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1、汽车轻量化研究总结 汽车轻量化的趋势汽车轻量化途径结构设计优化制造工艺创新材料轻量化 内容 汽车轻量化趋势 在保证汽车的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性能 减少燃料消耗 降低排气污染 整车重量减少100kg 油耗 0 4L 100kmCO2 10g 100km 环保和节能的需要 轻量化已经成为世界汽车发展的潮流和趋势 绿色 环境友好型趋势 制造工艺创新 结构设计优化 热压成型 液压成型 内高压成型 激光拼焊等 高强钢 镁合金 铝合金 工程塑料及其复合材料和陶瓷材料等 材料轻量化 同时 还有零部件数量集成及功能集成 实现整车轻量化 汽车轻量化的途径 结构优
2、化 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 在现代汽车工业中 利用CAD CAE CAM等软件辅助汽车设计已经成为不可或缺的环节 涵盖了汽车设计和制造的各个环节 通过这类软件能够建立数字化模型 准确实现车身的实体结构设计和局部设计 同时可以通过仿真计算来检验汽车结构的刚度 模态等参数 并且能够便捷地对汽车结构进行改造 利用CAD CAE CAM一体化技术 可以准确实现各构件的开头配置 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
3、够满足车身设计的各项要求 从模流分析结果看 原方案的玻纤取向略差 经浇口调整后玻纤取向有所改善 CAE计算显示优化后刚度提升了10 原方案 新方案 结构优化 结合产品的结构设计 减重方案的开发与应用 高流动材料PP 降低产品壁厚 提高产品刚性 产品减重 1 高刚度保证零件的薄壁化 2 高流动性保证薄壁零件的成形性 结合产品的结构设计 可减轻更多的重量 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
4、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 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 离合器软管 金属管 橡胶管 卡箍 接头 TPU外覆层 钢丝增强 PTFE内管 以少代多典型应用案例一 EPDM胶管 不锈钢管 卡箍 TPV吹塑管与EPDM胶管硫化粘接为一体 中冷器出气管 以少代多典型应用案例二 具体结构合理设计主要有以下3个方面 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
5、轻自重 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 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 在汽车结构优化设计方面 我国已经完全从依靠经验设计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 优势 1 轻量化 微发泡工艺可节省产品原材料20 左右及有利于内外饰件轻量化 2 成本优势 微发泡工艺注塑可缩短产品成型周期及节省20 左右原材料有利于降低塑料零部件成本 3 高精度 微发泡工艺注塑可减小或消除了常规模塑在
6、合模和保压过程中产生的模内应力 提升了产品成型尺寸精度 微发泡注塑工艺 新工艺的开发与应用 材料轻量化应用的现状 随着汽车材料技术的飞速发展 现代汽车制造材料的构成也在不断发生变化 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 12 汽车材料在汽车上的应用比例 轻量化汽车材料技术的发展趋势由于钢铁材料在强度 塑性 抗冲击能力 回收使用及低成本方面具有综合的优越 其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的 但高强度钢和超高强度钢的应用 如汽车车身 底盘 悬架 转向等零部件上 将有
7、较大增长 铝镁合金在汽车上的用量将明显增加 工程塑料 复合材料所占比例将有明显增长 多材料结构进行优化 既能改进汽车性能 又能显著减小质量 当前材料的组合仍以高强度钢 铝 镁和塑料为主 要实现多材料轻量化结构设计 必须强调 合适的材料用在合适的部位 奥迪A8和英国捷豹XJ两个高级豪华车据守轻金属车身这唯一一块阵地宝马5系列车身前端总成以冲压铝板件 铸铝合金件和铝挤压件焊接而成目前只是在中高档轿车中广泛采用镁 铝 工程塑料和高强度钢的混合车身现代汽车的绝大部分内饰件以翼子板 保险杆外罩和许多乘用车的发动机罩内板都是由工程塑料制成的 高强度钢板 采用高强度钢板可以达到减薄车身用板的厚度和重量的目的
8、 在轻量化的同时 增加了安全性能 高强度钢一般是指冷轧340MPa 热轧490MPa以上的钢 这些新型高强度钢板具有较低的屈强比 较好的应变分布能力和较高的应变硬化特性 同时高强度钢板的力学性能更加均匀 从而具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命 汽车用钢板的强化机理现代汽车高强度钢板是采用使其金相组织得到强化的机理 而获得组织强化 复合组织强化 相变强化 热处理强化 冷作硬化和时效强化等现代高强度钢 目前高强度钢板主要包括冷轧含磷板 双相钢 DP钢 板以及相变诱发塑性钢 TRIP钢 板等 德国的两款轿车和SUV上所用的高强度钢材料 VWPolo 大众波罗 PorscheCayanne 保时捷卡宴
9、 OpeVectra 欧宝维佳 等车型中现代高强度钢的用量分别为60 36 45 用量非常大 而且已经超越了普通钢 成为汽车用钢的主力军 成为未来汽车材料的发展方向之一 丰田汽车公司在其生产的丰田系列轿车上已经应用高强度钢制作车身及其零部件 车身质量要求越来越轻 车身重量的变化及高强度钢的使用比例 除上述国家外 各大汽车企业和钢铁协会也组成了超轻钢车体计划 ultralightsteelautobody 目的是研究出新型高强度钢材料 扩大高强度钢材料在汽车工业中的应用 其目标是开发新型轻型钢车体 该型车比现有的车型更安全 更节能 更有利于环境保护 售价不增加 其中材料的开发与优化包括 新型高强
10、度高成形性钢的开发与使用的优化 形成了以高强钢 超高强钢 双相钢和TRIP钢为主的新型汽车用钢系列 以激光拼焊板 液压成形管件和夹层板为特色的新型钢材系列 我国已有武钢 宝钢 鞍钢 上汽集团 上海大学 重庆汽车研究所等单位对汽车高强度钢材料开展了研究 特别是宝钢 武钢 上汽集团等单位在高强度钢领域有突出地位 国家科技部已将 500MPa以上高强度钢的先进制造技术 列为了863重点支持项目 宝钢TRIP600与国外同类钢的典型性能 宝钢生产的高强度钢的强度等级为600MPa以上 性能与国外同类钢相差无几 但在国产轿车上还没有正式采用 相关的加工和成型技术也必须依赖国外 汽车用高强度钢的减重潜能相
11、对于传统的340MPa的材料 600MPa级的钢种在理论上的减重潜能大约为20 然而 对于800MPa的材料 其减重潜能会提高至30 以上 Sumitomo公司的论文阐述了生产车轮用的700MPa和800MPa的热轧钢的发展 可达到该目标强度的化学成分为低碳 硅 锰 铬以及铌和钛微合金化元素 铝及铝合金 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 市场上绝大部分的发动机缸盖都已经是铝合金材料 部分轿车发动机为全铝发动机 相比同等排量铸铁发动机 使用铝缸体的发动机能
12、减轻20kg左右的重量 除了较轻的重量和良好的散热性能之外 全铝发动机在铸造上也有很大优势 铸铁生产线占地面积达 对环境污染严重 加工工艺复杂 而铸铝工艺则正好相反 因此铸铝发动机在市场竞争上具有一定的优势 宝马目前大部分发动机都采用了其独创的铝镁合金材料技术 最具代表性的是宝马的3 0L直列六缸发动机 镁铝合金材料的使用使得该发动机在原有全铝发动机的基础上发动机重量降低了30 仅重161kg 而输出功率却提高了12 油耗也有所下降 除此之外 市场上各个级别的轿车也均有使用全铝发动机的车型 例如铃木雨燕 福克斯 索纳塔8 奥迪A8等 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
13、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 铝合金常加入的元素主要有Cu Mn Si Mg Zn等 此外还有Cr Ni Ti Zr等辅加元素 可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类 变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类 铝合金分类示意图 铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图 常用变形铝合金 防锈铝合金主要是Al Mn和Al Mg系合金 Mn和Mg主要作用是 卫星天线 LF2 提高抗蚀能力和塑性 并起固溶强化作用 防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体 抗蚀性 焊接性能好 易于变形加工 但切削性能差 不能进行热处理强化 常利用加工硬化提高其
14、强度 汽化器 热交换管为LF21 常用的Al Mn系合金有LF21 3A21 其抗蚀性和强度高于纯铝 用于制造油罐 油箱 管道 铆钉等需要弯曲 冲压加工的零件 常用的Al Mg系合金有LF5 5A05 其密度比 纯铝小 强度比Al Mn合金高 在航空工业中得到广泛应用 硬铝合金主要是Al Cu Mg系合金 并含少量Mn 可进行时效强化 也可进行变形强化 强度 硬度高 加工性能好 耐蚀性低于防锈铝 常用硬铝合金如LY11 2A11 LY12 2A12 等 用于制造冲压件 模锻件和铆接件 如螺旋桨 梁 铆钉等 超硬铝合金属Al Zn Mg Cu系合金 并含有少量Cr和Mn 时效强化效果超过硬铝合金
15、 热态塑性好 但耐蚀性差 常用合金有LC4 7A04 LC9 7A09 等 主要用于工作温度较低 受力较大的结构件 飞机主起落架 锻铝合金Al Cu Mg Si系合金可锻性好 力学性能高 用于形状复杂的锻件和模锻件 压气机叶片 Al Cu Mg Fe Ni系耐热锻铝合金常用牌号有LD7 2A70 LD8 2A80 LD9 2A90 等 用于制造150 225 下工作的零件 铸造铝合金包括 Al Si系铸造铝合金 又称硅铝明 其中ZL102 ZAlSi12 是含12 Si的铝硅二元合金 称为简单硅铝明 加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂 或特殊 硅铝明 Al Si系铸造铝合金的铸造性能好 具有
16、优良的耐蚀性 耐热性和焊接性能 活塞 裙部为铝硅合金 用于制造飞机 仪表 电动机壳体 汽缸体 风机叶片 发动机活塞等 Al Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好 强度较高 但密度大 铸造性能 耐蚀性能差 强度低于Al Si系合金 汽缸头 常用代号有ZL201 ZAlCu5Mn ZL203 ZAlCu4 等 主要用于制造在较高温度下工作的高强零件 如内燃机汽缸头 汽车活塞等 Al Mg系铸造铝合金这类合金的耐蚀性好 强度高 密度小 但铸造性能差 耐热性低 常用代号为ZL301 ZAlMg10 ZL303 ZAlMg5Si1 等 主要用于制造外形简单 承受冲击载荷 在腐蚀性介质下工作的零件 如舰船配件 氨用泵体等 鼓风机密封件等 ZL102 301 Al Zn系铸造铝合金这类合金的铸造性能好 强度较高 可自然时效强化 但密度大 耐蚀性较差 大型空压机活塞 ZL401 常用代号为ZL401 ZAlZn11Si7 ZL402 ZAlZn6Mg 等 主要用于制造形状复杂受力较小的汽车 飞机 仪器零件 全铝车身设计实例Ford P2000采用冲压焊接制造的铝质车身骨架 可用现有钢板的加工方法加工 白
