预计到2030年,将达500kg 。
丰田的1ZZ-FE 发动机,经极为严格的轻量化设计,包括采用塑料进气歧管等各种轻量化零件,发动机仅重96kg ,丰田称它为全球同排量发动机中最轻一款。
5 复合材料
由于汽车轻量化对节能减排的卓越贡献,由此引发了各种轻量化材料的开发和应用的推陈出新。其中树脂基复合材料和碳素纤维增强复合材料的应用已成研发热点。
6 树脂基复合材料
树脂基复合材料具有投资成本低、设计自由度大、轻质高强度、耐腐蚀等特点。特别在小批量生产的车型领域已成为欧美汽车产商开发新车型的首选材料。
目前,树脂基复合材料作为汽车车身的覆盖件在设计和制造工艺等方面均已成熟,并已向内饰件、结构件方向发展。
7 碳素纤维复合材料
碳素纤维复合材料(CFRP ——Carbon Fibre Reinforced Plastics)作为21世纪的新材料,因其高强度、高弹性模量和低比重性能,适用于制造车身、底盘等主要结构件的轻质材料。用CFRP 制造的车身和底盘可减重40-60%,相当于钢结构重量1/3-1/6。
当前,由于CFRP 成本过高,仅在F1赛车、高级轿车和小批量车型上有所应用。如丰田1/X混合动力车车身骨架采用了CFRP ,保险杠、前后挡泥板、散热器支架以及燃油箱均采用树脂材料,使车重降为700kg ,创2.7L/100km超低油耗纪录。
CFRP 还因其环保、耐磨等特点也应用于制动盘上,如法拉利F430装备的碳纤维陶瓷制动盘。
英国Kahm 公司使用CFRP 制造RX-X 高级轿车专用车轮,仅重6kg 。德国车轮制造专家Wheel and More 推出的碳纤维车轮系列,比同尺寸的铝车轮还轻30%。马自达RX-8传动轴也采用碳纤维材料制成,既保证了强度,也降低了重量。
汽车轻量化面临的问题
汽车轻量化面临的主要问题有2个:新材料成本与车辆的安全。
对大量轿车碰撞事故的统计数据进行分析,结果表明,1、2两辆车正面碰撞后的乘员死亡比例R 1/R2与车辆的自身质量存在如下经验关系
R 1/R2 = (m2/m1) 3.58 (2)
式中,R 1、R 2分别为车1、车2的死亡人数,m 1、m 2分别为车1、车2的质量。 由(2)式可知,两辆车正面碰撞后,轻车的死亡人数远多于重车的死亡人数。当轻车质量小于重车10%、20%时,其死亡人数将分别高于重车的45.8%和122%,可见轻量化会使汽车的安全性能大大下降。
为了显著提高车辆的安全性,轿车车身采用了动静态屈服强度比高的高强度钢、冲击能量吸收率高的轻合金以及结构泡沫等新材料。结构泡沫是一种泡沫材料,常用聚氨酯、环氧树脂和尼龙/玻璃纤维复合材料等作基材。目前结构泡沫材料被作为加强内衬,广泛用于轿
车车架中的某些关键部位。实验表明,结构泡沫可显著增加车身的刚度,能吸收更多的冲击能量。
轻量化的发展趋势
汽车轻量化目前一般是通过合理的结构设计和发动机、变速器、悬架、车身及其他附件等使用轻质材料的方式来实现。目前最为普遍的是使用高强度钢来作为汽车轻量化的措施。研究表明,采用高强度钢板在相同强度设计条件下可以减少板厚及重量,同时还提高了汽车车体的抗凹陷性、耐久强度和冲击安全性。
未来,碳纤维材料或将引领汽车“瘦身革命”. 为达到极致轻量化,不少汽车厂家在汽车的制造和改装过程中开始尝试大量应用碳纤维增强复合材料。其实,碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,抗拉强度却达到钢的7-9倍,以其制造的汽车可以节约燃油30%。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域,随着近年来碳纤维行业的逐步发展,才慢慢向汽车以及其他民用领域扩展。
目前,阻碍碳纤维在汽车领域商品化的关键因素是制造成本。不过,随着碳纤维行业的不断成熟与发展,以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引,碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见,碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流,一个新的市场突破点正在形成。
轻量化技术无论对传统汽车,还是新能源车都是一项基础的共性技术,它不但关系汽车安全、节能和环保等诸多方面,而且又涉及到技术、经济、环境多项复杂系统工程,包括零部件优化设计、检测技术、先进制造工艺、材料回收、维修保养等。作为节能的有效手段,汽车轻量化技术已成为汽车工业持续发展的重要研究课题之一。汽车轻量化是提高汽车竞争力的需要,更是节能减排战略的紧迫任务。
参考文献:
1 汽车轻量化是节能环保的有效措施 作者:陈铭年,潘翔,梁霖锋
2 汽车轻量化关键技术的应用及发展 作者:朱宏敏
3 百度百科搜索 汽车轻量化 http://baike.baidu.com
范文三:汽车轻量化设计
汽车轻量化设计:我也是“低碳”经济
“低碳”经济如今成为全球最热话题,事实上,只要有利于减少排放和污染的技术都可以称之为低碳技术。今天我们就来讲讲汽车行业的另类“低碳”经济——全球汽车轻量化设计风潮。
汽车轻量化,并非没有技术含量的简单降低汽车重量,事实上诸如碳纤维代表着当今最先进的汽车技术。汽车轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力利用率,减少燃料消耗,降低排气污染。。权威研究显示,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要6%—8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。而在驾驶方面,汽车轻量化后其加速性能也将得到提高,而在碰撞时由于惯性小,制动距离也将减少。此外,车辆每减轻100公斤,二氧化碳排放可减少约5克/公里。可见汽车轻量化的节能环保效益觉不亚于汽车发动机技术节油技术。
奥迪A8的ASF铝制车身
当前,由于环保和节能的需要,汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。实施汽车轻量化的主要材料有碳纤维、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等,主要用来改造和替代车身材料。汽车轻量化大致可以分为三类:车身轻量化、发动机轻量化、底盘轻量化。其目的均是在保证性能的前提下通过使用更轻材料降低车重,从而实现节能环保功能。将车身轻量化运用到极致的当属大量使用碳纤维的F1赛车,不过由于追求速度和激情,燃油消耗依然严重再次不做介绍,但可以肯定的是如果F1赛车不采取轻量化车身,其燃油消耗将更为惊人。
全球最为著名的民用车身轻量化的车型主要有捷豹XJ及XJL和奥迪A8及A8L当然还有被中国人民逐渐淡忘的莲花跑车。
捷豹XJ首创的铆钉固定全铝合金承载式车身轻量化技术同样是其在豪华车中留有一席之地。以全新捷豹XJ为例采用先进航空制造技术的铆接胶合铝合金车身结构在保持了超凡的刚度和安全性同时车身重量轻于其他竞争车型。比如,同样配备V型8缸发动机的竞争车型,德国戴姆勒公司的5.5L排量“梅赛德斯?奔驰S550”重1950kg,宝马公司的4.4L排量“750i”重2040kg。而新款XJ为1850kg,比竞争车型轻100kg以上。
莲花跑车可谓当今汽车轻量化的最为杰出的代表,以莲花2010ExigeCup260为例,该车采用来自Toyota(丰田)的1.8升机械增压发动机,最大马力260马力,搭配6速手排变速箱,其百公里加速却只需4.1秒达到超级跑车的性能。其秘密就在于车身的轻量化。莲花2010ExigeCup260在顶、尾门、中控台、后扰流尾翼等部位使用碳纤维材质。同时也使用了铝合金机械增压管路、轻量化锻造铝圏、轻量化飞轮和轻量化电池等轻量化材料,这让2010ExigeCup260的重量仅有890kg。但是莲花并没有失去其操控稳定性能,2010ExigeCup260通过将后底盘刚性增加了30,,前308mm后282mm的大刹车碟盘,比2009ExigeCup260的尾翼寛181mm高46mm,在160km/h时可提供42kg下压力的大型扰流尾翼,让Exige车型原本已经非常出色的操控和转向能力获得更进一步的提升。
发动机材质通常采用三种方式:缸体缸盖全铸铁、缸体铸铁缸盖铝合金以及缸体缸盖全铝合金。目前缸盖采用铝合金的发动机动机较多,但缸体仍然是铸铁。全铝合金的发动机并不算多。如国内丰田系列发动机就采用了缸体和缸盖全铝合金材质,可称为轻级别的轻量化发动机技术。
版权声明:本文系腾讯汽车独家稿件,版权为腾讯汽车所有。
丰田也是汽车轻量化的先行者,带来优异的燃油经济性的同时也保证了车辆的操控和安全性,如全铝发动机、GOA车身、行人保护等先进技术。
范文四:汽车轻量化设计理念
2010年海南省机械工程学会Ⅱ一109
从表5的分析结果中可以看出仅从连接点
的刚度来考虑的话,仅类焊点是完全可以取消。但如果是作为一个完整的可行性分析却还
线性的接触情况,完善了企业的分析方式;最后在工程方案的确定上进行了计算筛选。
要参考很多的别的工况,以及对整个白车身的弯曲、扭转和模态的影响,综合考虑才能做下
结论。
6.结语
通过对某款家用轿车B连接点的刚度分析。尝试了新的焊点模拟方式带来的便捷并也对网格尺寸的大小进行了验证,提高了对网格
7.参考文献
[1]美国A1tair从司上海办事处。上海:宣
传资料:2007
[2】周中坚,卢耀祖。机械与汽车结构的
有限元分析。上海:同济大学出版社,1997
作者简介:第一作者:张羽翼、男、汉
问题的认识;第一次在连接点分析中考虑了非族、湖南泪罗、1982年4月、工程师、学士
汽车轻量化设计理念
王洪印
(一汽海马汽车有限公司海口570216)
摘要:文章主要从以下三方面介绍汽车轻量化技术的应用及发展,包括轻量化材料的应用及发展,汽车轻量化工艺技术发展,汽车结构轻量化设计思路。以及材料应用、技术运用过程当中需要
解决的问题及发展方向。
关键词:轻量化;轻质材料;热成型;奥氏体;马氏体
Lightweightdesignconcept
WANGHONG-yin
car
(FamHaima
Automobile
Co.,LTD,Haikou
570216)
Abstract:Thismainlyintroducedfromthreeaspectsoftheautomobilelightweighttechnology
applicationanddevelopmentoflightweightmaterials,includingtheapplicationanddevelopmentofautomotive
technologydevelopment,lightweightautomotivestructurallightweightingdesignideas.Andtheapplication
materials,technologyapplicationprocesstosolveproblemsanddevelopingdirection.
Keywords:weightlightening;lightweightingmaterials;hotpressforming;austenite;martensite.
引言:
人们对于未来汽车的主要发展方向已经达成了共识,即节能、环保与安全。其中节能与环保是紧密联系的,因为排放标准中对于有
害物的计量是以g/km单位来计算,显然一辆车如果更加节能的话,其相应的有害物百公里排放量也自然更少。为了达到降低油耗,减少环境污染以及节约有限资源的目标,目前,一
2010年海南省机械工程学会
是电动汽车及混合动力新型能源汽车;二是汽
应用对世界能源、自然资源和环境具有深刻的
影响,它已成为汽车材料技术发展的主导方向。
车轻量化。无论是电动驱动还是汽油、柴油驱动的汽车,减轻汽车本身重量是提高汽车的燃油经济性、节约能耗、减少污染的重要措施之一。以不影响汽车的安全性、抗振性以及舒适性为前提,同时又能保证成本具有竞争力。一般汽车零部件质量每减轻1%则可节油1%;运动件质量每减轻1%贝WJ可节油2%。试验表明,汽车质量每减轻10%,油耗下降6%~8%,排放下降4%。另外,从驾驶方面来讲,汽车轻量化后加速性提高,稳定性和噪声、振动方面也
1.汽车轻量化材料应用
目前,全球中型轿车平均质量约为
1200~1400
kg,汽车发达国家力争在2015年将
中型轿车整车质量减轻到1000kg以下,新环保
材料(材料本身具有环保性和可回收性)将扮演愈来愈重要的角色。与减轻汽车自身质量相
对应,汽车轻量化材料用量逐年增加。新材料的应用是实现汽车轻量化的主要途径之一。目前,可用来减轻汽车自重的材料有两大类:一类是高强度材料,如高强度钢和高强度不锈
钢;另一类是轻质材料,如铝合金、镁合金、钛合金、塑料及复合材料等。
1.1轻质材料【111.1.1铝及铝合金
均有改善。从安全性考虑,碰撞时陨性小,制
动距离减小。另外发生碰撞时,塑性材料对人的冲击小得多,所以更加安全。汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的
重要技术措施之一。因此,汽车轻量化成为汽
车工业界近期的研究热点之一。
铝作为汽车材料有许多优点,如在满足相同力学性能的条件下,比钢减少质量60%,且易
于回收、在碰撞过程中比钢多吸收50%的能
实现汽车的轻量化常采用两种途径:一是结构设计优化,二是应用新型材料。前者经过几十年的不断研究开发,日趋完善,空间已相对
狭窄。后者随着科学技术的发展和新材料的不断涌现,为汽车轻量化开辟了广阔的发展空
量、无需防锈处理等。随着铝合金化技术的发展和技术进步,铝中添加镁、铬、硅等合金元素
获得高强度铝合金材料,为汽车配件的轻量化、
间。轻量化材料对汽车工业的可持续发展具有重要意义,它不仅关系到车辆的节能、减排、安全、成本等诸多方面,而且汽车轻量化材料的
表l
高质量化、低成本化提供了可靠依据。铝材在
汽车应用主要表现在表1所示:
铝材在汽车上的应用铸造件
底盘系统动力系统
横梁、上下控制臂、转向器壳、制动钳、车轮、等
发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、水泵壳、油泵壳、滤清器底
座、正时齿轮罩盖、发动机支架、变速器壳等
其他离合器踏板、制动踏板、转向盘、转向节等
铝材件
车身系统热交换器系其他系统
发动机盖板、车门、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件散热器、机油散热器、中冷器、空调冷凝器和蒸发器等
冲压车轮、座椅、保险杠、车厢地板及装饰件等
2010{F海南省#l馈『判学会
锅合金的加I难度比钢材岛,成彤性还有待继续改善除此以外,成奉控制是未来汽车进一步应片j*{厶金的重蚓旰究睬题。
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2镁及镁台金
镁的密度仪由骨{的2,3,采门】镁制造汽车
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钒轻33%
比钢铁轻75c/:比11
3塑料殛非金属复合材料
:是亡比强垭高于舒{台金和钠,比轴科度j£复合材料是”类重要的m金属车Ⅲ轻质材料.它木仅可减轻零部什约40c±的质姑
刚度接近舒{台金和训,能够承受定的负茼,
具肯高度^々抗冲击rt
二是En有良好的铸造m目迁一U使采购成乖降低40ch左右J丘
陛和尺0稳定陀容易加工,废品率低.从而降低生产成水【_星E具有良好的阻尼系数,诫操量大十讲合金和铸铁。州于壳体可以降低
噪』‘-;用1座倚、轮圈“r以减少振动提高汽乍的安全性和舒适肚血是100%的町僻虾利
年柬塑料存汽1中的用量迅速P升。据统}|.世界汽车平均每牟JH塑料量在2000年就L达105妇,约占汽车总质量的8%~12e/t。塑料往轿车巾的H{靖较商如魁迪A2犁轿车的塑料件
也质量已逃220kg.【}】总用柑1]!J246%垃J△国家々-H{蛔料现已占犟料0消耗量的7%一11%.预“不久将达到10%一11%日前车Hj塑料居
川的原料资源。镁台金材料在^车上得到r广
泛的应州,涉驶剑的符种汽下零部件如H1所
爪
日“7位的*种与所F,比例大体见表2,
表2
聚圳希
PP
汽车-l,常用的颦料比例聚氯乙烯
PVC
%
聚J氡酯
PUR
热闶性复合村料
尼龙
聚乙烯阼
2】
嘲外汽车的内饰什L罐奉实现翅料化如今龌料“汽年中的Ji用范耐正在由内转件向外
装件车身结壮J什扩展.今后的审苣发展山…足扦发结构件外装件用的增强翊料复合材
服强度为210—550MPan々制定望为高强度钢fHSS).脯日K强度为550Mn的俐定义为超l岛强度钢{IIHSS)衙先进离强度钢l^Hs‘)的屈服强
腰介十HSS和IHSS之问的强度范阿高蝇度钢f}有良好的低温切性、成形性和焊接阵汽车
料、高性能树脂材抖,并对材料的可同收性子
“高度关沣。从品种L看聚烯烃材料冈密度
片{钢逐步向高强度化方向发展,当_l【9板厚度分别
减少005
mm
小性能较好日成奉低.近来有把汽车内饰和
外装材料统到聚烯烽材料的趋磐因此其用虽会有较足的增K预汁难丙烯和聚氯己烯今后分别可侏持8%和4rh的年j口K半.策己烯的增鹾势文也比较强劲
1
010millo{5
mm时车身减重
分别为6%12%18%
町见,增加钢板慢度
是减少钢板曙度溅轻车重n々重婪建释f过高盘度钢坤成JB
F,I掸大等Ⅵ翘需x十应措施米解
挑尚强钢t要应用0二车轮世择系统驶加强件、保险}I
时睛纵粱、4’fJ防樟粱地饭纵
2高强度钢铁材料
高强度钢按照uI,^B所呆州的术语,将屈罐以搜|{住等举部什.降12所示
\夕/\
世界范围内的35家王曼钢铁企业合作完成了‘超轻钢喷汽车车身’(U12;AB
LightStcclAuto
Ulh'a
r零什数量_l材料消耗降低r整车重量简化r装配T艺冈怖得到了越来越J泛的啦用,TWRfl{JT.L流稚女1l罔3昕示
Body)课题研究表明,车身
钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板(包括高强腰、超高强度和夹崖减重钮板),
可以在不增力¨成本的前提下实现I‘身降重25%(眦4门轿车为参照),日静态a【转刚度提高80%,静态弯曲刚度提高52Ⅸ.第午身结柑模舒提高58%当然+高强度钢板在车身l’的宴惭、mHj进束达到如此高的水平。欧洲超轻J“钠制车体的世¨中高强度牲相钢所占比
例超过S0%,还采用r约4%的机托强度达到
1200MPa和1520MPa的超高强度马瞳体钠
卿一唧一国
2汽车轻量化工艺技术发展21激光拼焊板技术(TailorWeldedTWB)
作为汽车轻错化前要技术之一已在汽车制造领域t'}Nt泛的咒沣和J“H{;敫光拼焊板是将儿块小同材质、jJf}=同曙度不同涂层的铡材nq£戍一块牲体概以满足零部件xt剌料性能自0小问坚求也一U以把棚Id材质的等厚利料焊接
Blank.
到起冲爪以{{}高材料利H{率
。l传统^焊1
Z帕产舳相比激光拼f#扳址显著的优“足减少
2010年海南省机械I。程学亡
........................。.,.............................................!!业
取得了一系列的成果,裁焊的每一块板在需要的地方都具有专门设计的厚度,而不是使铵块扳具有最厚区域的厚度。圈4是所示TRB在车身
山扳的应用。
廊,
(3)即使采用任何滁装措施,也无法彻底掩盖外观J一的焊缝,因此1wB用作车身外覆盖件捌料受到一定限制,但制作内覆蔷件或支承结构
件有极大的优势。
激光定制扳材被广泛应用于各个汽车公司,2000年用定制板材共生产了约7000万件汽车零什,2001年已超过9500万件,增长牢达到35%。一辆汽车的车身和底盘由300多个零件组成,采用定制板材技术可使零件数量减少66%.因此大大减少,模具数带,提高,材料的利用率。日本丰田汽车公司的侧围生产线采用定制板材后,模具由20副减少到4副,材料
利用率由柏%增加到65%。
H1扳料之问的拼接处存在着厚度的突变这对于模具的设计和制造是一个不小的难
题。
目附.由拼焊板生产的汽车零部件主要有前后车fJ内板、前后纵粱、伽围、底板、车fJ
内侧的A、H、c立柱、轮罩、尾门内扳等.世
界知名汽车制造商奔驰、宝r5、通用等相继在
车身中采用了激光拼焊板技术。国内外一些研究机构对拼焊板成型相关技术进行了研究,并
i_二=!
轮罩
莎j
曩柔
字
M*
图4
2
2洼续变截面薄板技术TRB(Tailor及整个车身的承载情况,在轧制之前选定有利丁
后续加工的板料型面。利JIICAD/CAM/CAE较件,这种优化设计可以通过DFM/DFA(而向制造
RoltingBlanksl…
正是由于TWB突然变截面的缺点,德国亚琛J二业大学的金届成型研究所(IMF)从1990q÷开始研制秉性轧制连续变截而技术。柔性轧制
的设计和ml向装配的谩计)等于段予以实现。图5所示为TRB的制造过程,电脑根据材料的曲
进速度和其厚度,对辊轧轮的间距进行宴时控
技术类似r{§统轧制加上力法中自g纵轧上艺坦最大不同之址是在轧制过程中乱辊的间距可以
实时鲥褴变化,从nJ使轧制的薄板沿轧制方向具有预先定制的变截而形状。设计人员根据后续成彤加工中钢板各个部位的实际受力和堂形以
制。德国MuI嘲公司是较早使川这项技求的钢
板生产企业,现在能将钢板的厚度公差控制在t
005
n帅。
』=iL!—————————————————————————
艘l【
一托恤^阳仆%拎捌
mB的优点足继承了TⅡ’B根擗载倚工M要求变截面的技术而日由丁是连续变截埘小
存A应力突变和焊缝此外…于7rRn的堂截面是由制造过挥中辊轧轮的运动形成的而不
像TwB需要拼接不同J晕度的钢板,田此TRB帕截面变形次数的增加对成本小会造成任何影
口n
TRB的缺点是变截面使得以往基十等截而研究得m的很多力学以及冲压成形理沧挪
无法适用凼此车曙覆盖什的檀具垃讣相半阳难.Ⅲ时.TRB在深冲』kH,l必{Ⅲ有多世后续的热处理工序_能保l£其吊终成形的精确h升H
FH啪变截耐厚度只能滑钢板通过压轧Ⅱt的运
动方向变化:
2,3液压成型技术
2.3
1内高压成型技术
内高压成型技术单堆原理就垃管内充满
高』k液体刑用模其使其成型,是制遗空心轻体
}£J件的先进制造技术.内高压成型件重量轻刚度好质铸高内高,E成刊技术基本是一
次成型,ln『月能适埘十制造各种复杂形状的构
件,ur减少模具的数量和I序制造周期也短、
而¨各类钢材、铝合金、钛合金等会属材料部适用H前在汽车制造r}-的应用有排气系统蚌彤竹件、副乍架总戚,仪表艋支架和Ilf『后轴等、图^所小
菠汐
;\、
23
2空心连续变截面钢管技术9
TRT是以TRB为齄础.杠后续成形过样中俺卅r替’¨液压成形技术
如阿7所示先将原料
放人模底a管件州端的冲头在液雎缸曲作崩r压人h将管件内部密闭液体通过冲土内的通道
施人符件nJ模向下移动d与下模台井开;成封啪的模睨高压裂与删fJ控制被体爪力水断增大,巾
头川山推动管件管壁逐渐贴近横具变形e最终得到所斋形状的产品f
茸盆罱
i■●'■
嚣。
!i叠罩
Ill一。●_
-_虬
÷翌j
图7
rRT的优点址继承fTRB的连续变截m瞅
术采用空心嘣环形挂面结构.不仪僦裁断积蜓小,实现进一步的轻量化而月与传统的车身承载件的{;巨蟛截面相比具有例佯的抗托Jj:干¨电突出的抗扭力学眭能
因此它在车身的纵桨
横
粱、i.边粱、A、B柱L有广泛的庙用前特尤
JE对于纵泶来说.小于目f樟宣仝r#n々考虑纵粱需曼前软圻硬的特肚而这对于睦续变撼嘶的rRT米蜕是非常容易实现,rRTf|(J缺点就是制造Z复杂,成啦较高
I'HIH莳还未,泛li川f系列化牛产的午
掣
德lH的Tlly”t
nKi
upp足少数几个馨握r
20Io年潍南省HL槭I‘程学会
TRT技术的公州从2001年起,开始r个旨在使车身轻昔化的、sBiNewSteelBodv)项目如圈8所小的前后纵梁和上边粱就是使f『J,
TRT。在NsB蹲[日的样车r有46%的车身部件
是封闭授面结构的,其中17%I_fITRT构成蛀终
使整车减蠹24*同时牟身整体的扭转剐度和
弯曲刚睦分别提高r】2%日144%。
\一
德国Salztigger稿lKamann公司』b例参与
自<JScatighl车身轻量化项目巾的试制车
1。程
师根据负载的夫小漫计了TR啪术的整体式
^柱其厚度从08~39tllm这样的结构小仪减轻重减少装配零件同时n碰撞时也能吸
收更多的能量,除了A托该车的B柱和横桨也返,nrTRT技术,最终使祭车减币18%
2.4热成型技术
超高强度钢板的热冲压成彤技术是减轻午身质量、提帛汽乍抗冲击年¨防撞比能的重要途径之一,热成型拄术冲压I艺如罔9所州.a卷材_.h落料一r加热(奥氏体化处理)
,d冲脏冷却(,5氏体)一一激光切荆_,廊砂
(脱氧处理)_g产品其中加热环节足柱力u
热炉中进}f.是奥氏体化处理过程.首先筇阶段预热阶段通过高频电加热到
定温
窿,之后通过气体传导加热到9(M)一9501。f;.最后通过高频fU加热进行保温,根据材科大小
及板材厚鹰保温时间柞制舟3…10
i、牟照氏
体化后将材料从加热炉转移到热成型摸其
中
废过程在空气中进}T,必须尽陕完成如
果成l』前材料温度降}r17801:U下.就可能形
成铁素体从lM恶化热成删零件fl‘NL槭性能,
材料在模H中成型在陵成型濉度下材料仃充舒的延忖!而易于成型复杂形状的零件,热成』”蜘般采JI]AI—Si镀层zn或zn合金镀
U1I5
层等^法以避免成刑过程tf-丧面氧化高温成
彤后的零件在摸托中陕速睁却f水冷)刮,{氏体完成温度以F
f
200℃).然后自然玲却到
90℃车i-从模肄中取….以侏证后续空冷币变
彤儿模具中取m后H{常规的片法进行剪迎处
理和表Ⅲ清理.最后热成型岑什卅点焊的由武装日C到汽车午身上,
9.‘膏事
器圈
■●●■■—■
=
图9
热成型钢都是胥硼钢.硼是一种关键合盘兀求.抑制成犁过程中铁求体形恢,通过锰、
铬和铂等提高淬透性防止球光体形成综台弩lg碳埘材料强度和焊接性的影响,一般热成犁钢中含有02%左右的碳热成型钢优点在丁强
度高、抗撺山性能好:缺点秕于成型后零部什本身韧性小好,在高谴撞击叫存耪脆化产牛撕裂、脆化问题是现在需要解决和考虑的问题.
1习内已经找到了些解决的办法.比如小火回炉消除啦力.以后还需要更深的探索,
热成犁钢作为汽车』II锕tp强度级别最高的钢种超高强度钢巾.只有,5氏俸钢的强懂uJ以达到1501)MPa,广泛』m用于汽年防碰撞的加
强什,前^i保险杆、车f』防撞粱、B柱等旧山很多汽车』商都有相应的应H{,海一5汽1
款t型B拄也采用丁泼技术
2.5结构件连接工艺”1
连接技术对汽乍轻醚化的发展有重拦意义如粘接铆接、翻边搭接、钎焊螺纹连接等.造耻r艺埘轻醚化蛙计有{H深的意Z
。点焊+粘接’复台往接技术正连渐成为
汽车构什制造领域的一删。I孙滑技术.几前超轻钢汽车州料电焊+粘接复合连接技术在旧外
汽车车身结构装焊上的应用大约以每年大于20%的速度增长,主要用于高级轿车的车身制造。如BMW7系列轿车白车身用了82%的高强度钢和18%铝合金,其中“点焊+粘接”复合连
接长度超过4m;大众汽车05
AUD
IA6的结构粘
接长度从原来的36m增加到122m,焊点相应地从6147个减少至115102个,而弯曲强度和扭转刚度分别增加了34%和20%,车重减少7kg。JaguarⅪ采用了3180个铆钉,以及相当于120ITI的环氧树脂黏性胶的铆钉胶合技术来组装冲压、铸造而成的整片式铝制车身,NewXJ的车身强度比上一代车型增加了60%,但质量却轻了近
40%(200kg)。
3.汽车结构轻量化设计思路
车身结构的轻量化设计可以分为2种方法:a在概念设计阶段就将轻量化的思想融人到车身结构设计中,设计出全新的轻量化车身;b对现有车型的轻量化改型设计。车身结构设计需要
满足车身刚度、模态、碰撞安全陛、疲劳寿命
和NVH特性等诸多方面的性能要求和相关的法律、法规及标准,进行轻量化设计也要满足上述性能的要求。
汽车结构轻量化设计是通过CAE优化设计方法,以原型车为基础的轻量化改型设计,需要考虑到改型设计的实际可操作性和由此带来的加工制造成本增加,因此要尽量不修改模具,并且仅以车身结构零件厚度作为变量进行优化设计,其设计流程如图10所示。
图1O
2010年海南省机械工程学会
以车身结构的弯曲刚度、扭转刚度和模
态的有限元计算为基础,经灵敏度分析后,应用修正可行方向优化算法,对车身结构部分零件的厚度进行优化计算,实现车身结构的轻量化改型设计,可以用强度好的材料来代替达到减厚的目
的,车身结构的弯曲刚度和扭转刚度都有不同
程度的提高,主要模态频率的变化也在1Hz以内,满足设计要求。
结论:
综述了汽车轻量化材料、制造工艺、及结构轻量化设计的发展趋势,显示出了汽车轻量
化技术应用取得了重要的进展。
汽车轻量化材料在现代汽车上的应用越来
越多,高强钢、铝合金、镁合金、塑料及非金属复合材料达到了增加强度和减重的双重效果。
(2)新型制造工艺技术也是汽车轻量化的重要方面,轻量化材料的合理利用以及轻量化设计的实现都有赖于制造和生产工艺的创新。
(3)汽车结构的轻量化设计通过试验研究和有限元分析的对比,验证了计算机数值仿真分析的有效性和可靠性。通过有限元法的计算,不仅能够预测车身结构的轻量化潜力,还可方便地对车身结构的刚度进行优化设计,并且充分证明车身结构存在既能减轻质量又能提高刚
度的可能性。
参考文献:
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化及其新技术的应用[J].材料开发与应用,
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J
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[4】李红,粟卓新.超轻钢汽车材料高效复
合连接技术研究进展[J].汽车技术,2008(2):
1~6
作者简介:王洪印、男、汉族、吉林榆
树、1979年9月、助理工程师、学士
汽车轻量化设计理念
作者:作者单位:
王洪印
一汽海马汽车有限公司 海口 570216
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7721336.aspx
范文五:汽车轻量化设计技术
《汽车设计》课程论文
题
学
专
学
姓
成
汽车轻量化设计技术 院 : 业 : 号 : xxxxxxxxxxxxxx 名 : xxx 绩 :_____________________
2012 年 6月 3日
目:
摘 要: ....................................................... 3
1.前言 ......................................................... 3
2.轻量化技术及其发展现状 ....................................... 4
3.实现汽车轻量化的主要途径 ..................................... 5
3.1合理的结构设计 .......................................... 5
3.2使用新型材料 ............................................ 6
3.2.1有色合金材料 ....................................... 6
3.2.2高强度钢 ........................................... 7
3.2.3塑料和复合材料 ..................................... 7
3.2.4其他轻量化材料 ..................................... 8
4.汽车轻量化发展面临的问题 ..................................... 8
5.结论 ......................................................... 9
参考文献 ...................................................... 10
汽车轻量化设计技术
xxx
西南大学工程技术学院,重庆 400716
摘 要:本文简要介绍了目前汽车轻量化技术的发展状况,包括轻量化设计概况、各种轻量化材料的性能及运用,阐述了汽车轻量化的实施途径。
关键词:汽车轻量化 发展
1.前言
如图1所示,根据中国汽车工业协会1月12日发布的最新统计数据显示,2011年,我国汽车产销量分别为1841.89万辆和1850.51万辆,同比增长0.84%和2.45%,比上年分别回落31.60和29.92个百分点,产销增速为13年来最低。其中,乘用车产销1448.53万辆和1447.24万辆,同比增长4.23%和5.19%;商用车产销393.36万辆和403.27万辆,同比下降9.94%和6.31%。随着汽车产量和销量的增加,汽车在给人们的出行带来方便的同时,也产生了油耗、安全和环保三大问题。如何应对三大问题,各国政府都提出了相应的措施。包括制定条令法规,如油耗法规,安全法规以及排放法规。各国汽车工业界一致认为,汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法。
图1 2000年以来我国汽车产销量
2.轻量化技术及其发展现状
汽车轻量化的技术内涵是:采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计,或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下,尽可能降低汽车产品自身重量,以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。
然而,汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持汽车原有的性能不受影响,既要有目标地减轻汽车自身的重量,又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性,同时汽车本身的造价不被提高,以免给客户造成经济上的压力。
汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关;另一方面,优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。与汽车自身质量下降相对应,汽车轻量化技术不断发展,主要表现在:
(1)轻质材料的使用量不断攀升,铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多;
(2)结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高,如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的,计算机辅助集成技术和结构分析等技术也有所发展;
(3)汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。
目前,国内汽车轻量化材料正在加速发展,新型智能材料逐渐在汽车制造中得到应用。车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。随着镁合金材料的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善,自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱由铝改为镁,则可减轻30%左右。
传统的轿车车身结构是钢车身,现今也越来越多地采用高强度钢、精练钢、铝合金和夹层钢车身结构,其制造工艺有柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺技术、薄壁制造技术等。不锈钢与强度较高的碳钢相比,表现出不少优点,例如延展性更好、强度更高、更适合形状复杂的覆盖件成形。上世纪80年代,重庆汽车研究所就开展了双相钢研究;一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。
在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化目的,国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术,如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究;北京航空航
天大学开发了CAD系统CAXA,并已经开展了客车轻量化技术的研究,利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计,以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。
3.实现汽车轻量化的主要途径
汽车轻量化在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下,应最大限度地减轻各零部件的质量,努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等,降低燃油消耗,减少排放污染。通过轻量化技术的内涵可知,汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。
3.1合理的结构设计
目前国内外汽车轻量化技术发展迅速,主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析,设计已经融合到了汽车设计的前期。轻质材料在汽车上的应用,包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等,与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。
在现代汽车工业中,利用CAD/CAE/CAM一体化技术起着非常重要的作用,涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化,实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。利用CAD/CAE/CAM一体化技术,可以准确实现车身实体结构设计和布局设计,对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析,并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件,还可以进行布局分析和运动干涉分析等,使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。此外利用CAD/CAE/CAM技术可以用仿真模拟代替实车进行试验,对轻量化设计的车身进行振动、疲劳和碰撞分析。 通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术,使节能型汽车从制造到使用各个环节都真正实现节能、环保。
通过结合参数反演技术、多目标全局优化等现代车身设计方法,研究汽车轻量化结构优化设计技术,包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量,确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。
具体结构合理设计有以下3个方面:
(1)通过结构优化设计,减小车身骨架及车身钢板的质量,对车身强度和刚度进行校
核,确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。
(2)通过结构的小型化,促进汽车轻量化,主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下,缩小尺寸。
(3)采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等,使结构更紧凑,或采取发动机后置、后轮驱动的方式,达到使整车局部变小,实现轻量化的目标。
3.2使用新型材料
据统计,汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白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。为此,首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案:
(1)使用密度小、强度高的轻质材料,像铝镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等;
(2)使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢;
(3)使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材,如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。
3.2.1有色合金材料
铝具有良好的机械性能,其密度只有钢铁的1/3,机械加工性能比铁高4. 5倍,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等 特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。运用形变铝材制造车身面板的技术已经比较成熟,包括发动机罩、行李箱罩、车门、翼子板等。保险杠、轮毂和汽车结构零件也广泛使用铝合金材料。运用铝合金也面临不少问题,比如,铝合金加工难度比钢材高,成型性还需继续改善;由于铝导热性好,导致铝合金的焊接性能差;不能像钢板那样采用磁力搬运等。其中,关键是成本问题,目前铝价还比较高,成本控制对铝合金的运用非常重要。
镁合金具有与铝合金相似的性能,但是镁的密度更低,它们的密度之比为1. 8∶3,是当前最理想、重量最轻的金属结构材料,因而成为汽车减轻自重、以提高其节能性和环保性的首选材料。但其铸造性差,后处理工艺复杂,成本高。我国的镁资源非常丰富,储量占世界首位。但是国内用量很少,尤其汽车行业用量极少,因此前景非常广阔。而西方工业发达国家对铝基、镁基的金属基复合材料的开发与应用,已达到了产业化阶段,如表1。
3.2.2高强度钢
用高强度钢替代原使用材料,能适当减小零件尺寸。世界上广泛通过进一步提高合金钢、弹簧钢、不锈钢等钢种的比强度和比刚度,以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特点,来作为汽车轻量化的措施。
采用高强度钢板在等强度设计条件下可以减少板厚,但是车身零件选定钢板厚度大都以元件刚度为基准,因此实际板厚减少率不一定能达到钢板强度的增加率,不可能大幅度地减轻车重。高强度钢板在汽车上应用的目的主要有3点:增加构件的变形抗力,提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。由于运用高强度钢板的经济性和相对容易性,因此应大力提倡在汽车上运用高强度钢板。现在各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的运用。
3.2.3塑料和复合材料
与相同结构性能的钢材相比,塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35%左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多的潜力,在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材,整体成本通常更低。
塑料是由非金属为主的有机物组成的,具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能,同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前,塑料大都使用在汽车的内外饰件上,如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件和功能件扩展。例如发电机及其相关系统、冷却系
统等。塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。
复合材料即纤维增强塑料,是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外,还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料作为汽车材料具有很多优点:密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛,尤其在欧美车系中。其中尤以SMC和GMT的应用最为广泛。曼、雷诺、沃尔沃、奔驰、依维柯、达夫等欧洲重型卡车制造商的驾驶室材料中,都大量选用了SMC。在国内, SMC材料在汽车领域也得到了广泛的应用,尤其是商用汽车领域。中国重汽、陕西重汽、福田欧曼、重庆红岩等主要重型卡车制造商,其驾驶室的制造都不同程度地采用了SMC材料。
3.2.4其他轻量化材料
精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。其发展史只有20年左右,但具有优良的力学性能(高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等)和化学性能(耐热冲击、耐氧化、蠕变等)。作为轻量化材料用于汽车零件,不仅直接起到轻量化的作用,更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性,用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件,使功率提高,油耗大大下降,从节能角度看则间接地起到轻量化效果。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料,其最大特点是刚性高、比强度高、密度低。目前应用在汽车上的实例还不多,但应用研究在不断前进,将来会较多地得到运用
4.汽车轻量化发展面临的问题 轻量化的方法、技术、替代材料这么多,各有各的优势和缺点,那么使用现有技术和材料,汽车到底能做到多轻呢?美国通用汽车公司设计了一辆超轻型概念汽车,这辆汽车完全由手工制造,并且使用了多种减轻重量和提高燃油效率的技术,结果该超轻型概念汽车只有 140 kg 重,相当于美国家用汽车平均重量的 12%,用 1 L 汽油可行驶 45 km,仅为美国家用汽车平均耗油量的 1/4。
不过必须看到,这还只是一种概念车,它的数据可能具有一定的指导意义,但现实
意义有限,因此不能因此对轻量化前景产生盲目的乐观。如果把眼光拉近到现实中,可以看到,汽车轻量化虽然已成为未来潮流,但目前要在全行业广泛应用轻量化技术还为时尚早,主要原因就在于技术还不完善、成本仍然太高。以取得巨大轻量化成果的奥迪 A8车型为例,使用 ASF 技术的全铝车身减重 200 kg,以每减重 100kg 油耗减少 0.6 L/100 km 计算,一辆A8 车在其行驶寿命 10 万公里期间可省油 1200 L,以欧洲市场油价 1.12 €/L(2004 年 5 月 10 日价格)计算,可为车主省下 1344 €,但是相比全铝车身带来的昂贵价格,消费者仍然是得不偿失。虽然对整个社会来说,轻量化将为能源、环境带来巨大的好处,但是具体到每一个消费者,他们却不得不在购车时为自己的钱包作打算,需要认真衡量一下轻质汽车的额外高价与省下的油钱相比哪一项更多。
图2是汽车轻量化与设计成本、制造成本、材料成本之间关系的研究结果。研究结果清楚地表明,轻量化必须以昂贵的设计与制造成本为代价。汽车设计人员的任务就是兼顾重量与成本,争取将两者关系控制在图中阴影范围内的轻量化最优区域。
不仅是成本问题,纵览全局还可以发现,轻量化目标的实现不能只依靠汽车工业、汽车厂商自身的开发研究,同时还需要上下游产业的协作努力,如上游的材料、合金、专业分析模拟软件等技术,下游的回收、再生技术等,没有这些技术的不断进步与提高,轻量化的目标就只是空中楼阁。
5.结论 尽管面临种种障碍,人们仍然没有放弃努力,专业软件的开发成果越来越多,新材料技术、新生产技术和新设计方法不断进步,铝、镁、复合材料和特种钢等新材料在汽
车制造中的使用比例在逐步加大。虽然在目前看来汽车工业短期内不会在减重方面出现革命性突破,但是由于不断地努力,人们实际上正在一步步接近制造出轻量廉价的新一代汽车的目标。 轻量化技术是一项涉及基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证的内容丰富、涉及广泛的课题,必将经历一个努力的探索过程。经过努力,汽车将在不远的将来,以清洁、强大、轻量的崭新形象引导新一代的潮流。
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