車身輕量化設(shè)計制造(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、汽車輕量化設(shè)計的必要性當(dāng)今社會高速發(fā)展，國民生活水平不斷提高，汽車在大家生活中扮演著極其重要的角色。而全球環(huán)境日益惡化，國家發(fā)改委提出了相關(guān)的能源發(fā)展戰(zhàn)略要求，節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今汽車研發(fā)的必然趨勢。我國汽車產(chǎn)銷量年年創(chuàng)新高，雙雙突破2000萬輛，位居全球第一。汽車產(chǎn)業(yè)的競爭日益白熱化，隨著顧客節(jié)能和環(huán)保意識的提高，對車輛的節(jié)能減排性能提出了更高的要求，低油耗已經(jīng)成為顧客選擇與購買汽車的一個重要因素。越來越多的汽車企業(yè)開始重視車輛的節(jié)能性 ，而車身重量直接影響整車的節(jié)能性，所以車身輕量化正逐漸演變?yōu)橹匾恼囆阅茉O(shè)計指標(biāo)。歐洲鋁協(xié)材料表明，汽車重量每降低100公斤

2、，每百公里可節(jié)約0.6升燃油。大量使用鋁合金的汽車，平均每輛汽車可降低重量300公斤(從1400公斤到1100公斤)，壽命期內(nèi)排放可降低20%。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優(yōu)點就是油耗顯著降低。汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上。因此，必須要減輕自重以提高整車燃料經(jīng)濟性為目的。汽車的輕量化有助于汽車的“行駛、轉(zhuǎn)彎、停車”三大基本性能的提高，并且對環(huán)保要求的降低油耗和減少CO2排放發(fā)揮重要作用。二、中國汽車輕量化現(xiàn)狀與分析目前國內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，以及輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用，包括鋁、鎂、高強度鋼、復(fù)合材料、

3、塑料等。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，一般是通過更優(yōu)化的設(shè)計，來減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量，同時對車身強度和剛度進行校核，以確保汽車在滿足性能的前提下減重。此外，運動化的結(jié)構(gòu)也是減重的重要手段。比如采用輕量化的懸架，可以使結(jié)構(gòu)更緊湊并且提升了操控性能?；虿扇“l(fā)動機后置后驅(qū)的方式，達到使整車局部變小，從而實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。2009年5月，美國總統(tǒng)奧巴馬公布了一項汽車節(jié)能減排最新計劃，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油耗不超過6.62升，二氧化碳排放比現(xiàn)在減少1/3。和美國類似的是，歐洲和日本不僅在減耗排放方面推行了相關(guān)政策，而且對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

4、棄型進入循環(huán)型的社會發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。其實2001年以前，日本已有相關(guān)法令推行綠色設(shè)計及綠色采購。事實上，在節(jié)能減排上，留給我國汽車企業(yè)的時間已經(jīng)不多。來自中汽協(xié)的調(diào)查顯示，我國國產(chǎn)轎車品牌與國外同類車在高強度鋼比例和碰撞安全性方面存在較大差距，我國的自主品牌轎車較國外同類車重8%-10%，碰撞安全性差好幾個星級。中汽協(xié)發(fā)布的關(guān)于汽車輕量化意義的報告中指出：對汽車總體結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化，實現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質(zhì)化；發(fā)動機輕量化；變速器輕量化；懸架輕量化；車身輕量化和附件輕量化是當(dāng)前實現(xiàn)整車輕量化的六個方面。國內(nèi)外許多企業(yè)，對于汽車輕量化的設(shè)計，已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計

5、的前期。包括鋁、鎂、高強度鋼、復(fù)合材料、塑料等輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用，與結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相應(yīng)的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應(yīng)用融為一體，能直接使汽車輕量化并降低油耗。有專家指出，事實上汽車輕量化后，加速性提高，車輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動方面的改善；從碰撞安全性考慮，碰撞時慣性小，制動距離減小等，都是廠家在追求的目標(biāo)。車身骨架一般占整車質(zhì)量的22%25%，車身質(zhì)量承擔(dān)著節(jié)能降耗的重要職責(zé)，車身質(zhì)量越輕，油耗就越低，車輛經(jīng)濟性越好 實驗證明，若汽車整車重量降低10%， 燃油效率可提高6%8%; 汽車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.30.6L; 汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%當(dāng)

6、前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。汽車空載情況下，約70%的油耗用在車身重量上，所以汽車瘦身很重要 但汽車輕量化是一個系統(tǒng)工程，它涉及整車設(shè)計、使用材料和制作工藝等各個領(lǐng)域。目前，自主品牌汽車輕量化技術(shù)手段單一，沒有系統(tǒng)的輕量化技術(shù)，大部分停留在比較簡單的零部件替換和輕質(zhì)材料使用方面，由于國產(chǎn)零部件和金屬材料技術(shù)水平的限制，汽車減重幅度也比較有限。同時，國內(nèi)汽車研發(fā)主要側(cè)重于車輛安全，NVH性能，車輛耐久性及操控性，對車身輕量化技術(shù)的研發(fā)投入不夠，缺乏系統(tǒng)性的開展輕量化工作，往往導(dǎo)致車輛油耗較高，造成客戶抱怨，影響銷售業(yè)績。然而車身輕量化程度越高， 車輛成本就越

7、低，企業(yè)利潤越高 由此可見，車身輕量化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用勢在必行。三、車身輕量化的主要途徑車身輕量化的主要途徑分兩大類：使用輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。而輕量化材料主要包括以下幾種：超高強度鋼板、鋁及鋁合金、鎂合金、工程塑料、玻璃增強材料、結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料。1、 超高強度鋼板傳統(tǒng)的設(shè)計理念是通過提高零件的料厚來獲得整車的碰撞性能和耐久性能 ,而現(xiàn)在可以通過選用高強度鋼板、減少料厚的辦法來獲得更好的碰撞性能和耐久性能 ,同時又減少車身重量。普通鋼屈服強度在 110180 MPa,烘烤硬化鋼屈服強度在 130300 MPa,這兩種材料一般用在車身的外覆蓋件和地板零件上。高強度鋼屈服強度在340550 MPa

8、,一般用作結(jié)構(gòu)加強件。超高強度鋼板一般指抗拉強度超過550 MPa,主要有 DP鋼和 MS鋼 (馬氏體鋼 )。DP鋼的抗拉強度在5001 000 MPa,一般用于需要高抗拉強度、高碰撞吸能且成型較復(fù)雜的車身零件 ,如前艙大梁、 B柱內(nèi)外板等。MS鋼抗撞強度有900MPa,1 300MPa,由于 MS鋼強度極高 ,所以一般用滾壓成型工藝生產(chǎn) ,主要應(yīng)用在門檻梁上。例如新 Civic,由于提高了高強鋼的比例 ,汽車的安全性由 Euro NCAP 4星提高到 5星 ,車身的動剛度和 NVH性能得到了進一步提高 ,而車身重量卻減少了 2 kg。2、 鋁及鋁合金采用鋁合金材料的主要目的是減輕整車質(zhì)量和節(jié)

9、省能源 , 然而無論是材料成本還是生產(chǎn)工藝鋁板都比鋼材昂貴。鋁的價格是鋼的34倍 ,但其廢料賣出價格也高,同時鋁合金再生耗電能也少。盡管鋁板的成本高 ,但鋁板的用量仍在不斷增加。對車身覆蓋件來說 , 主要用在發(fā)動機罩和行李箱 , 鋁合金向全車身的應(yīng)用進展發(fā)展較慢。 80年代后期開始在發(fā)動機罩、擋泥板上使用。全鋁型無骨架車身用 6000系(Al MgSi)合金和 7000系(AlZnMg) 合金 ,不僅可減少30 %40 %質(zhì)量 ,其安全性也很強。針對化學(xué)合成處理差的問題 , 研究者又開發(fā)了可與鋼板在同一流水線進行磷酸鋅處理的鋁板。由于在輕量化方面效果顯著 ,目前美國和德國把軋制鋁用于車身外板

10、, 使汽車的鋁材化進入實用階段 ,其用量有不斷增加的趨向,特別是現(xiàn)代無骨架車的推出 , 加大了鋁材的應(yīng)用空間。從近年國外出現(xiàn)的概念車來看,在車體結(jié)構(gòu)上大都采用無骨架式結(jié)構(gòu)和空間框架結(jié)構(gòu) ,而且大都以擠壓型鋁材為主。擠壓型鋁材是將鋁合金擠壓成各種復(fù)雜斷面形狀和中空狀型材 ,具有密度小、比強度大、制造成本低的優(yōu)點。用中空鋁型材作保險杠 ,能減輕質(zhì)量 30 %40 % ,并與鋼材件具有同等的抗沖擊強度,特別是當(dāng)汽車發(fā)生意外時,還能吸收因碰撞帶來的沖擊能 ,保護乘客安全。就目前來看 , 因為材料的回彈大和易出現(xiàn)裂紋 , 使鋁板在沖壓時比鋼板難度大 , 目前還沒有大批量生產(chǎn)汽車完全采用鋁板 , 但使用專

11、為鋁板設(shè)計的模具 ,這種影響會減少。目前 ,采用全鋁車身一般是年產(chǎn)量在幾千輛的小批量生產(chǎn)的汽車 , 大批量生產(chǎn)的中型轎車車身中鋁結(jié)構(gòu)的比重只占 3 %7 %。運動車、電動車、概念車等對減小質(zhì)量有特別的要求 ,鋁用量較大;一般轎車中 ,鋁通常用來制作覆蓋件、車輪、空調(diào)系統(tǒng)、保險杠、座椅、窗框和換熱器擾流板等。鋁制車身與鋼板車身相比重量大約可減輕40%，可明顯降低能耗，碳纖維的效果則更為突出。而且輕量化車身的回收利用率也較高。因此車身的輕量化對提高能源利用率和環(huán)保具有重大意義。3、 鎂合金鎂合金是比鋁合金密度更小的輕質(zhì)材料。其耐熱耐壓耐腐蝕且易于回收利用。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有 6

12、0多種。駛多飛集團與德國大眾合作, 準(zhǔn)備將其專利產(chǎn)品鎂合金MnE21替代某車型白車身上的多個鋼板零件,如前后保險杠、車頂橫梁和車門防撞桿等。如果替代成功,將大大減輕該車的車身質(zhì)量。工程塑料汽車車身采用塑料材料具有質(zhì)量小、易于加工和防銹防腐蝕的特點。目前汽車的保險杠幾乎都是塑料件。塑料最先使用在汽車的內(nèi)飾和外飾件上,如儀表板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩等,為汽車飾件的軟飾化、高檔化、舒適化起到了一定的作用。近年來,塑料在車身板和發(fā)動機周圍的零部件上的使用量在不斷增大,約占車身質(zhì)量的 10 %15 % ,尤以美歐的汽車制造商采用為多。如奔馳的 Smart轎車車身覆蓋件采用了具有本

13、色的可隨時更換的塑料覆蓋件,倍受市場關(guān)注; 雷諾的 Espace 和蓮花的 Elise 轎車也采用塑料車身;戴克公司1998年推出的CCV概念車采用四塊熱塑車身板,加上板材連接件,白色的車身板總質(zhì)量95kg ,開創(chuàng)了全熱塑車身的里程碑。目前,汽車的尾燈和前大燈的玻璃將從天然材料轉(zhuǎn)向塑料。一般熱固性塑料力學(xué)性能好、強度高、表面質(zhì)量好 ,具有良好的表面著色、電鍍、植絨、鉚接、耐腐蝕等性能 ,多作為外表面件生產(chǎn)使用。用玻璃纖維增強的不飽和聚酯塑料制造車身零件 , 比鋼板沖壓的輕 40 % ,且耐腐蝕和成型好。采用玻璃纖維增強不飽和聚酯模壓復(fù)合塑料板直接在壓力機上模壓成型 , 成型后只需切掉飛邊。用復(fù)

14、合塑料壓制的整體發(fā)動機罩,是將翼子板、大燈罩和發(fā)動機前罩等聯(lián)成一體,大大簡化了生產(chǎn)工藝。4、 玻璃增強材料玻璃增強材料與金屬相比具有比重小、比強度高、耐腐蝕和隔音隔熱等特點 ,可以成型復(fù)雜形狀的零件且制作成本低。因此汽車廠家越來越多地選用玻璃增強材料來替代金屬 ,主要由SMC和GMT兩種材料。一般這兩種材料主要應(yīng)用在保險杠防撞桿、前翼子板、后備胎罩和后背門上。5、 結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料車身接頭對整車的安全、剛度、強度有著至關(guān)重要的影響,如何加強接頭是汽車研發(fā)單位重點考慮的問題。應(yīng)用預(yù)埋在接頭處的高強度的結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料來提高整車剛度是一種有效途徑。高強度結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料具有質(zhì)量輕、可以制作復(fù)雜形狀、加強效果明顯等優(yōu)點,已逐漸被汽車廠商接受并使用,例如法國雪鐵龍 Picass o1C4和 OPEL Astra等。6、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法已經(jīng)被逐漸引入到汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。但大多數(shù)的工作主要集中在結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方面。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究分為三個層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)確定的情況下進行的，因此產(chǎn)生的效果是被限定在布局之內(nèi)。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點是能在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯拢鶕?jù)已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結(jié)構(gòu)形式。 因此在工程設(shè)計的初始階段中非常有意義它不涉及具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，但可以提出最佳形狀設(shè)計方案。由于結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>