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1、汽车轻量化研究总结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 材料轻量化内容车辆类型使用条件重量 平均油耗 减重节油全寿命周期里程减重全寿命节油tL/100km L/100km1000kmL小型轿车长途为主160.36200720小型轿车市区为主18.50.55150829中型轿车长途为主1.690.28300844中型轿车出租1.6110.525002578豪华轿车长途为主2120.30100300研究表明，轿车减重减重100kg与节油效果关系如下所示：汽车轻量化趋势汽车轻量化趋势 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
2、汽车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，从而提高汽车的的动力性能动力性能，减少燃料消耗，降低减少燃料消耗，降低排气污染排气污染。整车重量整车重量减少100kg 油耗：-0.4L/100kmCO2 : -10g/100km环保和节能的需要环保和节能的需要轻量化已经成为世界汽车发展的潮流轻量化已经成为世界汽车发展的潮流和趋势和趋势!绿色、环境友好型趋势绿色、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汽车
3、轻量化的途径结构优化结构优化l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。l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。l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
4、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。 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%。前罩锁区域前罩锁区域Z方方向刚度分析向刚度分析原始方案原始方案优化方案优化方案变形1.53mm1.39mm刚度100%110%原方案原方案新方案新方案结构优化结构优化结合产品的结构设计，减重方案结合产品的结构设计，减重方案的开发与应用的开发与应用高流动材料高流动材料PP , 降低产品壁厚，提高产品刚性，产品减重降低产品壁厚，提高产品刚性，产品减重单位单位普通材料普通材料最新材料最新材料填充物比例填充物比例%1523熔融指数（熔融
5、指数（230 ）g/10min1846密度（比重）密度（比重）g/cm31.0351.08拉伸强度拉伸强度MPa21.117弯曲模量弯曲模量MPa19502400冲击强度（冲击强度（23）KJ/m2343283实例实例（前保险杠壁厚变化）（前保险杠壁厚变化）mm3.02.51.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
6、，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。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。项目主要性能容积膨胀量6.9MPa0.6 cm3/m10.3MPa1.0cm3/m制动液相容性试验1435h爆破压力60MPa拉伸强度试验1446N臭氧试验100mPa10mPa /403/48h10h外覆层无龟裂或裂纹低温弯曲试验（弯曲半径R60）454872h外覆层无龟裂或裂纹项目原管路系统集成管路减重率50%零件数36件6件重
7、量1325g657g离离合合器器软软管管金属管+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项目原管路系统集成管路减重率37%零件数7件3件重量1.2kg0.75kg测试项目集成管主要性能爆破压力常温1.4(MPa)800.6 (MPa)剥离强度3KN/m中中冷冷器器出出气气管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：l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。l通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要
8、功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸。l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：优势：1.轻量化：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：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：高精度：微发泡工艺注塑可减小或消除了常规模塑在合模和保压过程中产生
9、的模内应力，提升了产品成型尺寸精度。微发泡注塑工艺微发泡注塑工艺新工艺的开发与应用新工艺的开发与应用材料轻量化应用的现状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5560 ，铸铁占512，有色金属占610，塑料占812，橡胶占4，玻璃占3，其他材料(油漆、各种液体等)占612。汽车材料在汽车上的应用比例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 l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
10、用，如汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。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。l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” l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l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l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l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
11、钢板 l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, 在轻量化的同时，增加了安全性能。 l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l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。l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
12、高强度钢材料VW Polo（ 大 众 波 罗 ） 、Porsche Cayanne（保时捷卡宴）、Ope Vectra（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l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(ultra light steel auto body)，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
13、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。 l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。 厂家/MPa/MPa/%n备注宝钢403.0628.035.0226080.22-NK
14、K414.0628.034.0211010.21-USS399.7626.730.5-ASTM50标距宝钢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。l 汽车用高强度钢的减重潜能l相对于传统的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.lSumitomo公司的论文阐述了生产车轮用的700MPa和800MPa的热轧钢的发展.l可达到该目标强度的化学成分为低碳,硅,锰,铬以及铌和
15、钛微合金化元素.铝及铝合金铝及铝合金 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
16、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。 铝合金型材铝铸件可将铝合金分为变可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝形铝合金和铸造铝
17、合金两大类。合金两大类。变形铝合金又分为变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化和不可热处理强化两类。可热处理强化两类。铝合金分类示意图铝合金的分类l铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。常用变形铝合金常用变形铝合金 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。l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。l不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 汽化汽化器器( (热热交换交换管为管为LF21LF21) )常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性
18、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。l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。 飞机翼梁(腹板为硬铝合金) 超硬铝合金超硬铝合金属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。热态塑性好，但耐蚀性差
19、。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。压气机叶片压气机叶片lAl-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。铸造铝合金铸造铝合金 包括：包括： Al-Si系铸造铝合金系铸造铝合金 l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。 57712.7%加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复
20、杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。 活塞(裙部为铝硅合金)l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l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)、 ZL
21、303(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。大型空压机活塞大型空压机活塞(ZL401)(ZL401)l常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.l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l FordP2000 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，白车身质量135.6kg，整车轻32.8%，
22、市区百公里油耗减少22.8%。l奥迪A8 是大型豪华轿车，它的整车质量，仅相当于一辆中型轿车。奥迪A8 铝合金框架支撑着全铝合金车身的创新技术被称为“ASF”即奥迪空间框架技术，ASF 车身结构由挤压的铝部件及压铸件组成，该架构支撑铝板元件。镁及镁合金镁及镁合金 u 镁及其合金是最轻的结构材料之一,由于镁合金具有优良的导电性、导热性、电磁屏蔽性能、高的比度、比刚度、减震性、加工工艺性能和易回收、有利于环保等特性,因此早已引起航空工业和汽车工业注意。u 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
23、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。欧美采用镁合金制造的部分汽车零件欧美采用镁合金制造的部分汽车零件汽车厂家用镁合金制造的部分汽车零件通用气缸盖、滤油器、空气滤清器壳、配电器、挡泥板支架、烟灰盒门、转向盘柱、前大灯罩、前大灯托架、发动机罩格栅、进气格栅中心座、前大灯框架、配电器、挡泥板支架、离合器壳、制动器福特离合器踏板托架、转向柱定位机构、分动器壳克莱斯勒变速器壳体大众曲轴箱、变速器壳体、增
24、压器壳、正时齿轮、离合器壳沃尔沃节气门连杆、手制动连杆、车门外把手奔驰座椅架奥迪仪表板保时捷风扇、风扇架、车轮镁合金成型工艺进展l镁合金熔炼技术 镁化学性质较活泼,在大气中熔炼时,镁合金容易氧化和燃烧,因此常采用合金液阻燃技术和变质处理技术。l镁合金铸造成型技术 生产工艺主要是铸造工艺和变形工艺,铸造工艺主要有压力铸造、砂型铸造、低压铸造、精密铸造、挤压铸造和半固态压力铸造等,变形工艺主要为锻造和冲压。铸造成形方法中以压力铸造应用最广泛。 合金元素对镁合金性能的影响Al低温下固溶强化、沉淀强化；增加合金的流动性RE增加合金的流动性；高温和低温下固溶强化、沉淀强化；提高耐蚀性能 Th有效提高合金
25、的高温强度和抗蠕变性能Y细化晶粒；提高合金的高温强度和抗蠕变性能；提高耐蚀性能Zn增加合金的流动性；固溶强化Zr细化晶粒；和Fe、Al、Si元素亲和提高合金室温抗拉强度Mn形成Fe-Mn化合物沉淀强化；细化晶粒；提高合金抗蠕变性能和耐蚀性能Si降低合金流动性；和Al，Zn，Mg元素亲和细化晶粒；提高合金抗蠕变性能镁合金的研究开发概况 l目前镁合金应用发展势头最大的国家和地区是:北美和欧洲、日本、韩国和中国台湾地区。l在北美、欧洲，镁合金主要应用领域是汽车行业; l 镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减重基础上再减轻1520。尽管镁在当前汽车用材中所占的比例不到1，但是在轻量化的驱动下，镁材料技术
26、开发的力度不断加大，它已步入快速发展阶段。到目前为止，汽车上采用镁合金的零部件至少超过60多种。 轻质材料变速器壳体 变速器壳体、离合器壳体、操纵盖以及换档拨叉等零件目前已经广泛应用铝、镁合金，镁合金的密度为1.8g/cm3，是铝合金的2/3，不足钢的1/4，大众汽车公司和奥迪汽车公司启动了使用镁合金的战略，福特汽车公司也在其轻型载货车的离合器壳体中使用了镁合金。镁铝变速器壳体以塑代钢材料的发展轻量化轻量化应对思路应对思路以轻代重以塑代钢以少代多金属零件塑料化零件集成化非金属材料轻质化经济材料类型用量（kg）金属5970.70热塑性塑料167.19SMC20.19橡胶622.94（51.26）
27、玻璃43.53液体538.18改性天然有机物27.28其他234.01国内某商用车用材统计 相关资料显示，商用汽车每减重10%，可提高燃油效率5%7%、减少CO2排放量4.5%左右。以塑代钢背景及应对技术思路欧洲轿车 国内商用车1型2型塑料用量 Kg 143.454.2 112.6整车重量 Kg1275 600510695 塑料用量比率 %11.3 0.91.0工程塑料在商用车上的应用潜力有待发掘工程塑料的高性能化为其拓展应用提供了可能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
28、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。塑料材料在汽车行业中的应用前景广泛看好，目前世界上不少轿车上塑料的使用量已经超过了120kg/辆，奔驰的高级轿车上的塑料用量甚至超过了150kg/辆，国内一些轿车的塑料用量也达到了90kg/辆。汽车轻量化设计中，塑料材料在汽车内装件和外装件中被广泛应用，汽车塑料用量多少，已经成为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标准。塑料应用的最大优势在于轻，其比重不超过2.0，而轻量化中常用的铝材质的比重为2.7。“以塑代钢”是外装饰件材料选择的一大趋势，主
29、要部件有保险杠，挡泥板，车轮罩，导流板等；而汽车的内饰件上塑料应用更多，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。此外部分高性能塑料还被应用于结构件和功能件，例如油箱，散热器水室，空气过滤器罩和发电机及其相关系统、风扇叶片等。塑料在汽车上的应用 汽车用塑料零部件分为三类：内饰件、外饰件和功能件以塑代钢高性能技术应用以塑代钢高性能技术应用塑料翼子板塑料翼子板-2.5kg-2.5kg发动机发动机下护板下护板-2.5kg-2.5kg轮罩衬板轮罩衬板-3.2kg-3.2kg前端模块前端模块-3kg-3kg前碰横梁前碰横梁-2
30、.4kg-2.4kg前碰吸能块前碰吸能块-0.5kg-0.5kg电池盒电池盒-4kg-4kg脚踏板脚踏板-1kg-1kg后碰横梁后碰横梁-2.5kg-2.5kg备胎盒备胎盒-3.5kg-3.5kg塑料背掀门模块塑料背掀门模块-5.0kg-5.0kg车身底车身底部护板部护板-4kg-4kg车窗系统车窗系统-18kg-18kg综合各主机厂根据车型选用的以塑代钢轻量化技术可带来综合各主机厂根据车型选用的以塑代钢轻量化技术可带来60kg60kg以上的轻量化效果（外饰）。以上的轻量化效果（外饰）。塑料油箱塑料油箱-5kg-5kgu外饰新型技术应用总览外饰新型技术应用总览全景天窗全景天窗-4kg-4kg仪
31、表板仪表板模块模块-0.5kg-0.5kg门模块门模块-2.0kg-2.0kg座椅座椅骨架骨架-5kg-5kg搁物版搁物版（衣帽架）（衣帽架）-1kg-1kg行李箱地行李箱地板板-2.5kg-2.5kg仪表板仪表板支架支架-2.5kg-2.5kg顶棚模块顶棚模块-2.0kg-2.0kg储物盒储物盒-1kg-1kg中控面中控面板模块板模块-1kg-1kg综合各主机厂根据车型选用的以塑代钢轻量化技术可带来综合各主机厂根据车型选用的以塑代钢轻量化技术可带来15kg15kg以上的轻量化效果（内饰）。以上的轻量化效果（内饰）。方向盘方向盘模块模块-1kg-1kg以塑代钢高性能技术应用以塑代钢高性能技术应
32、用u内饰新型技术应用总览内饰新型技术应用总览大众甲壳虫系列大众甲壳虫系列雷诺雷诺CLIO （sports）标致标致307塑料翼子板优势目前塑料翼子板设计主要关注问题：1.塑料翼子板材料膨胀系数相对金属材料较大，设计时需对间隙断差、尺寸公差进行重点控制；2.模具设计及制造工艺控制；3.喷涂方式与总装线设计的结合；4.根据成本分析，5万量产量以下塑料翼子板有系统成本优势，5万量以上则较金属有更大的成本压力。典型以塑代钢技术介绍典型以塑代钢技术介绍1.塑料翼子板（塑料翼子板（fender）传统材料：金属传统材料：金属替换材料：替换材料： PPO+PA金属重量：金属重量：2.45kg塑料重量：塑料重量
33、：1.15kg（单件）（单件）本田本田 CivicCivic雷诺雷诺 M M gane R26 Rgane R26 R减重 = 50%设计自由度 = 独一无二的造型零件集成 = 降低复杂性以塑代钢技术介绍以塑代钢技术介绍2.塑料车窗玻璃塑料车窗玻璃传统材料：玻璃传统材料：玻璃替换材料：替换材料： PC玻璃重量：玻璃重量：5kg塑料重量：塑料重量：2.5kg外板：外板：PC/ABS内板：内板：PP+30LGF福特kuga设计：设计自由度高，成型工序简单节能：减轻重量约30%安全：提高防撞能力集成：后窗整合，减少装配工序典型以塑代钢技术介绍典型以塑代钢技术介绍3.塑料背门系统塑料背门系统传统材料：
34、金属传统材料：金属替换材料：替换材料： PP+LGF PPO+PA金属重量：金属重量：20kg塑料重量：塑料重量：13-14kg典型以塑代钢技术介绍典型以塑代钢技术介绍4.塑料方向盘塑料方向盘优势：优势：1.轻量化：轻量化：可减重0.5-0.7kg2.零件集成化零件集成化: 可集成部分电器件安装固定结构3.工艺多样化：工艺多样化：可实现多种工艺效果（水转印、IMD）4.环境友好：环境友好：易回收 在我国，塑料件约占汽车自重的7%10%，举例来说，在轿车和轻型车中，CA7220小红旗轿车中的塑料用量为88.33kg，上海桑塔纳为67.2 kg，奥迪为89.98 kg，富康为81.5 k g，依维
35、柯0041则为144.5 kg；在重型车中，斯太尔1491为 82.25kg，斯太尔王为120.5 kg。据有关部门统计，我国汽车用塑料的品种按用量排列依次为PP，PVC，PU，不饱和树脂，ABS，PF，PE，PA，PC，复合材料。复合材料在汽车上的应用复合材料在汽车上的应用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
36、（片状模塑料）和GMT（玻璃纤维增强型热塑性塑料）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。塑料复合材料替代传统金属塑料复合材料替代传统金属172193.6241.3367.9车身侧围底板横梁横梁车顶碳纤维复合材料碳纤/玻纤复合材料玻纤复合材料钢塑料复合材料越来越多的用来替代传统金属材料，成为实现汽车轻量化用材主要趋势之一。各种材料车身质量对比各种材料能量吸收
37、性能比较 数据来源数据来源 http:/ 据最新统计，汽车行业的纤维增强塑料复合材料消耗量约占其世界总消耗量的80%。其中欧美消耗量大约占95%(欧洲占80%，美国占15%)。地区地区2004年产量年产量/百万百万kg(百万磅百万磅)2009年产量年产量/百万百万kg(百万磅百万磅)年平均增长率年平均增长率/%全球全球108(239)245(541)18北美洲北美洲44(96)77(169)12西欧西欧34(74)73(163)17亚洲亚洲31(69)95(210)25在复合材料价值链中，原材料、浸渍、结构件制造等中间产品加工成本占50%以上。其原材料和浸渍成本具有相对稳定性，降低结构件的制造
38、成本成为关键。与整车价位有关的材料轻量化设计技术路线与整车价位有关的材料轻量化设计技术路线1、低价位车型（10万）：以钢为主+玻纤增强材料的应用；2、中等价位车型（10-20万）：以钢为主+少量的铝合金+玻纤增强材料的应用；3、高价位车型（20-80万）：以钢为主+多量的铝合金+玻纤增强材料的应用；4、高端车型（80万）：以铝合金为主+玻纤增强材料和碳纤复合材料的应用；复合材料典型应用案例SMC材料的应用不锈钢或铝合金SMC项目项目SMC件件铝合金件铝合金件减重率减重率重量，重量，Kg14.519.224%项目SMC工作台性能耐高低温115 -40 无开裂、变形、发粘、变色抗冲击性高冲击、无开
39、裂振动耐久QC/T-15，第三类，B种刚性以5mm/min的速度，用150mm的砝码在样品中部施压测变形量980N 4mm1960N 8mm2940N 12mm9000N 无破损疲劳耐久150mm，加载1960N，频率1Hz，10万次无开裂破损牵牵引引车车工工作作台台材料密度（g/mm3）平均壁厚（mm）重量指数钢7.81.1100铝2.72.888SMC1.93.066 采用由环氧树脂与甲基丙烯酸通过开环加成反应制得的乙烯基酯树脂，它保留了环氧树脂的基本链段，具有较高综合强度、高温性能。项目SMC气门室罩盖主要性能指标拆装试验反复拆装10次，零件无开裂及破损耐热老化试验120/10d，高低温
40、（150/1h常温/23h）10个循环，无变形和外观变化冷热循环试验120/h室温0.5h-40/2h室温0.5h7095RH/3h室温/0.5h-40/2h室温0.5h为一个循环，进行两个循环，无开裂、变形、发粘等异常现象抗冲击试验抗B4000/50/23、A400/50/-30冲击不开裂；耐液体试验耐CF-4机油（120/48h）、燃油C、3油（120/48h）后，外观无变化，冲击无开裂密封性机油最高温度120、压力0.3bar，拧紧力矩17.93.6Nm，保持密封；发发动动机机气气门门室室罩罩盖盖复合材料典型应用案例前顶盖板侧围护板相比PP麻纤板，在性能相当基础上轻质GMT可以减重20%
41、50% ；强度更高。轻质GMT的拉伸强度和刚性模量都高于PP麻纤板一倍以上；耐热性更好。相对比的热变形温度，轻质GMT远高于PP麻纤板；更环保。轻质GMT相比PP麻纤板都是一种更低VOC、更环保的材料；轻质轻质GMTGMT内饰板内饰板复合材料典型应用案例典型塑料复合材料汽车零部件：典型塑料复合材料汽车零部件：涉及前端模块、侧门模块、后尾门骨架、备胎舱、座椅骨架、仪表板骨架、顶棚、底护板和发动机罩盖等部件项目材料采用工艺是否产业化软质仪表板骨架PP-LGF注塑工艺正在研发电池支架油底壳PA-GF注塑工艺后防撞梁GMT模压工艺开发完成后排座椅靠背PP-LGF/GMT注塑及模压工艺已产业化进气歧管P
42、A-GF注塑工艺加油口盖PPO/PA注塑工艺换档底座PP-LGF座椅骨架GMT电池包壳体PP-LGF模压成型正在开发后背门内板模压成型前段模块注塑成型以前端模块为例，传统前端模块采用10-20个钢板冲压件焊接而成，为此，需要开发多达65套以上的模具，最终产品的重量为5.5Kg。 选用长玻纤增强热塑性聚丙烯（PP-LGF30）制作前端模块，其材料性能要求如下表所示，应用模压成形技术可以将20多个冲压件进行有效地组合集成化，且只需开发一套模具，就可完成整个产品的一次性成形。检测项目检测项目单位单位技术要求技术要求密度密度g/cm31.120.02拉伸强度拉伸强度MPa120弯曲强度弯曲强度MPa9
43、5缺口冲击强度缺口冲击强度KJ/m218热变形温度热变形温度130相对金属冲压件，玻纤复合材料(PP-LGF30)制作的前端模块部件，其产品重量仅为3.5 Kg，实现部件减重30%。同时，还减少150万元的前期模具投入费用，减少了焊接、涂装等生产工序。碳纤维复合材料在汽车上的应用 由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，其适于制造汽车车身、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、底盘减轻重量4060，相当于钢结构重的1/31/6。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，结果表明碳纤维增强聚合物材料车重量仅为172kg，而钢制车身重量为368kg
44、，减重约50。并且当生产量在2万辆以下时，采用RTM工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。主要在豪华轿车、跑车上、赛车上应用如宝马、雷克萨斯、兰博基尼兰博基尼等该车的整个车身采用了碳纤维材质打造，而底盘则由蜂窝式结构的铝合金制成，使得整车在保证刚度的同时，底盘量仅为70kg，车重仅有1330kg，是超级跑车领域中最轻的车型。最轻量化的超级最轻量化的超级跑车跑车柯尼塞格柯尼塞格 Agera R Agera R 碳纤维还因为其环保、耐磨的特点而应用在刹车片上，碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，而且具有非常优秀的制动稳定性和热稳定性。应用于F1赛车。碳纤维一体式车架最早出现在F1赛场，当今F1车
45、身上90%为合成材料，这些合成物中90%都是碳纤维。碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，其轴向强度和模量非常高，通用型碳纤维强度为100MPa，模量 100GPa左右，无蠕变，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好。根据力学性能，碳纤维又分为通用型和高性能型，高性能型碳纤维主要有高强性（强度2000MPa，模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上），而当今航天航空工业中使用的超高强型碳纤维强度已经高于4000MPa，高模型碳纤维模量已经大于450GPa。碳纤维符合材料的应用优势碳纤维符合材料的应用优势碳纤维符合材料在汽车制造中的应用领域碳纤维符合材料在汽车制造中的应用领域碳纤维符合
46、材料在汽车制造中的实际应用碳纤维符合材料在汽车制造中的实际应用碳纤维符合材料在汽车中的实际应用碳纤维符合材料在汽车中的实际应用碳纤维符合材料在汽车制造中的实际应用碳纤维符合材料在汽车制造中的实际应用宝马宝马M3碳纤维车顶碳纤维车顶车重降低车重降低5KG,市场售价市场售价110.5万，普通钢制车顶售价万，普通钢制车顶售价110万万本田御用改装厂本田御用改装厂无限推出无限推出碳纤维材质牌照架版改装飞度碳纤维材质牌照架版改装飞度雷克萨斯雷克萨斯FLA优质跑车优质跑车60%车身采用碳纤维符合材料车身采用碳纤维符合材料不仅加强车身坚固性不仅加强车身坚固性较铝制车身减重较铝制车身减重100KG陶瓷材料陶瓷
47、材料 继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。发展只有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。车型尺寸规格（mm）菱镁复合板重量（kg）蜂窝夹芯板重量（kg）减重%CPB1220455401
48、5249.46120454501514.27.547卧铺板蜂窝夹芯板菱镁复合板陶瓷材料典型应用案例面层和衬条采用五合板国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么在巴黎举行的全球最大规模的复合材料展览会“JEC Composite Show”上，关于新材料在汽车用途方面，与CFRP（碳纤维强化树脂）相关的展示明显增加，意大利兰博 基 尼 （ Lamborghini） 、 德 国 宝 马（BMW）以及英国迈凯轮（Mclaren）汽车都展出了CFRP材质的车体。国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么CFRP（碳纤维复合材料）与钢板及铝合金相比，虽可
49、大幅减轻重量，但因为成本高，此前只被用在赛车及超级车上。日本正在开发可快速且低成本制造CFRP的技术，RTM（树脂传递模塑）成型工艺，使成型品的成本降至以往的1/51/7。宝马公司的“i3”与丰田的“雷克萨斯LFA”均积极导入了RTM工艺。另外，使用原来的预浸料也可在510分钟内成型的技术也已诞生。国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么美国和德国是最重视环保和废气排放的，也是高分子工程塑料在汽车上应用最多和研究最深入的国家。德国戴姆勒（Daimler）与德国巴斯夫公司（BASF）在法兰克福车展（IAA2011）上展出了共同开发的概念车“Smart Forvision”。 车轮采用树脂制造
50、，与采用金属制造相比，每个轮子的重量减轻了3kg。簧下质量的减轻对于提高乘坐舒适性和（燃油经济性）有着重要的意义。国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么它的驾驶室骨架由CFRP（碳纤维强化树脂）制造，基体（Matrix）是环氧树脂。重量比钢制减轻了一半。而且，座椅骨架为树脂一体成形，采用了可集中加热中间部分和腰部的座椅加热器等，从而减轻了座椅的重量。通过加长玻璃纤维增强PA（聚酰胺）的强化纤维而增大了强度。强度和耐久性均达到了可应用于量产车的水平。国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么奥迪汽车公司的Audi Urban Concept电动
51、微型概念车，它并不基于任何一款Audi现行产品的衍生车种，而是完全遵循着极度轻量化与低耗能的原则独立开发而成，因此Audi Urban Concept概念车的车体与座舱采CFRP碳纤维复合材质打造而成，并将车室内任何不必要的配备移除，以达到极度轻量化的目标。 国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么国外汽车制造业在做什么德国ZF公司日前公布了该公司底盘部门开发的最新轻量化技术。具体介绍了通过把钢制悬挂部件改为轻金属或树脂而实现的轻量化效果、以及目前正在开发的FRP（纤维强化树脂）悬挂模块等。 国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么近年来，日本各大汽车厂商、材
52、料生产商、相关研究机构和汽车部件厂商每年都会在“东京国际汽车展”和“人与车科技博览会”上，展示能够大幅减轻重量的部件、新材料和新技术。今年则提出了改用树脂和泡沫等材料，在维持刚性的同时削减多余厚度，通过改进模具和思考新接合法节省现有部件的技术。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么本田公司日前开发出了钢和铝的接合技术，将在全球首次应用于量产车骨架部分，力求减轻车辆的重量，以提高燃效。接合钢和铝这两种不同金属的技术将用于车辆前部下侧被称为副车架的部分。在钢上叠加铝，移动在铝的上面边施加压力边旋转的工具，在钢和铝之间形成稳定的接合。能够以与以往焊接同等以上的强度进行接合，与钢相比，可实现
53、25的轻量化。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么日本东丽开发出了在车辆骨架等部分采用碳纤维强化树脂（CFRP）大幅减轻了车重的电动汽车（EV）概念车“TEEWAVE AR1”。TEEWAVE AR1概念车为可上路行驶的车辆配置，各部件在制造时非常注重实用化。该车共计采用了160kg的CFRP，由此将钢板用量减轻了550kg，是“适合量产的为热可塑性树脂”，该公司的目标是“在汽车设计领域掀起一场革命”。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么东丽公司将碳纤维定位为“战略性扩大业务”，汽车是最有望大量应用这种材料的领域。计划通过
54、概念车扩大汽车厂商对碳纤维的应用。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么丰田自动织机为丰田开发的混合动力车（HEV）“普锐斯”掀背旅行车。开发的作为选配件的聚碳酸酯（PC）全景天窗。重约12kg，比玻璃天窗减轻了40%。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么丰田铁工在“人与车科技展2012” 上展出了正在开发的轻量后保险杠加强件。该部件由树脂和钢板复合而成，目的是大幅减轻重量。使用钢板的加强件重约5kg，而由树脂及钢板复合而成的加强件以3kg为目标。 国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么卡 罗 拉 掀 背 旅 行 轿 车Fielder在丰田汽车中首次采用了树脂后
55、门，通过用树脂制造外板，重量减轻了2.5kg。采用了与保险杠相同的材料PP（聚丙烯），通过将饰板等一体化，削减了部件个数，比钢制后门降低了成本。 国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么日本帝人公司开发出了采用热可塑性树脂，用1分钟时间便可成型CFRP（碳纤维强化树脂）车辆骨架部件的量产技术。用CFRP成型的车体骨架为轻型车尺寸，重量降低到了采用钢板时的约1/5，即47kg，部件个数为20多个。确保了骨架所必需的碰撞安全性及刚性。由于车辆地板下部 确保了足够的刚性，因而 省去了中柱。与美国通用 汽车公司签署了合作开发 用于量产车部材产品协议 。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在
56、做什么丰田合成在“第42届东京车展” 上展出了比以往产品减轻约20的树脂保险杠。通过在设计早期阶段充分利用CAE，将最薄部分的厚度减少一半，大幅实现了薄壁、轻量化。该公司表示还能实现创意性更高的形状。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么世界钢铁协会（World Steel Association）汽车分会汽车钢联盟（World Auto Steel，WAS）公布了小型电动汽车（EV）的白车身（涂装前车身）轻量化方法，并公开了其概要。据介绍，通过将高张力钢板在整个车身中的比例提高至97（重量比），可将同级别级汽油车的白车身重量减轻约35。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什
57、么使用材料分布（左）与使用比例（右）整车预测图，内部布置图国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么新日本制铁、JFE钢铁、住友金属工业及神戸制钢所4家钢铁企业公布了以实现轻量化为目标的新一代钢制车体（FSV）开发项目的进展情况，该项目由世界钢铁协会（World Steel Association）汽车钢联盟（World Auto Steel，WAS）的成员企业全球17家钢铁企业于2008年联手启动。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么加盟企业中包括新日本制铁、JFE钢铁、住友金属工业及神户制钢所4家日本企业，中国鞍山钢铁集团和宝山钢铁集团、卢森堡Arcelor Mittal
58、公司、台湾中国钢铁公司、韩国现代钢铁公司、美国纽柯钢铁（Nucor）公司、韩国浦项制铁集团（POSCO）、俄美Severstal、印英荷塔塔钢铁（Tata Steel）公司、德国Tyssen Krupp Steel Europe、美国钢铁斯洛伐克分公司、巴西Usinas Siderurgicas de Minas以及奥地利Voestal pine Stahl，共计17家企业。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么由美国工程公司EDAG、加拿大电动动力传动系统及氢动力传动系统开发商昆腾科技（Quantum Technologies）、中国燃料电池开发商上海燃料电池汽车动力系统有限公司（
59、SFCV）、同济大学以及WAS的材料专家组成小组，对设想2015年2020年推出的新一代车型的车体规格进行了探讨。国外相关材料业界在做什么国外相关材料业界在做什么2012，美国化工理事会（ACC）就关于提高客车和轻型卡车燃料效率并减少温室气体排放的联邦建议提交了书面意见，呼吁相关机构增加机动车技术信誉指标，以明示塑料等轻型材料的应用优势。未来汽车对新型材料的要求未来汽车对新型材料的要求新材料技术研发必须解决以下问题，才有可能推动在汽车上的应用：1、可回收再利用性：汽车上大约有1/4的材料无法回收和再利用；其中:橡胶占1/3、塑料占1/3、玻璃及纤维合占1/3；无法满足与循环经济和环保的要求。2
60、、减少材料的种类：目前汽车上使用的材料（尤其是由高分子材料组成的塑料）高达几十种，材料生产工艺不同，通用性较差，不利于回收和循环再利用。未来汽车对新材料的要求未来汽车对新材料的要求3、低成本：制约汽车上使用新材料的重要因素就是成本，降低成本才是获得在汽车制造业通往量产的必然趋势。4、缩短制作周期，提高生产效率：新材料（如：主要用于车身较大面积的覆盖板的高性能工程塑料、玻璃纤维增强材料和碳纤维增强材料）的加工工艺相对复杂，加工周期比较长。这也同样是影响和制约汽车制造业采用这些新材料的重要因素。未来汽车对新材料的要求未来汽车对新材料的要求5、材料的安全性，应该满足无毒、无害、对人体无副作用的要求；6、基本满足汽车全寿命周期要求，不会出现早期材质变化和老化等现象。
