汽車(chē)輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)課件

汽車(chē)輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)小組成員：王振文王錕胡金明張逸麟洪少華陳偉堅(jiān)劉志偉1主要內(nèi)容汽車(chē)輕量化的意義及概念國(guó)內(nèi)外汽車(chē)輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀汽車(chē)輕量化技術(shù)及應(yīng)用2汽車(chē)輕量化的意義節(jié)能減排是汽車(chē)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(chē)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(lèi)居住和賴(lài)以生存的環(huán)境又一次推動(dòng)汽車(chē)工業(yè)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。

3汽車(chē)輕量化的概念汽車(chē)輕量化不能以簡(jiǎn)單的減重多少來(lái)衡量，必須與所設(shè)計(jì)車(chē)身的尺寸和功能相結(jié)合對(duì)于已有的功能可滿(mǎn)足要求的汽車(chē)，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(mǎn)足要求或需要提升的汽車(chē)，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(chē)減重。

汽車(chē)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。5汽車(chē)輕量化的意義輕量化是實(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(chē)質(zhì)量有關(guān),降低汽車(chē)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(chē)質(zhì)量每下降10%，油耗下降8%,排放下降4%。美國(guó)在歐洲全順車(chē)的實(shí)驗(yàn)表明,在滿(mǎn)足歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)條件下,每百公里油耗Y與自重X滿(mǎn)足以下關(guān)系Y=0.003X+3.3434(1)

對(duì)商用車(chē)的研究表明,汽車(chē)質(zhì)量每減少1000kg,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(guó)汽車(chē)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1L燃油,將產(chǎn)生CO22～2.5kg。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。6汽車(chē)輕量化的意義除空氣動(dòng)力學(xué)阻力之外,車(chē)子運(yùn)動(dòng)的各類(lèi)阻力都和車(chē)子質(zhì)量呈線性關(guān)系

各類(lèi)車(chē)型的燃油效率與車(chē)身自重的關(guān)系

汽車(chē)自身質(zhì)量對(duì)燃油消耗的影響諸多乘用車(chē)，車(chē)重減少100kg,每升油多行駛1km7國(guó)內(nèi)外汽車(chē)輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)際汽車(chē)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀8國(guó)際汽車(chē)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬2009年5月公布了一項(xiàng)汽車(chē)節(jié)能減排計(jì)劃，目標(biāo)是到2016年，美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的客車(chē)和輕型卡車(chē)百公里耗油不超過(guò)6.62L，CO2排放量也比現(xiàn)有車(chē)輛減少1/3。這項(xiàng)計(jì)劃2012年開(kāi)始實(shí)施，將使美國(guó)在2012～2016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(chē)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(gòu)。10國(guó)際汽車(chē)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)首先開(kāi)展了超輕鋼汽車(chē)車(chē)身UISAB項(xiàng)目，參加該項(xiàng)目的有來(lái)自5大洲18個(gè)國(guó)家的35家鋼鐵企業(yè)。該項(xiàng)目于1994年啟動(dòng)，1998年結(jié)束，主要目標(biāo)是減小車(chē)身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高安全性、簡(jiǎn)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(chē)車(chē)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(lái)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(guò)采用新的鋼材及設(shè)計(jì)，將懸架質(zhì)量減小20%。

國(guó)際鋼協(xié)1998年3月開(kāi)始在全球?qū)嵤︰ISAB-AVC計(jì)劃，該項(xiàng)目是從整體上研究開(kāi)發(fā)新一代鋼鐵材料汽車(chē)結(jié)構(gòu)（車(chē)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(chē)鋁材聯(lián)盟，如美國(guó)汽車(chē)材料合作伙伴（USAMP）。

12國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

“十五”期間，我國(guó)將鎂合金應(yīng)用與開(kāi)發(fā)列為材料領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目,一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安等汽車(chē)企業(yè)建立了壓鑄鎂合金生產(chǎn)線重慶汽車(chē)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(kāi)展了較深入的研究。

目前,國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化材料正在加速發(fā)展,車(chē)用高性能鋼板、鎂合金已在汽車(chē)上有所應(yīng)用。如上海大眾桑塔納轎車(chē)變速器殼體采用鎂合金。上世紀(jì)80年代,重慶汽車(chē)研究所就開(kāi)展了雙相鋼研究；一汽轎車(chē)、奇瑞汽車(chē)公司也在轎車(chē)車(chē)身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗(yàn)。14國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

在汽車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,國(guó)內(nèi)已從主要依靠經(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(chē)車(chē)身模具開(kāi)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(kāi)展了較深入的研究；北京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA。并已經(jīng)開(kāi)展了客車(chē)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(chē)身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)身蒙皮的重量等。

目前，我國(guó)汽車(chē)輕量化技術(shù)無(wú)論在理論研究方面還是在實(shí)際應(yīng)用方面與國(guó)外均有較大差距。沒(méi)有明確定位、合理分工?；A(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)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(kāi)發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后等問(wèn)題都是我們不足的地方，需要我們一一去解決。15汽車(chē)輕量化的主要途徑新材料在汽車(chē)上的應(yīng)用CAD/CAE在汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)小型化承載式車(chē)身在汽車(chē)上的應(yīng)用先進(jìn)特種成形工藝的應(yīng)用16輕金屬在汽車(chē)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(chē)減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。17（1）苛刻的安全法規(guī)要求用提高汽車(chē)主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性的眼光來(lái)完善汽車(chē)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(chē)動(dòng)力性、舒適性和提高競(jìng)爭(zhēng)力的方向選用輕金屬材料的重要意義世界幾種典型轎車(chē)用材比例%

因此，輕金屬替代鋼鐵材料是汽車(chē)發(fā)展的重要方向。世界各大汽車(chē)公司都爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)輕金屬材料。18

德國(guó)奧迪A8型高級(jí)轎車(chē)的整個(gè)車(chē)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(chē)身與鋼車(chē)身相比，質(zhì)量減輕30-50%，油耗減低5-8%。奧迪2011款（全鋁車(chē)身框架）

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德國(guó)大眾先進(jìn)的6.0LW12發(fā)動(dòng)機(jī)采用的基本上都是鋁鎂合金，奧迪A8L6.0quattro轎車(chē)上因采用W12發(fā)動(dòng)機(jī)，整車(chē)重量隨之被降低到1980kg，低于所有其他車(chē)型。而W12引擎450馬力、560Nm的強(qiáng)勁動(dòng)力，使其單位馬力需加速的重量?jī)H為4.7kg，堪與高性能跑車(chē)相媲美。大眾最先進(jìn)的6.0LW12發(fā)動(dòng)機(jī)21鎂及鎂合金的特點(diǎn)易加工資源豐富開(kāi)采技術(shù)成熟回收率高、回收無(wú)污染比強(qiáng)度、比剛度高阻尼減震性能高鎂及其合金23

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)。鎂合金減速器外殼24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(chē)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(chē)用材料。26鈦及鈦合金的特點(diǎn)密度小、比強(qiáng)度大可綠色回收易加工與鋼材同樣的設(shè)備工藝記憶功能用于車(chē)身方便復(fù)原屈強(qiáng)比值大高、低溫力學(xué)性能好耐蝕性強(qiáng)不受路面鹽類(lèi)及廢氣的影響鈦及其合金27鈦合金的應(yīng)用在汽車(chē)上，鈦可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)、承座、氣門(mén)彈簧、連桿、緊固件等

鈦合金汽車(chē)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(chē)中。蘭博基尼-Diablo、法拉力-F355

、-360M

，-550M

、還有保時(shí)捷-911GT3等都采用鈦合金來(lái)制造連桿。28鈦合金應(yīng)用障礙

價(jià)格昂貴是阻礙鈦在汽車(chē)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(lái)會(huì)取得顯著的成效。30非金屬材料的應(yīng)用汽車(chē)中主要的非金屬部件31非金屬材料的應(yīng)用陶瓷材料其它纖維增強(qiáng)材料非金屬材料橡膠材料工程塑料蜂窩夾層材料32陶瓷在汽車(chē)上的應(yīng)用保時(shí)捷PCCB復(fù)合陶瓷剎車(chē)盤(pán)奧迪A8W12轎車(chē)的陶瓷制動(dòng)盤(pán)：比鑄鐵制動(dòng)盤(pán)的質(zhì)量降低了50%，壽命是鋼質(zhì)剎車(chē)盤(pán)的4倍。奧迪A8W12轎車(chē)的陶瓷制動(dòng)盤(pán)33陶瓷在汽車(chē)上的應(yīng)用該涂層含有鋯酸鹽瓷，其好處在于：具有非常好的隔熱保溫效果具有高強(qiáng)度，高耐久性能抵抗震動(dòng)，機(jī)械沖擊和熱驟變等外部干擾，對(duì)部件將有非常好的保護(hù)作用能夠有效地防止排放系統(tǒng)和排氣管