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1、汽车轻量化设计的复合材料机遇 The Opportunities of Automotive Lightweight Design for Composite Materials浙江吉利汽车研究院有限公司Zhejiang Geely Automobile Research Institute Ltd.Dr. Fei Xiong(Chief Engineer)2015年4月22日目录Contents一一前言前言IntroductionIntroduction二二汽车汽车轻量化设计材料应用方向轻量化设计材料应用方向Material applications of automotive lightw
2、eight designMaterial applications of automotive lightweight design三三. . 复合材料机遇复合材料机遇Composite material opportunitiesComposite material opportunities一 、前言一 、前言整车重量下降10%，燃 油经济型提高6-8%2014年中国汽车产销突破2300万辆 China vehicle production and marketing break through 23 million in 2014资源问题 Resources issues环保问题 Env
3、ironmental issues汽车轻量化设 计 Automotive lightweight design汽车每减重100kg，可 降低佰公里油耗0.3- 0.6L。整车每减重100kg，可 减少CO2排放量5g/km。汽车空载情况下70%的 油耗用在车身重量上。一 、前言Lightweight Index Trend00.511.522.533.544.554.914.163.263.173.092.962.79 2.792.563.623.592.792.66 2.412.342.223.42 3.41 3.083.062.472.421.731.55 1.26opel_zafiraf
4、ord_focushyundai_i40_ newnissan_leafbmw_1seriesrange_rover_ evoqueMercedes- Benz_B-Classmazda_cx-5L=2.56 4.91Averag e 3.29L=2.22 3.62Averag e 2.8L=1.26 3.42Averag e 2.48201120122013- Automotive Lightweight Technology Background一 、前言4.993.913.353.2 3.02 3.022.872.72.231.98 1.201234562014L=1.24.99 Ave
5、rage 2.95汽车轻量化设计 Lightweight Design Methods新材料 New Materials新工艺 New Technologies复合材料机遇？ Opportunities to Compound Materials 一 、前言新结构 New structure1、高强度钢 High strength steel2、轻质合金 Light Alloys 汽车轻量化设计 材料应用 Materials application轻量化方案基于等强度设计的基本原则，不以降低安全性能做代价！ Lightweight is based on the principles of e
6、qual strength design and will not reduce the safety performance !二、轻量化设计的材料应用方向3、复合材料 Compound Materials某车型的车身用材 GEELY FE吉利FE-1主要参数：白车身重量BIW371.5kg普通冲压钢Normal steel 60%高强度钢HSS14%先进高强钢AHSS26%超高强度钢 UHSS0%平均屈服强度（下限） 183Mpa平均抗涨强度（下限） 329Mpa吉利FE-5主要参数：白车身重量BIW314.4kg普通冲压钢Normal steel46%高强度钢HSS24%先进高强钢AHS
7、S25%超高强度钢UHSS5%平均屈服强度（下限） 262Mpa平均抗涨强度（下限） 391Mpa二、轻量化设计的材料应用方向轻质合金轻质合金light alloys二、轻量化设计的材料应用方向功能件 Functional parts车身结构件 Structural parts in body功能结构件 Functional and structural parts汽车用复合材料汽车用复合材料 Composite materials in automobile三、轻量化设计的复合材料机遇复合材料使用比例最高 占整车重量的11.4% Max percentage of composites非金属
8、材料在汽车轻量化上的非金属材料在汽车轻量化上的 应用开发，概况起来可以划分应用开发，概况起来可以划分 为四个方向为四个方向“ “以塑代钢以塑代钢“ “ 轻量化设计轻量化设计 开发开发材料的轻材料的轻 量化新应量化新应 用用模块化模块化、 集成化集成化设设 计计开发开发结构优化轻结构优化轻 量化设计开量化设计开 发发 三、轻量化设计的复合材料机遇“以塑代钢以塑代钢”轻量化”轻量化设计设计开发开发塑料后横梁的开发塑料后横梁的开发第一代设计方案：金属横梁， 280VK，重量为9.9kg;第二代设计方案：金属横梁， 340/590DP，重量为3.9kg;最新设计方案：塑料复合材料横梁， 重量仅为2kg
9、; 能够实现50%的减重效果； 能够满足安全性能要求;三、轻量化设计的复合材料机遇“以塑代钢以塑代钢”轻量化”轻量化设计设计开发开发不同材料的设计不同材料的设计Material GMTTotal Mass 3.15 kgNo. of components = 6Material PC/PBT Total Mass 1.8 kgNo. of components = 1 Highly engineered geometry of PC/PBT Beam PC/PBT beam fitted in existing space PC/PBT beam brackets mounted at exi
10、sting locations Reduced tooling cost Single piece no side cores Reduced assembly cost 1 component Reduced weight by 16%三、轻量化设计的复合材料机遇“以塑代钢以塑代钢”轻量化”轻量化设计设计开发开发PC/PBTPC/PBT后横梁开发后横梁开发重量 1.81 Kg主截面3.8MM PC/PB T三、轻量化设计的复合材料机遇“以塑代钢以塑代钢”轻量化”轻量化设计设计开发开发性能验证性能验证GB 20072GB 20072- -20062006法规分析，满足性能要求法规分析，满足性能
11、要求三、轻量化设计的复合材料机遇“以塑代钢以塑代钢”轻量化”轻量化设计设计开发开发性能验证性能验证Max Force 61 kN No significant damage to rear floorECER42马自达CX-5采用2.5MM壁厚采用2.0MM壁厚三、轻量化设计的复合材料机遇面临的主要挑战面临的主要挑战减薄后产品的成型问题；减薄后可能导致产品的刚性下降；减薄后导致的产品强度降低。实施技术方案实施技术方案提高材料熔体指数，增加流动性，由现行标准提高到30g/10min以上，解决可能充不满、注射压力大、注射温度高等问题；提高材料模量，通过技术分析，适当的提高弯曲模量，可以解决因减薄带
12、来的强度和刚度下降问题。 制品刚性与材料弯曲模量、壁 厚的关系 结构优化设计开发结构优化设计开发薄壁化开发面临的挑薄壁化开发面临的挑 战战三、轻量化设计的复合材料机遇 结构优化设计开发结构优化设计开发成形分析成形分析填充时间6.25S最大压力 48.76MPa最大锁模压力1554.7T熔接痕三、轻量化设计的复合材料机遇 结构优化设计开发结构优化设计开发薄壁化保险杠产品薄壁化保险杠产品采用2.8MM壁厚开发已经完成零件开发与验证，性能满足要求2.5MM壁厚设计； 高刚性PP材料； 单件减重1015%，总计减重0.8kg; 成本降低；三、轻量化设计的复合材料机遇 材料新应用（轻量化）材料新应用（轻
13、量化）汽车玻璃的轻量化开发汽车玻璃的轻量化开发汽车轻量化设计的区域性优先级分 布图三、轻量化设计的复合材料机遇 材料新应用（轻量化）材料新应用（轻量化）汽车玻璃的轻法规要求汽车玻璃的轻法规要求欧盟法规美国法规塑料玻璃在汽车玻璃上有一定的应用可能三、轻量化设计的复合材料机遇 材料新应用（轻量化）材料新应用（轻量化）塑料玻璃的轻量化开发塑料玻璃的轻量化开发零件名称零件名称重量（重量（kgkg）无机背门玻璃4.5塑料背门车窗2.5减重效果2.0减重比例44%3.5MM无 机玻璃4.0MM有 机玻璃*需要关注电热丝问题三、轻量化设计的复合材料机遇 材料新应用（轻量化）材料新应用（轻量化）塑料后背门玻璃
14、塑料后背门玻璃三、轻量化设计的复合材料机遇重量轻、强度大、可设计性好、耐冲击、耐腐蚀；Light weight, high strength, freedom in styling, impact resistance, corrosion resistance; 拉伸强度是金属的3-5倍，抗冲击强度大于1500Mpa，满足高强度零件要求；Tensile strength is 3-5 times of metal, impact strength greater than 1500Mpa, meeting the requirements of high-strength parts; 重量
15、比钢件轻50%，比铝件轻30%，减重效果明显。Lighter than steel parts by 50 % and than aluminum parts by 30% , light weight obviously. 冲压焊接车身重达500-600kg，碳纤维白车身小于300kg；Metal BIW weighing 500-600kg, while CFRP BIW weighing less than 300kg;三、轻量化设计的复合材料机遇兰博基尼切慕拉贡全碳纤维 车身+仪表板+门护板+后围护板=155kg2014雪佛兰CorvetteStingray的标准碳纤 维发动机罩和车身顶盖碳纤维是21世纪汽车汽车制造业的关键原材料，将会在汽车研发和制造领域带来一场变革-宝马汽车董事局主席罗伯特.雷瑟夫BMW碳纤维白车身 BMW CFRP BIW 材料新应用（轻量化）材料新应用（轻量化）CFRPCFRP保险杠保险杠 CFRPCFRP翼子板翼子板 CRFTCRFT扰流板扰流板 CFRPCFRP发动机装饰盖发动机装饰盖 CFRPCFRP行李箱盖行李箱盖 CFRPCFRP车门车门 CFRPCFRP发动机罩发动机罩 CFRPCFRP地板、中央通道地板、中央通道 CFRPCFRP车顶车顶 CFRPCFRP轮辋轮辋三、轻量化设计
