汽車輕量化技術(shù)

1、汽 車 輕 量 化 技 術(shù),2010-5-28,2-294,作為有效的節(jié)能手段，汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā) 展的重要研究課題之一。汽車輕量化是國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的 緊迫需要，更成為車企和全行業(yè)提高核心能力的現(xiàn)實(shí)需求。 輕量化技術(shù)無論對(duì)傳統(tǒng)汽車，還是新能源汽車，都是一項(xiàng)基礎(chǔ) 的共性技術(shù)。,- 前言,3-294,汽車輕量化的意義及概念 國內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 汽車輕量化的主要途徑 汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用的成功案例,4-294,過去十年我國汽車產(chǎn)量分布圖,伴隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程，汽車工業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，已成為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。 據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)顯示，2009年我國汽車產(chǎn)量達(dá)到1

2、379萬輛，首次超越美國，成為世界第一大汽車生產(chǎn)國。,汽車輕量化之第一章 汽車輕量化意義及概念,5-294,截至目前，我國汽車保有量達(dá)到了7619萬輛。經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的北京、上海、廣州、深圳等城市的機(jī)動(dòng)車保有量均超過150萬輛，而北京市則達(dá)到401.9萬輛，私人轎車擁有率接近60。合肥市汽車保有量已突破50萬輛。,6-294,汽車在給人們的出行帶來方便的同時(shí)，也產(chǎn)生了油耗、安全和環(huán)保三大問題。如何應(yīng)對(duì)三大問題，各國政府都提出了相應(yīng)的措施。包括制定條令法規(guī)，如油耗法規(guī)，安全法規(guī)以及排放法規(guī)。各國汽車工業(yè)界一致認(rèn)為，汽車輕量化是滿足上述三個(gè)法規(guī)的有效手段和方法。,車重與燃油利用率的關(guān)系,油耗與CO2

3、排放關(guān)系,7-294,一、節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì) 20世紀(jì) 70年代的兩次石油危機(jī) ,促進(jìn)汽車工業(yè)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。 80年代中期以后，保護(hù)人類居住和賴以生存的環(huán)境又一次推動(dòng)汽車工業(yè) 提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。 BP世界能源統(tǒng)計(jì)2008的數(shù)據(jù) , 2007年全球石油產(chǎn)量為 8 150萬桶 , 按照這一數(shù)字 ,全球石油儲(chǔ)量可滿足 40年的需求;目前美國53 %依賴進(jìn) 口石油 ,歐洲高達(dá) 76 % ,日本幾乎全部依賴進(jìn)口 ,中國石油對(duì)外依存度 接近 50 %。在各行業(yè)的石油消耗中 ,汽車工業(yè)是耗油大戶。,汽車輕量化具有重要意義,8-294,這些數(shù)據(jù)表明:汽車工業(yè)節(jié)能減排對(duì)于一個(gè)國家的能源供應(yīng)

4、和環(huán)境保護(hù)都具有重要的意義。,1990年以來中國石油消費(fèi) 的供應(yīng)能源,汽車燃油在我國石油 消費(fèi)中的的增長情況,美國各個(gè)產(chǎn)業(yè)的 溫室氣體排放情況,9-294,二、 為應(yīng)對(duì)節(jié)能減排,各國和地區(qū)都制定了相應(yīng)的法規(guī) 歐盟 ,北美 ,日本等都制定了嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)型指標(biāo) ,如美國的 CAFE ( Corporati on Average Fuel Economy)規(guī)定乘用車燃油消耗27.5英里 /加侖 (約11 . 8 km /L)。輕型貨車不低于 8 . 8 km /L。日本規(guī)定 2010年 汽油乘用車燃油經(jīng)濟(jì)性為 15 km /L,比1995年提高22 . 8 % ,柴油乘用車 比 1995年燃油經(jīng)濟(jì)

5、性提高 14 . 9 % ,達(dá)到 12 km /L。歐盟乘用車燃油經(jīng) 濟(jì)性目標(biāo)為 18 . 8 km /L, 2009年單車平均排放CO2減少到 140 g/km。,10-294,為應(yīng)對(duì)全球變暖 ,全世界已有 140多個(gè)國家簽訂了京都議定書, 我國于 2004年開始實(shí)施乘用車燃料消耗量限制標(biāo)準(zhǔn) , 2010年 乘用車平均油耗比2003年下降 15 %。,大氣中 CO2含量的變化情況,11-294,三、 輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段 研究表明 ,約 75 %的油耗與整車質(zhì)量有關(guān) ,降低汽車質(zhì)量就可 有效降低油耗以及排放。目前 ,大量研究表明 ,汽車質(zhì)量每下降 10 %，油耗下降 8 % ,排放

6、下降 4 %。美國在歐洲全順車的實(shí)驗(yàn)表明 , 在滿足歐 標(biāo)準(zhǔn)條件下 ,每百公里油耗 Y與自重 X滿足以下關(guān)系 Y = 0 . 003X + 3 . 3434 (1) 對(duì)商用車的研究表明 , 汽車質(zhì)量每減少1 000 kg,油耗可降低 6 %7 %。油耗的下降 ,意味著 CO2 ,氮氧化物 (NOx)等有害氣體排放 量的下降。據(jù)報(bào)道 ,在美國汽車質(zhì)量如果減少 25 % ,燃油消耗按減少 13 %計(jì) ,一年可節(jié)省 2 . 7億桶石油 , 每消耗 1 L燃油 ,將產(chǎn)生 CO2 22 . 5 kg。 因此燃油消耗的降低 ,就意味著溫室氣體和其他有害氣體排放的下降。,12-294,除空氣動(dòng)力學(xué)阻力之外

7、,車子運(yùn)動(dòng)的各類 阻力都和車子質(zhì)量呈線性關(guān)系,各類車型的燃油效率與車身自重的關(guān)系,汽車自身質(zhì)量對(duì)燃油消耗的影響,諸多乘用車，車重減少 100 kg, 每升油多行駛 1 km,結(jié)果表明，輕量化對(duì)汽車節(jié)能減排具有重要意義,13-294,汽車質(zhì)量的減少 ,會(huì)減小動(dòng)力和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷 ,可在較低 的牽引負(fù)荷下表現(xiàn)出同樣或更好的性能。Lotus公司證明 ,簧載質(zhì)量 下降 ,明顯提高行駛平穩(wěn)性和舒適性。為提高轎車安全性等性能 , 增加一些輔助裝置 ,導(dǎo)致車的質(zhì)量增加 ,這些又需要通過輕量化予 以補(bǔ)償。又如 ,混合動(dòng)力汽車 ,由于增加了混合動(dòng)力系統(tǒng)裝置而增 加了車重。如果在混合動(dòng)力汽車中實(shí)現(xiàn)輕量化 ,不

8、但可以減少油耗 , 還可以降低制造費(fèi)用。,無論從戰(zhàn)略角度、 商業(yè)角度還是社會(huì)發(fā)展來看 ,具有高燃油經(jīng)濟(jì)性 和環(huán)保特點(diǎn)的汽車順應(yīng)了社會(huì)發(fā)展的需要。,14-294,汽車輕量化不能以簡單的減重多少來衡量，必須與所設(shè)計(jì)車身的尺寸和 功能相關(guān) 對(duì)于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設(shè)計(jì)是降低重量而保持原功能不變，其輕量化的效果是直接的減重； 現(xiàn)有功能尚不能全部滿足要求或需要提升的汽車，輕量化設(shè)計(jì)是完善功能而保持質(zhì)量不變； 既要提高改進(jìn)性能，同時(shí)也使汽車減重。 汽車輕量化設(shè)計(jì)實(shí)際上是功能改進(jìn)，質(zhì)量降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理價(jià)格的 結(jié)合。,汽車輕量化的概念,15-294,汽車輕量化之第二章 國內(nèi)外汽車輕量化發(fā)展

9、概況,2.1 國際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀 2.2 國內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀,16-294,2.1 國際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀,主要汽車生產(chǎn)國對(duì)策,汽車輕量化研發(fā)項(xiàng)目,17-294,自上世紀(jì)70年代以來，隨著材料技術(shù)和制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車自身重量在逐年減少，以美國為例，上世紀(jì)80年代初，中型轎車的平均質(zhì)量為1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；19851995年期間，轎車質(zhì)量平均每年減少0.9%。20世紀(jì)末和本世紀(jì)初世界各國先后出現(xiàn)過百公里油耗3L的汽車，這類汽車的質(zhì)量基本處在750850KG之間，比現(xiàn)今同類車輕50%。1998年德國大眾推出路波3L TDI，汽車自身質(zhì)

10、量只有800KG。奧迪公司開發(fā)全鋁型轎車AuDi A2,汽車自身質(zhì)量只有895990KG。商用車的自身質(zhì)量也在減少，以意大利依柯維商用車為例，2004年其駕駛室的質(zhì)量已降為960KG，減少40%。,18-294,主要汽車生產(chǎn)國對(duì)策,影響美國最深的當(dāng)屬“平均燃油效率標(biāo)準(zhǔn)”（CAFE）與“新一代汽車共同開發(fā)計(jì)劃”（PNGV）。PNGV計(jì)劃于1993年開始實(shí)施，政府每年投資2億美元，主要用于家庭用車的減重。 美國總統(tǒng)奧巴馬2009年5月公布了一項(xiàng)汽車節(jié)能減排計(jì)劃，目標(biāo)是到2016年，美國國內(nèi)生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L，CO2排放量也比現(xiàn)有車輛減少1/3。這項(xiàng)計(jì)劃2012年開始實(shí)施

11、，將使美國在20122016年減少使用原油18億桶，溫室氣體排放 量將減少9億噸。 歐洲和日本不僅在降耗減排方面推行了相關(guān)政策，而且對(duì)廢舊車輛回收也作出了嚴(yán)格規(guī)定。如日本2001年規(guī)劃由拋棄型進(jìn)入循環(huán)型的社會(huì)發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。其實(shí)，2001年以前，日本已有相關(guān)法令推行綠色設(shè)計(jì)及綠色采購。,19-294,*超級(jí)燃油效率概念車，燃油效率為2.7L/100km （CO271g/km）,主要汽車生產(chǎn)國輕量化與改善燃油效率值的策略,20-294,汽車輕量化研發(fā)項(xiàng)目,國際鋼鐵協(xié)會(huì)首先開展了超輕鋼汽車車身UISAB項(xiàng)目，參加 該項(xiàng)目的有來自5大洲18個(gè)國家的35家鋼鐵企業(yè)。該項(xiàng)目于1994

12、 年啟動(dòng)，1998年結(jié)束，主要目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 、提高安全性、簡化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。 與UISAB相關(guān)的項(xiàng)目還有UISAC和UISAS兩項(xiàng)目，前者是將高 強(qiáng)度鋼應(yīng)用在汽車車身覆蓋件上，后者是采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度 材料以及一些先進(jìn)的制造技術(shù)來生產(chǎn)輕量、廉價(jià)和性能良好的懸 架系統(tǒng)，目標(biāo)是通過采用新的鋼材及設(shè)計(jì)，將懸架質(zhì)量減小20%。 國際鋼協(xié)1998年3月開始在全球?qū)嵤︰ISAB-AVC計(jì)劃，該項(xiàng)目 是從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結(jié)構(gòu)（車身、覆蓋件、 懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架及所有與結(jié)構(gòu)、安全相關(guān)的部件）。 世界各大鋁業(yè)公司也結(jié)成了汽車鋁材聯(lián)盟，如美國汽車材料合 作伙伴（U

13、SAMP）。,21-294,汽車輕量化之第二章 國內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展概狀,2.1 國際汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 2.2 國內(nèi)汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,22-294,2.2 國內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀,汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,汽車輕量化技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題,行業(yè)政策及標(biāo)準(zhǔn),23-294,行業(yè)政策及標(biāo)準(zhǔn),2004年我國出臺(tái)乘用車燃料消耗量限值國家標(biāo)準(zhǔn)，以期從長遠(yuǎn)角度提高能源利用率，并促進(jìn)汽車輕量化的發(fā)展，分階段實(shí)施。,2009年初出臺(tái)的“汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃”，其中規(guī)定購買1.6L 及以下的小排量汽車可減免5%的車輛購置稅。,24-294,近年來 ,我國在汽車輕量化技術(shù)方面取得了不少成果。 “九五”

14、和 “十五”期間,一批汽車新材料項(xiàng)目被列為國家 “863” 、 “973”高新技術(shù)項(xiàng)目和國家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目。 促進(jìn)了汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步。 九五“期間,我國進(jìn)行了鋁合金材料和鑄件生產(chǎn)成套工藝技術(shù)的開發(fā)研究,開發(fā)出了多種鑄造合金和高性能軸瓦材料：耐熱鋁合金、高強(qiáng)高韌鋁合金、鋁基復(fù)合材料等新材料的研究取得了較大進(jìn)展。 半固態(tài)成型、快速凝固等先進(jìn)成型技術(shù)研究與應(yīng)用也取得了突破。一汽等幾大汽車生產(chǎn)廠家都有自己的鋁合金鑄造生產(chǎn)線； 湖南大學(xué)也正在進(jìn)行汽車大型鋁合金結(jié)構(gòu)件整體鑄造成形技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的研究； 重慶汽車研究所、西南鋁、東北大學(xué)和一汽都進(jìn)行了鋁合金板材的成形性研究。,汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,2

15、5-294,“十五”期間，我國將鎂合金應(yīng)用與開發(fā)列為材料領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目,一汽、東風(fēng)、長安等汽車企業(yè)建立了壓鑄鎂合金生產(chǎn)線 重慶汽車研究所在鎂合金零件的性能測(cè)試、疲勞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等方面做了大量的工作： 上海交大、湖南大學(xué)、重慶大學(xué)等高校就鎂合金的強(qiáng)韌化、耐蝕性、阻燃性和抗高溫蠕變性等開展了較深入的研究。 目前 ,國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展 ,車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應(yīng)用。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。上世紀(jì) 80年代,重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗(yàn)。,26-294,在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面 ,國內(nèi)已

16、從主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和分析階段。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開發(fā)技術(shù)， 如湖南大學(xué)與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)理論方面開展了較深入的研究； 北京航空航天大學(xué)開發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA。 并已經(jīng)開展了客車輕量化技術(shù)的研究，利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以減少車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)和車身蒙皮的重量等。,27-294,目前，我國汽車輕量化技術(shù)無論在理論研究方面還是在實(shí)際應(yīng)用方面與國外均有較大差距。輕量化技術(shù)的發(fā)展主要面臨如下問題： 1、輕量化技術(shù)涉及眾多學(xué)科的研究領(lǐng)域 需要運(yùn)用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性

17、知識(shí)體系,而在目前的研發(fā)體系下，各研發(fā)機(jī)構(gòu)往往只注重單個(gè)技術(shù)的研發(fā)很少開展各技術(shù)間的交叉與融合 2、汽車輕量化技術(shù)涉及眾多的共性技術(shù)和前沿技術(shù) 其關(guān)鍵、核心技術(shù)的突破不可能由單個(gè)企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)獨(dú)立完成。必須要由國家級(jí)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)其關(guān)鍵、重大問題進(jìn)行戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署。而目前此類機(jī)構(gòu)尚未建立。 3、 產(chǎn) 、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密 沒有明確定位、合理分工?；A(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機(jī)銜接不夠。企業(yè)規(guī)模小而分散。輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后。,我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題,28-294,3.1 新材料在汽車上的應(yīng)用 3.1.1 輕金屬在汽車上的應(yīng)用 3.1.2 高強(qiáng)度

18、鋼在汽車上的應(yīng)用 3.1.3 其他材料的應(yīng)用 3.2 CAD/CAE在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用 3.3 結(jié)構(gòu)小型化 3.4 承載式車身在汽車上的應(yīng)用 3.5 先進(jìn)特種成形工藝的應(yīng)用,汽車輕量化之第三章 汽車輕量化的主要途徑,29-294,3.1.1 輕金屬在汽車上的應(yīng)用,鋁、鎂、鈦合金材料是所有現(xiàn)用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(鎂合金約1.74g/cm3, 鋁合金約2.7g/cm3，鈦合金約4.51g/cm3。而鋼的密度約7.8g/cm3），因而成為汽車減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。,美國轎車平均自身質(zhì)量變化情況表,30-294,選用輕金屬材料的重要意義,（1）苛刻的安全法規(guī)要求用提高

19、汽車主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性的 眼光來完善汽車的安全設(shè)計(jì) ； （2）選用輕金屬材料是節(jié)油和降低排放的重要方法； （3）選用輕金屬材料是提高汽車動(dòng)力性、舒適性和提高競(jìng)爭(zhēng)力的 方向,因此，輕金屬替代鋼鐵材料是汽車發(fā)展的重要方向。世界各大汽車公司都爭(zhēng)相開發(fā)輕金屬材料。,世界幾種典型轎車用材比例 %,31-294,（1）輕金屬材料 鋁合金,自70年代開始，汽車用鋁量不斷增加。作為一種輕質(zhì)材 料，鋁合金正日益受到汽車制造企業(yè)的青睞。目前，全世界耗鋁 量的1215以上用于汽車工業(yè)。有些發(fā)達(dá)國家已超過25。 2006年歐美日的小汽車平均用鋁量已經(jīng)達(dá)到127kg/輛。歐洲鋁協(xié) (EAA)預(yù)測(cè)：在2015年前,歐

20、洲小汽車用鋁量將增至300kg/輛。,32-294,鋁及鋁合金的特點(diǎn),33-294,西南鋁業(yè)集團(tuán)調(diào)查顯示，鋁合金的回收率在80%以上。約60%的汽車用鋁來自廢料,汽車輕量化，節(jié)能降耗，有利環(huán)保 汽車鋁合金零部件回收再利用率高 提高燃油效率，加大載重能力 減少工序，提高裝配效率 安全舒適,鋁合金在汽車上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),34-294,美國研究表明，目前汽車上用鋁大致為：,汽車用鋁合金種類,35-294,汽車用鑄造鋁合金的主要部件系統(tǒng),鋁合金在汽車中的應(yīng)用,36-294,變形鋁合金的主要部件系統(tǒng),37-294,鋁材代替鑄鐵和鋼材零件的質(zhì)量對(duì)比 kg,38-294,從上表可知，汽車每使用1 kg鋁，可減輕

21、自重2.25 kg，減重效應(yīng)高 達(dá)125%，在汽車整個(gè)使用壽命周期內(nèi)可減少廢氣排放20 kg。此外，鋁 回收簡便，是除鋼鐵以外能最大限度回收利用的材料，幾乎90%的汽車 用鋁可以回收并循環(huán)利用。鋁具有良好的物理和化學(xué)性能，工業(yè)生產(chǎn)中 的鑄、鍛、沖工藝均能適用，是可采用多種鑄造工藝制造零件的少數(shù)幾 種金屬材料之一，最適于應(yīng)用廣泛的壓力鑄造工藝。但鋁合金的成本仍 高于鋼鐵材料。,39-294,鋁合金的主要優(yōu)點(diǎn)是重量輕，散熱性好。隨著發(fā)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，四氣閥結(jié) 構(gòu)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)。與兩氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比 每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時(shí)要產(chǎn)生更多的熱量，采用全鋁合金缸蓋是最好的 解

22、決辦法。 目前，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)部件中不僅活塞、散熱器、油底殼缸體采用鋁合金材 料，而且缸蓋、曲軸箱也采用這種材料。在目前的形式下，在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用鋁 合金替代鑄鐵已經(jīng)成為主流趨勢(shì)。,1 發(fā)動(dòng)機(jī),汽車鋁合金典型件,法國汽車的鋁汽缸套已達(dá)100，鋁汽缸體達(dá)45%。在未來幾年里，隨著 高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋁合金材料的開發(fā)成功和制造工藝的不斷改進(jìn)，鋁合金材料將愈來 愈多的用來制造這一類零部件。,40-294,德國大眾先進(jìn)的6.0L W12發(fā)動(dòng)機(jī)采用的基本上都是鋁鎂合金，奧迪A8L 6.0 quattro轎車上因采用W12發(fā)動(dòng)機(jī)，整車重量隨之被降低到1980kg，低于所有其他車型。而W12引擎450馬力、560Nm的強(qiáng)

23、勁動(dòng)力，使其單位馬力需加速的重量僅為4.7kg，堪與高性能跑車相媲美。,大眾最先進(jìn)的6.0L W12發(fā)動(dòng)機(jī),41-294,北極星V8發(fā)動(dòng)機(jī),北極星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最頂級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是美國首款頂置凸輪軸的V8鋁合金的引擎。它的汽缸套由全鋁合金壓鑄而成。目前廣泛應(yīng)用于凱迪拉克上的4.6升發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率320馬力，最大扭矩427Nm。而應(yīng)用于高性能V系列的機(jī)械增壓款更可高達(dá)476馬力/606Nm。,42-294,2 輪轂,汽車廣泛應(yīng)用的鋁制輪轂是鋁合金在汽車上應(yīng)用的一個(gè)例子，幾乎所有的新車型都采用了鋁合金輪轂。,馬自達(dá)跑車輪轂,福特Focus鋁合金輪轂,鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)： 減重、

24、省油 增加發(fā)動(dòng)機(jī)壽命 散熱好 真圓度好 堅(jiān)固耐用 美觀,汽車鋁合金典型件,43-294,鋁合金-鋼輪轂減重對(duì)比,44-294,3 車身覆蓋件,車身的重量約為汽車總重量的30%，故車身的輕量化占有舉足輕重的地位。在汽車內(nèi)外板上用鋁合金板代替鋼板可使車身減重約40%-50%；如采用鋁合金覆蓋件整車減重10%-15%，可見采用鋁合金車身板的減重效果十分顯著。 鋁合金在汽車輕量化應(yīng)用方面提供了很好的應(yīng)用基礎(chǔ)和市場(chǎng)前景，必然為鋁合金汽車覆蓋件的應(yīng)用帶來更大機(jī)遇。因此，用鋁合金板取代鋼板制造車身覆蓋件也是汽車輕量化的必然之路。,汽車鋁合金典型件,45-294,奧迪2011款（全鋁車身框架）,德國奧迪A8型

25、高級(jí)轎車的整個(gè)車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質(zhì)量減輕30-50%，油耗減低5-8%。,46-294,Insight hybrid轎車車架,捷豹XJ的基礎(chǔ)車身就是鋁合金材料，在保證了強(qiáng)度的同時(shí)，提高了空間體積，還使整車的靈活性得到了最大限度的保留。就鋁板覆蓋件的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)看，強(qiáng)度高、成形加工性好、表面質(zhì)量優(yōu)良的鋁板將取代鋼板成為汽車覆蓋件的主要材料。,捷豹XJ鋁合金車身,日本本田公司生產(chǎn)的Insight hybrid轎車車身用鋁合金達(dá)162kg，比鋼車身減重約40%。,47-294,鋁合金的加工技術(shù),鑄造,塑性加工,液態(tài)模鍛,半固態(tài)成

26、形,砂型鑄造,壓鑄件,多用于制造轎車車身結(jié)構(gòu)件和懸架支撐件等。部分輪轂也采用鍛造成形 。越來越多的汽車零件會(huì)采用塑性加工成形，為輕金屬加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),多用于發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、殼類零件,用于某些高強(qiáng)度鋁活塞。處于待開發(fā)階段,國外已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)才剛剛開始，主要用于某些小零件,鋁合金加工技術(shù),48-294,在汽車中擴(kuò)大鋁合金的應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但目前尚有以下亟待解決:,鋁合金板材的性能尚需提高 建立汽車用鋁合金的數(shù)據(jù)庫 研發(fā)鋁合金零件的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、成形工藝的 計(jì)算機(jī)模擬以及焊接工藝方法 研究鋁合金材料的表面形態(tài)、油漆前的前處理、油漆后的防 腐效果等問題，積累數(shù)據(jù)為鋁

27、合金應(yīng)用時(shí)工藝的制定提供基 礎(chǔ)數(shù)據(jù) 維修市場(chǎng)對(duì)經(jīng)碰撞后的鋁合金結(jié)構(gòu)件和覆蓋件的復(fù)原、恢復(fù) 原則以及開裂后的補(bǔ)焊等均缺乏經(jīng)驗(yàn)和方法。,鋁合金應(yīng)用的主要障礙,49-294,（2）輕金屬材料 鎂合金,鎂是極重要的有色金屬，它比鋁輕，能夠很好地與其他金屬構(gòu)成高強(qiáng)度的合金。我國原鎂產(chǎn)量目前居世界第一位，占全球總產(chǎn)量的13。雖然是世界產(chǎn)鎂大國，而在鎂合金材料生產(chǎn)、研究及應(yīng)用領(lǐng)域與北美、西歐、日本還有相當(dāng)大的差距，處于起步階段。,50-294,鎂及鎂合金的特點(diǎn),51-294,汽車質(zhì)量減輕、提高載荷及有效承載能力（與鋁相比，鎂可使重量減輕21%，與灰鑄鐵相比，可減輕50%） 降低廢氣排放及燃油成本提高燃油經(jīng)濟(jì)

28、性綜合指標(biāo) 減震性能好，降低汽車噪音及震動(dòng),鎂合金在汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì),52-294,國外近幾年在汽車上的應(yīng)用，以年平均25的速度快速增長。據(jù)資料介紹，汽車上有60多種零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)，我國經(jīng)過“十五”和“十一五”科技攻關(guān)，也有20余種汽車零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)。如儀表盤骨架、座椅骨架、進(jìn)氣歧管、賽車車輪、支架、轉(zhuǎn)向盤骨架、缸體、殼體類零件等，目前鎂合金件正向著大型集成化發(fā)展。,國外鎂合金在汽車上的用量,單位KT,鎂合金的應(yīng)用,53-294,國外汽車用鎂合金的主要部件系統(tǒng),54-294,鎂合金減速器外殼,鎂合金減速器外殼采用壓鑄的方法制造，具有重量輕，噪音低的優(yōu)點(diǎn)。,1 減速器外殼,典

29、型鎂合金零件應(yīng)用,55-294,2 變速器,典型鎂合金零件應(yīng)用,Weight： 6.74kg Material：VW030 Volume : 240,000,SVW Santana Transmission Case,56-294,采用鎂合金輪轂?zāi)苓_(dá)到輕量化的目的，與鋁合金輪轂相比，重量減輕30%左右。同時(shí)還能提高汽車的使用性能。因此在賽車及某些高檔車上開始使用鎂合金輪轂。,3 輪轂,典型鎂合金零件應(yīng)用,特點(diǎn)： （1）高減振特性：鎂合金材料具有較高的阻尼系數(shù)，是鋁合金的15倍，鋼的60倍； （2）高熱傳導(dǎo)率：對(duì)汽車來說，鎂合金輪轂具高熱導(dǎo)率（較鋁合金輪轂略差），可降低剎車系統(tǒng)溫度，延長剎車輪轂

30、使用壽命； （3）提高汽車性能：較輕的鎂合金輪轂有利于改善汽車的加速與剎車性能； （4）改善燃油效率與降低污染； （5）高的剛性：同鋁合金輪轂相比，剛性大大提高，因?yàn)殒V合金 輪轂盡管壁厚增加但對(duì)重量影響不大。因此，當(dāng)受到障礙物沖擊時(shí)能保持輪轂的形狀，從而提高輪胎的壽命。,57-294,典型鎂合金零件應(yīng)用,4 剎車踏板支架,Weight：1.29kg Material ：AM60B Volume : 80,000,SGM Buick Regal Brake Pedal Bracket,58-294,鎂合金加工技術(shù),鑄造成形,重力澆注,壓鑄（最為成熟，在汽車領(lǐng)域壓鑄件達(dá)80%）,觸變注射成形,塑性

31、成形,擠壓,沖壓,等溫鍛造,(專門用于成形鋁、鎂合金，大部分合金 必須采用等溫成形，應(yīng)用前景最大),鎂合金加工技術(shù),59-294,鎂合金零件的防腐技術(shù)尚未全面掌握 鎂合金性能測(cè)試數(shù)據(jù)的缺乏 鎂合金零件設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)不足 成本太高,鎂合金應(yīng)用障礙,60-294,（3）輕金屬材料 鈦合金,鋁和不銹鋼在近200會(huì)失去原有的力學(xué)性能，而鈦合金在500左右仍能保持良好的力學(xué)性能； 在車用輕金屬材料中，鈦的強(qiáng)度可以達(dá)到與合金鋼相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度1500MPa，大大高于鋁、鎂合金； 鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性能，可在惡劣的工作環(huán)境下使用 因此鈦合金將是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料，是最具有潛力的汽車用材料。,61-

32、294,鈦及鈦合金的特點(diǎn),62-294,在汽車上，鈦可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、承座、氣門彈簧、連桿、緊固件等,1 鈦連桿,鈦合金汽車連桿,除了減輕重量外，還可提高使用性能，抗振、節(jié)約燃油。一般用于高檔車中。蘭博基尼-Diablo、法拉力-F355 、-360 M ， -550 M 、還有保時(shí)捷-911 GT3等都采用鈦合金來制造連桿。,鈦合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用,63-294,2 鈦合金排氣系統(tǒng),鈦合金具有良好的高溫力學(xué)性能和抗腐蝕性能，不亞于甚至超過了不銹鋼的指標(biāo)，所以，很適用于排氣系統(tǒng)。而且其它輕合金元素?zé)o法用于排氣系統(tǒng)，如果要在排氣系統(tǒng)中減輕汽車重量，鈦及其合金是唯一能夠替代鋼的新型輕質(zhì)材料。

33、目前鈦合金排氣系統(tǒng)主要應(yīng)用于賽車、改裝車或高檔轎車中。,鈦合金排氣系統(tǒng),鈦合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用,64-294,3 鈦彈簧,彈性模量僅為鋼的55%,高屈強(qiáng)比、低切變模量,所需圈數(shù)少 節(jié)省空間 減輕重量,可提高3040%共振頻率,優(yōu)良性能,鈦合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用,65-294,價(jià)格昂貴是阻礙鈦在汽車上應(yīng)用的主要因素，鈦制造廠商也正努力進(jìn)行多方面降低成本的工作，相信在不遠(yuǎn)的將來會(huì)取得顯著的成效。,鈦合金應(yīng)用障礙,66-294,3.1 新材料在汽車上的應(yīng)用 3.1.1 輕金屬在汽車上的應(yīng)用 3.1.2 高強(qiáng)度鋼在汽車上的應(yīng)用 3.1.3 其他材料的應(yīng)用 3.2 CAD/CAE在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

34、 3.3 結(jié)構(gòu)小型化 3.4 承載式車身在汽車上的應(yīng)用 3.5 先進(jìn)特種成形工藝的應(yīng)用,汽車輕量化之第三章 汽車輕量化的主要途徑,67-294,優(yōu)點(diǎn),3.1.2 高強(qiáng)鋼High Strenght Steel在汽車上的應(yīng)用,強(qiáng)度優(yōu)于普通鋼板、成本低于鋁鎂合金，使高強(qiáng)度鋼板成為未來汽車結(jié)構(gòu)材料的主體。,根據(jù)國際鋼鐵協(xié)會(huì)組織的 全世界32家鋼鐵公司 和相關(guān)汽車行業(yè)的輕量化 項(xiàng)目ULSAB-AVC的目標(biāo)和 研發(fā)成果,ULSAB-AVC白車身（BIW）的用材比例,1.優(yōu)良的成形性能,2. 回收利用性好,3.可利用傳統(tǒng)生產(chǎn)裝備,4.修理和保險(xiǎn),5.延遲的時(shí)效性和非時(shí)效性,6.耐蝕性能,7.良好的連接性能和

35、保形性能,8.價(jià)格低,9.保證塑性延展性的同時(shí)，強(qiáng)度高，沖壓件質(zhì)量輕,68-294,高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用和作用,注：Ps 為壓潰強(qiáng)度，AE為壓潰吸能，Pt為壓痕抗力，P為微量變形抗力，w為疲勞強(qiáng)度， b為抗拉強(qiáng)度，t為板厚，p為成形構(gòu)件應(yīng)變下的流變應(yīng)力，ED為動(dòng)負(fù)荷設(shè)計(jì)彈性模量，n為常數(shù)。,69-294,各類關(guān)系方程可以看出，除疲勞強(qiáng)度外，其他各性能均正比于板 厚和相應(yīng)的材料性能n次方的乘積，因此高強(qiáng)度鋼板能夠大幅增加構(gòu) 件的變形抗力,提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變區(qū)。高強(qiáng)度鋼板用 于汽車零件上，通過減薄零件來減輕質(zhì)量。與鋁、鎂、復(fù)合材料等 相比,高強(qiáng)度鋼板的制造相對(duì)容易,具有經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)勢(shì)。

36、國外高強(qiáng)度鋼在轎車車身上的應(yīng)用比例逐年增加，目前大約為 50%，而我國汽車工業(yè)計(jì)劃用35年的時(shí)間將目前低于20%的比例提 高到40%以上。,70-294,我國的自主品牌跟國外相比，有兩個(gè)基礎(chǔ)性的差異： 一、自重 （據(jù)統(tǒng)計(jì)分析我國的自主轎車較國外同類車重8%到10%） 二、碰撞安全性,國內(nèi)外轎車高強(qiáng)鋼的使用比例與碰撞安全級(jí)別的對(duì)比,采用高強(qiáng)鋼板的意義,71-294,1998年，菲亞特的白車身的高強(qiáng)鋼用量只占10%，其碰撞安全性要求僅是滿足法規(guī)。因此當(dāng)時(shí)的碰撞評(píng)價(jià)水平也就是良性。 2004年，菲亞特的白車身高強(qiáng)鋼用量提高到52%，其碰撞安全性隨之提高到四星級(jí)。 2007年，新設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)又提高到65

37、%。 故 高強(qiáng)鋼的用量提高也必然帶來碰撞安全性的提高,菲亞特高強(qiáng)鋼比例的增長,高強(qiáng)鋼,72-294,1.材料強(qiáng)度提高增加了安全性； 2.覆蓋件抗凹性的改善提高了商品性； 3.板厚減薄使汽車結(jié)構(gòu)輕量化,高強(qiáng)鋼主要用于制作車身外板，車身內(nèi)板以及車身結(jié)構(gòu)件，這類鋼鐵材料和汽車輕量化關(guān)系密切。,73-294,速騰車身三層整體車門,車門框架為三層鋼板，中間一層高強(qiáng)度熱成型鋼板厚度達(dá)到2mm，相當(dāng)于普通車身鋼板的3倍。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，車門吸收強(qiáng)烈撞擊產(chǎn)生的巨大能量，大大提高了安全性。,速騰車身超過60%的超高強(qiáng)度和高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用大大提高了碰撞安全性能,74-294,新馬自達(dá)6的車身結(jié)構(gòu)中使用了590，780，980和1480MPa級(jí)別的高強(qiáng)度鋼板和超高強(qiáng)度鋼板，其中1480MPa級(jí)別的超高強(qiáng)度鋼板在中級(jí)轎車車身結(jié)構(gòu)中還非常少見。這些高強(qiáng)度鋼板的使用不僅增加了車體強(qiáng)度和剛性而且降低鋼板厚度，大大減輕了車身