第8章 汽車車身材料與結(jié)構(gòu)輕量化

,1.了解轎車車身輕量化的意義2.掌握轎車車身輕量化的主要途徑,8.1車身輕量化的意義,汽車開發(fā)的五大指標(biāo),汽車輕量化：在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和有效手段對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或使用新材料以盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，以達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標(biāo)。車身輕量化是車身開發(fā)的重要指標(biāo)之一，輕量化設(shè)計(jì)理念至始至終貫穿于整個(gè)開發(fā)歷程，并且需要在性能和成本之間取得平衡。,質(zhì)量占整車的0,安全性、舒適性要求高,材料眾多,車身的輕量化對(duì)于整車輕量化舉足輕重,形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本占整車的0,車身質(zhì)量（包括白車身和裝備件）對(duì)整車質(zhì)量的影響很大。車身輕量化能使懸架及傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷減小，有利于整車輕量化要求，最終達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求，同時(shí)可提高行駛平穩(wěn)性和舒適性。,高強(qiáng)度鋼,鋁合金,塑料,鎂合金,復(fù)合材料,密度小，強(qiáng)度大，吸能性好,密度小，耐腐性能好,密度、強(qiáng)度人為可控，吸能性更好,可使板厚減薄，強(qiáng)度剛度增加,密度更小，強(qiáng)度大，吸能性好,新材料的應(yīng)用,輕質(zhì)替代材料,采用輕量化材料的原則：為保證車身的強(qiáng)度和耐撞性，需確保更換材料后車身零件的強(qiáng)度和吸能能力不會(huì)減少。,8.2車身輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑,結(jié)構(gòu)優(yōu)化：結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、造型優(yōu)化,板殼厚度梁截面平面慣性矩,對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)和整體化、集成化,尺寸優(yōu)化,應(yīng)力分布均勻化,減小質(zhì)量延長(zhǎng)壽命,造型優(yōu)化,向承受高負(fù)荷的部位儲(chǔ)存材料將承受低負(fù)荷的部位去除材料,8.2車身輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑,革新工藝,革新工藝拓寬汽車輕量化的可能性,世界幾種典型轎車用材百分比,8.2.1采用新材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化,1.普通低碳鋼板1）鋼板的成形性能冷沖壓鋼板是以金屬的塑性變形為基礎(chǔ)的加工方法。伸長(zhǎng)率是衡量塑性變形能力的指標(biāo)冷軋鋼板：比熱軋鋼板沖壓加工性能好，表面美觀。在汽車上應(yīng)用較多,廣泛采用0.61.0mm板厚熱軋鋼板：在t800時(shí)軋制而成的，加工性不如冷軋鋼板，厚度一般為1.66.0mm之間。板厚為1.21.4mm的熱軋鋼板主要用于車身下部構(gòu)件、內(nèi)護(hù)板、車門內(nèi)板等，大于1.6mm以上的用于結(jié)構(gòu)加強(qiáng)板和鉸鏈等。,8.2.1采用新材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化,2.高強(qiáng)度鋼板高強(qiáng)度鋼板（HSS）指屈服強(qiáng)度為210550MPa的鋼板，屈服強(qiáng)度大于550MPa的為超高強(qiáng)度鋼板（UHSS或AHSS），是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素制成。生產(chǎn)成本與普通碳素鋼板相近，但其抗拉強(qiáng)度比普通鋼板高得多，用以制造車身構(gòu)件，可以明顯減輕重量和造價(jià)優(yōu)點(diǎn)1）可減輕零件的重量2）加工硬化率高，吸收更多的沖擊能量，用于前后縱梁等處可提高汽車的安全性3）用于車身外部件，具有烘烤硬化性，可增強(qiáng)零件，提高外表面件的抗凹陷性能主要限制：隨著鋼板強(qiáng)度級(jí)別的提高，鋼板的成形性變差。,高強(qiáng)度鋼板及車身【案例1】ULSAB-AVC項(xiàng)目是通過(guò)全面開發(fā)兩類車型歐洲的C級(jí)車型（C-Class）和北美的中級(jí)轎車PNGV的概念設(shè)計(jì)方案目標(biāo)：滿足2004年安全法規(guī)，顯示鋼結(jié)構(gòu)汽車的高安全性亮點(diǎn)利用在2004年可以獲得的先進(jìn)鋼材和加工方法適合于大量生產(chǎn)車身結(jié)構(gòu)和閉合件等應(yīng)是全鋼的，鋼材的供應(yīng)沒有問(wèn)題使重量最輕，成本最小化,【案例】高強(qiáng)度鋼板及車身ULSAB-AVC項(xiàng)目是通過(guò)全面開發(fā)兩類車型歐洲的C級(jí)車型（C-Class）和北美的中級(jí)轎車PNGV的概念設(shè)計(jì)方案（車身結(jié)構(gòu)和閉合件等是全鋼的，使重量最輕，成本最小化）（1）平臺(tái)概念1）C級(jí)和PNGV級(jí)兩種車型共用一個(gè)平臺(tái)2）兩種車型共用一種車身結(jié)構(gòu)平臺(tái)，只是車門型式不同，車身長(zhǎng)度尺寸略有不同；強(qiáng)調(diào)共用一個(gè)車頭。,（2）精心設(shè)計(jì)載荷路徑和接頭車頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括動(dòng)力總成的布置和前端結(jié)構(gòu)載荷路徑布置設(shè)計(jì)A立柱之前的前端結(jié)構(gòu)是前碰撞的主要吸能部分按照100%正碰和40%偏置碰撞的要求，綜合精密考慮結(jié)構(gòu)的載荷路徑，設(shè)置了斜撐盒形梁，將前圍檔板與抗碰撞盒上、下和下封閉地板聯(lián)接在一起，傳遞縱梁和拐角之間的載荷。,（3）底架前端結(jié)構(gòu)前碰撞能量由兩根縱梁傳遞，每個(gè)縱梁由兩段鋼管拼焊液壓成形懸架支承力通過(guò)副車架傳入車身前碰撞載荷路徑是由保險(xiǎn)杠梁和抗撞盒傳及整個(gè)縱梁抗撞盒由兩個(gè)沖壓件組成盒形截面，焊在保險(xiǎn)杠和縱梁之間,（4）車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置門檻內(nèi)的和A柱下段的加強(qiáng)板。但為補(bǔ)償強(qiáng)度，門檻內(nèi)板與車身側(cè)圍外板都是用拼焊板制造前門鉸鏈座插入A柱，且被焊于A柱內(nèi)板和車身側(cè)圍外板。底架的左、右門檻內(nèi)板之間，用穿透的矩形橫梁拉住車身側(cè)圍用兩根拱形管材構(gòu)件傳遞A柱到后縱梁的載荷在前端，載荷是從前縱梁通過(guò)前圍板碰撞盒傳入A立柱。管材液壓成形時(shí)，管徑被擴(kuò)脹并軸向地伸入定位工具，然后在A柱接頭處全面焊接在后端，這個(gè)側(cè)圍構(gòu)件安裝在作為后縱梁上部零件的后地板上，通過(guò)一個(gè)支架和后縱梁聯(lián)接。,（5）車身后端底架結(jié)構(gòu)后端縱梁部分由后地板、后縱梁和門檻內(nèi)板及輪罩內(nèi)板組成，都由拼焊板制作。,3.表面鍍鋅鋼板鋅具有適應(yīng)性很強(qiáng)的耐腐蝕性能隨著轎車工業(yè)的發(fā)展，鍍鋅鋼板用量逐年增加多用于容易腐蝕的車身零件，如擋泥板（輪罩），地板等車身底部及車頂，車門板。有些轎車車身幾乎全部重要沖壓件都采用鍍鋅鋼板。,4.鋁合金在轎車上應(yīng)用,鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、離合器殼體,大眾甲殼蟲,玻璃增強(qiáng)纖維復(fù)合材料車身外殼,克萊斯勒CCV復(fù)合材料概念車,平均油耗實(shí)際為2.99L/100km，轎車自重800kg世界上第一輛批產(chǎn)低油耗轎車,大眾3升車Lupo,全鋁空間框架車身(ASF)，世界上第一種大批量生產(chǎn)的全鋁車身轎車,奧迪A2,以全鋁結(jié)構(gòu)件為基礎(chǔ)，使用鈦，鎂和碳纖維等貴重材料,福特P2000,廣泛應(yīng)用輕質(zhì)材料，自重750kg,Ecobasic“3L”,鎂合金和復(fù)合材料的車身框架，自重700公斤,豐田ES3,鋁質(zhì)車身,法拉利360Modena/Spider,全鋁車身的豪華型轎車,捷豹XJ8,全鋁車身的高級(jí)跑車,法拉利612-Scaglietti,5.塑料1953年汽車上第一次使用塑料作為汽車車身的內(nèi)、外飾件的主要材料得到普及應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料出現(xiàn)，塑料材料在車身上的應(yīng)用正在代替鋼板，用作車身的板件和結(jié)構(gòu)件塑料分類（按機(jī)械性能）通用塑料：用途廣、產(chǎn)量大、價(jià)格低廉的普通塑料工程塑料：具有一定機(jī)械強(qiáng)度和特殊性能的增強(qiáng)塑料如發(fā)泡聚丙烯（PP）、尼龍,6.復(fù)合材料按性能分類：功能型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按基體分類高分子基（PMC）復(fù)合材料金屬基（MMC）復(fù)合材料陶瓷基（CMC）復(fù)合材料按增強(qiáng)相的種類、形狀分類顆粒狀層狀纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。節(jié)能、輕量化：長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)材料,（1）復(fù)合材料特點(diǎn)1）重量輕例：玻璃纖維增強(qiáng)材料（GFRP，玻璃鋼），密度為1.62.4g/cm3，制作車身可大大減輕重量2）耐腐蝕，車身壽命長(zhǎng)特別是玻璃纖維增強(qiáng)材料，幾乎同玻璃一樣具有不生銹和耐腐蝕的能力3）具有高韌性和抗沖擊能力4）保溫隔熱性好除碳纖維增強(qiáng)材料外，復(fù)合材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力差5）成型性好纖維增強(qiáng)材料流動(dòng)性和層壓性好，使車身表面可制成形狀各異的曲面6）車身部件大型化用復(fù)合材料可以制造集許多單一零件和功能于一體的多功能部件，或大型整體部件7）著色性好8）材料利用率高,（2）車身用復(fù)合材料車身上使用最多的復(fù)合材料是玻璃纖維增強(qiáng)材料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）1）GFRP的主要特點(diǎn)及其應(yīng)用質(zhì)量輕，比強(qiáng)度、比剛度高，耐腐蝕性能好,2）纖維增強(qiáng)材料（CFRP）的特點(diǎn)及其應(yīng)用CFRP的主要原料與GFRP基本相同，只是增強(qiáng)材料為碳纖維而不是玻璃纖維與GFRP相比，CFRP密度低、抗拉強(qiáng)度高，耐蝕性、耐磨性好，有一定的減振和隔振性能CFRP材料廣泛應(yīng)用于汽車的各類板件、殼體件、各種支架、托架和許多重要的結(jié)構(gòu)件,復(fù)合材料在車身上應(yīng)用的示例,BMWCFRP側(cè)圍骨架,復(fù)合材料的框架結(jié)構(gòu),復(fù)合材料車身頂蓋,復(fù)合材料備胎總成,雷諾Avantime車身塑料件,克萊斯勒的CCV車身,通用概念車Ultralite,復(fù)合材料在車身上應(yīng)用的示例,Dodgeviper跑車的碳纖維車架結(jié)構(gòu),Porsche的碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩,梅塞德斯奔馳SLR跑車,使用了一體式碳纖維車架的FerrariF50,復(fù)合材料在車身上應(yīng)用的示例,輕質(zhì)高強(qiáng)、耐撞擊，抗斷裂韌性好、減振，隔音性能好、可設(shè)計(jì)性好、電性能好、耐腐蝕性能好、熱性能好、工藝性能優(yōu)良、老化現(xiàn)象是復(fù)合材料的特點(diǎn)，尤其是新型碳纖維復(fù)合材料性能格外優(yōu)越，最具發(fā)展前景。,8.2.2采用新工藝實(shí)現(xiàn)汽車輕量化,輕質(zhì)材料在減輕車身重量的同時(shí)，也對(duì)汽車工藝提出了新的要求，例如，用新材料制造的零件進(jìn)行組裝結(jié)合時(shí)，就遇到了接合技術(shù)問(wèn)題。采用高強(qiáng)度鋼后，材料厚度更薄，傳統(tǒng)的MAG焊接工藝面臨無(wú)法解決的焊接難題。車身組裝焊接技術(shù)主要種類,8.2.2采用新工藝實(shí)現(xiàn)汽車輕量化,輕量化成型工藝-精益成型,內(nèi)高壓成形原理圖,1）管件液壓成型技術(shù)也稱內(nèi)高壓技術(shù)，是一種利用液體作為成形介質(zhì)，通過(guò)控制內(nèi)壓力和材料流動(dòng)來(lái)達(dá)到成形中空零件目的的材料成形工藝。一般用來(lái)制造空心輕體構(gòu)件。,金屬板料液壓成形原理圖,2）熱沖壓成形工藝將鋼板加熱到Ac3點(diǎn)以上的A（奧氏體）區(qū)域進(jìn)行沖壓成形，然后在沖模中從Ar3相變點(diǎn)以上進(jìn)行急冷。,熱沖壓成形零件1.側(cè)門2.支架和梁3.各種突出梁4.B柱加強(qiáng)板5.外門板6.加強(qiáng)板7.縱梁,3）注射成形技術(shù),應(yīng)用注射成形技術(shù)的車門內(nèi)板及儀表盤,4）發(fā)泡鋁成形技術(shù),發(fā)泡鋁是空氣與鋁復(fù)合而成的材料。向鋁模具內(nèi)充氣或把將要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的小顆粒注入鋁模具，形成發(fā)泡鋁的多孔組織，就能充分吸收能量，緩沖和降噪。,2.結(jié)構(gòu)件優(yōu)化連接工藝可靠連接,車身制造中常用的焊接方法及典型應(yīng)用實(shí)例,傳統(tǒng)工藝和激光拼焊的對(duì)比,激光焊,激光焊汽車車架,8.2.3通過(guò)合理化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化,1將車身劃分為吸能區(qū)和剛性區(qū)吸能區(qū)能吸收部分碰撞能量，并使用剩余碰撞能量分散性地傳到剛性區(qū)，而剛性區(qū)能確保有足夠的剛性和強(qiáng)度保護(hù)乘員不受損傷或少受損傷。2.增加焊點(diǎn)焊接總成在適當(dāng)位置增加焊點(diǎn)點(diǎn)數(shù)、布置重要焊點(diǎn)來(lái)提高組件強(qiáng)度。以側(cè)圍總成為例，前門洞共60個(gè)焊點(diǎn)，后門洞共54個(gè)焊點(diǎn)。3.車身部件薄壁化、中空化、小型化和復(fù)合化，盡可能提高斷面效率，減少零件數(shù),4.采用承載式車身,8.2.3通過(guò)合理化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化,超輕車身輕量化實(shí)現(xiàn)方法,車身輕量化設(shè)計(jì)包含的七大要素,8.3車身輕量化設(shè)計(jì)實(shí)例,車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)可以分為兩種方法：（1）在概念設(shè)計(jì)階段就將輕量化的思想融入到車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出全新的輕量化車身；（2）對(duì)現(xiàn)有車型的輕量化改型設(shè)計(jì)。,前后兩個(gè)碰撞吸能區(qū),車身的剛度分配是碰撞安全性的決定因素。安全車身前后部位的剛度應(yīng)低于中間乘坐艙的剛度。輕微事故時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)及其碰撞變形元件能吸收沖擊能量，減少損失。重大事故時(shí)，乘坐艙變形應(yīng)盡量小，讓乘客有足夠的生存空間。乘坐艙以外的部件應(yīng)盡量參與變形并吸收沖擊能量。,安全車身,車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法,汽車的輕量化設(shè)計(jì)流程,車門的輕量化設(shè)計(jì)示例,車門是車身設(shè)計(jì)中比較特殊的部件，它在某種程度上說(shuō)可以獨(dú)立于車身結(jié)構(gòu)之外，不受整車結(jié)構(gòu)的限制。而它又是車身設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零部件之一，設(shè)計(jì)要求比較高。故輕質(zhì)車門設(shè)計(jì)具有典型性。,輕質(zhì)車門方案,一般車門結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)：,缺點(diǎn)：,零件少、組裝方便；剛性好、便于設(shè)兩道密封條。,壓床臺(tái)面和噸位大、造型受限；剛、強(qiáng)度要求高；難實(shí)現(xiàn)輕量化。,內(nèi)外板結(jié)構(gòu)形式的車門，由薄板沖壓的外板和內(nèi)板翻邊焊接或粘結(jié)而成。內(nèi)板是車門的主要零件，沖有各種形狀的窩穴、加強(qiáng)筋和孔洞，以便安裝附件。,內(nèi)、外板式車門,輕量化車門結(jié)構(gòu),提高剛度，降低厚度,框架式車門,輕質(zhì)車門方案,零件數(shù)減少、可采用輕質(zhì)材料、降低維修費(fèi)用,模塊化車門,從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)車門的輕量化有兩種方法：一是降低占車門大部分面積的內(nèi)板和外板厚度；二是減少車門零件數(shù)量?？蚣苁杰囬T帶有框架，框架為主要承載件，因此可降低內(nèi)、外板板厚；模塊化車門的零件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，其零件數(shù)量可減少。,車門設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),評(píng)價(jià)試驗(yàn),車門鎖：開鎖和防誤鎖、耐久性、承受載荷能力、互開率、耐慣性。,車門鉸鏈：運(yùn)動(dòng)范圍阻力矩、關(guān)閉余留角、強(qiáng)度、垂直剛度、耐久性。,搖窗機(jī)：操作方便、結(jié)構(gòu)可靠、強(qiáng)度合適、壽命。,限位器：限制車門最大開度、耐久性。,.,側(cè)面防撞桿：力和能量的傳遞作用。,外后視鏡：大小、緩沖件結(jié)構(gòu)、耐氣候性能、耐久性能。,車門設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),輕質(zhì)車門結(jié)構(gòu)的有限元分析,原車門,下垂剛度應(yīng)力圖,下垂剛度位移圖,扭轉(zhuǎn)剛度（上）位移圖,扭轉(zhuǎn)剛度（下）位移圖,窗框剛度（前）位移圖,窗框剛度（后）位移圖,檢驗(yàn)載荷應(yīng)