汽車輕量化設(shè)計技術(shù)

PAGEPAGE10《汽車設(shè)計》課程論文題目：汽車輕量化設(shè)計技術(shù)學(xué)院：工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)號：xxxxxxxxxxxxxx姓名：xxx成績：_____________________2012年6月3日摘要： 31.前言 32.輕量化技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀 43.實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑 53.1合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計 53.2使用新型材料 63.2.1有色合金材料 63.2.2高強度鋼 73.2.3塑料和復(fù)合材料 83.2.4其他輕量化材料 84.汽車輕量化發(fā)展面臨的問題 95.結(jié)論 10參考文獻 10汽車輕量化設(shè)計技術(shù)xxx西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶400716摘要：本文簡要介紹了目前汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展狀況,包括輕量化設(shè)計概況、各種輕量化材料的性能及運用,闡述了汽車輕量化的實施途徑。關(guān)鍵詞：汽車輕量化發(fā)展1.前言如圖1所示，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會1月12日發(fā)布的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年，我國汽車產(chǎn)銷量分別為1841.89萬輛和1850.51萬輛，同比增長0.84%和2.45%，比上年分別回落31.60和29.92個百分點，產(chǎn)銷增速為13年來最低。其中，乘用車產(chǎn)銷1448.53萬輛和1447.24萬輛，同比增長4.23%和5.19%；商用車產(chǎn)銷393.36萬輛和403.27萬輛，同比下降9.94%和6.31%。隨著汽車產(chǎn)量和銷量的增加,汽車在給人們的出行帶來方便的同時,也產(chǎn)生了油耗、安全和環(huán)保三大問題。如何應(yīng)對三大問題,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)界一致認為,汽車輕量化是滿足上述三個法規(guī)的有效手段和方法。圖12000年以來我國汽車產(chǎn)銷量2.輕量化技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是:采用現(xiàn)代設(shè)計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計,或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下,盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量,以達到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標。然而,汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化。首先應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響,既要有目標地減輕汽車自身的重量,又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性,同時汽車本身的造價不被提高,以免給客戶造成經(jīng)濟上的壓力。汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和輕量化材料的使用兩大方面。一方面汽車輕量化與材料密切相關(guān);另一方面,優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計也是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。與汽車自身質(zhì)量下降相對應(yīng),汽車輕量化技術(shù)不斷發(fā)展,主要表現(xiàn)在:(1)輕質(zhì)材料的使用量不斷攀升,鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼、塑料、粉末冶金、生態(tài)復(fù)合材料及陶瓷等的應(yīng)用越來越多;(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計水平不斷提高,如采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達到輕量化的目的,計算機輔助集成技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)也有所發(fā)展;(3)汽車輕量化促使汽車制造業(yè)在成形方法和聯(lián)接技術(shù)上不斷創(chuàng)新。目前,國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展,新型智能材料逐漸在汽車制造中得到應(yīng)用。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。隨著鎂合金材料的技術(shù)進步及其抗蠕變性能的進一步改善,自動變速器殼體以及發(fā)動機曲軸箱亦適合改用鎂材料制造。若曲軸箱由鋁改為鎂,則可減輕30%左右。傳統(tǒng)的轎車車身結(jié)構(gòu)是鋼車身,現(xiàn)今也越來越多地采用高強度鋼、精練鋼、鋁合金和夾層鋼車身結(jié)構(gòu),其制造工藝有柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術(shù)、薄壁制造技術(shù)等。不銹鋼與強度較高的碳鋼相比,表現(xiàn)出不少優(yōu)點,例如延展性更好、強度更高、更適合形狀復(fù)雜的覆蓋件成形。上世紀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行了高強度鋼板的初步應(yīng)用試驗。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面可以采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達到輕量化目的,國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法進行靜強度計算和分析階段。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識產(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)計方法進行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,以減少車身骨架、發(fā)動機和車身蒙皮的重量等。3.實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑汽車輕量化在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下,應(yīng)最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量,努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動和良好的操縱性、高可靠性等,降低燃油消耗,減少排放污染。通過輕量化技術(shù)的內(nèi)涵可知,汽車的輕量化主要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用輕質(zhì)材料的方式來實現(xiàn)。3.1合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計目前國內(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,設(shè)計已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計的前期。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、塑料等,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。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)起著非常重要的作用,涵蓋了汽車設(shè)計和制造的各個環(huán)節(jié)。運用這些技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結(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。利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù),可以準確實現(xiàn)車身實體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計,對各構(gòu)件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析,并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車的相關(guān)數(shù)據(jù)進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質(zhì)材料的零部件,還可以進行布局分析和運動干涉分析等,使輕量化材料能夠滿足車身設(shè)計的各項要求。此外利用CAD/CAE/CAM技術(shù)可以用仿真模擬代替實車進行試驗,對輕量化設(shè)計的車身進行振動、疲勞和碰撞分析。通過開發(fā)汽車車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部件整體加工技術(shù)和相關(guān)的模塊化設(shè)計和制造技術(shù),使節(jié)能型汽車從制造到使用各個環(huán)節(jié)都真正實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保。通過結(jié)合參數(shù)反演技術(shù)、多目標全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設(shè)計方法,研究汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù),包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優(yōu)化分塊等。從結(jié)構(gòu)上減少零部件數(shù)量,確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目的。具體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計有以下3個方面:(1)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量,對車身強度和剛度進行校核,確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。(2)通過結(jié)構(gòu)的小型化,促進汽車輕量化,主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下,縮小尺寸。(3)采取運動結(jié)構(gòu)方式的變化來達到目的。比如采用轎車發(fā)動機前置、前輪驅(qū)動和超輕懸架結(jié)構(gòu)等,使結(jié)構(gòu)更緊湊,或采取發(fā)動機后置、后輪驅(qū)動的方式,達到使整車局部變小,實現(xiàn)輕量化的目標。3.2使用新型材料據(jù)統(tǒng)計,汽車車身、底盤(含懸架系統(tǒng))、發(fā)動機三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身內(nèi)外覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對降低發(fā)動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。為此,首先應(yīng)該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體可以有如下幾種方案:(1)使用密度小、強度高的輕質(zhì)材料,像鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等;(2)使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼;(3)使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材,如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。3.2.1有色合金材料鋁具有良好的機械性能,其密度只有鋼鐵的1/3,機械加工性能比鐵高4.5倍,耐腐蝕性、導(dǎo)熱性好。其合金還具有高強度、易回收、吸能性好等特點。汽車工業(yè)運用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運用形變鋁材制造車身面板的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,包括發(fā)動機罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險杠、輪轂和汽車結(jié)構(gòu)零件也廣泛使用鋁合金材料。運用鋁合金也面臨不少問題,比如,鋁合金加工難度比鋼材高,成型性還需繼續(xù)改善;由于鋁導(dǎo)熱性好,導(dǎo)致鋁合金的焊接性能差;不能像鋼板那樣采用磁力搬運等。其中,關(guān)鍵是成本問題,目前鋁價還比較高,成本控制對鋁合金的運用非常重要。鎂合金具有與鋁合金相似的性能,但是鎂的密度更低,它們的密度之比為1.8∶3,是當前最理想、重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,因而成為汽車減輕自重、以提高其節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。但其鑄造性差,后處理工藝復(fù)雜,成本高。我國的鎂資源非常豐富,儲量占世界首位。但是國內(nèi)用量很少,尤其汽車行業(yè)用量極少,因此前景非常廣闊。而西方工業(yè)發(fā)達國家對鋁基、鎂基的金屬基復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用,已達到了產(chǎn)業(yè)化階段,如表1。3.2.2高強度鋼用高強度鋼替代原使用材料,能適當減小零件尺寸。世界上廣泛通過進一步提高合金鋼、彈簧鋼、不銹鋼等鋼種的比強度和比剛度,以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特點,來作為汽車輕量化的措施。采用高強度鋼板在等強度設(shè)計條件下可以減少板厚,但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準,因此實際板厚減少率不一定能達到鋼板強度的增加率,不可能大幅度地減輕車重。高強度鋼板在汽車上應(yīng)用的目的主要有3點:增加構(gòu)件的變形抗力,提高能量吸收能力和擴大彈性應(yīng)變區(qū)。由于運用高強度鋼板的經(jīng)濟性和相對容易性,因此應(yīng)大力提倡在汽車上運用高強度鋼板?，F(xiàn)在各國都在加速高強度鋼和超高強度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上的運用。3.2.3塑料和復(fù)合材料與相同結(jié)構(gòu)性能的鋼材相比,塑料和復(fù)合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復(fù)合材料的發(fā)展提供了更多的潛力,在重量減輕與強度方面達到甚至超過了鋁材,整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機物組成的,具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能,同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前,塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上,如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴展。例如發(fā)電機及其相關(guān)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發(fā)展。復(fù)合材料即纖維增強塑料,是一種增強纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。增強用的纖維除玻璃外,還有高級的碳纖維、合成纖維。復(fù)合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點:密度小、設(shè)計靈活美觀、易設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛,尤其在歐美車系中。其中尤以SMC和GMT的應(yīng)用最為廣泛。曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯、達夫等歐洲重型卡車制造商的駕駛室材料中,都大量選用了SMC。在國內(nèi),SMC材料在汽車領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是商用汽車領(lǐng)域。中國重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車制造商,其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。3.2.4其他輕量化材料精細陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。其發(fā)展史只有20年左右,但具有優(yōu)良的力學(xué)性能(高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學(xué)性能(耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等)。作為輕量化材料用于汽車零件,不僅直接起到輕量化的作用,更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性,用于汽車發(fā)動機燃燒室及熱交換器等零件,使功率提高,油耗大大下降,從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機上采用的材料,其最大特點是剛性高、比強度高、密度低。目前應(yīng)用在汽車上的實例還不多,但應(yīng)用研究在不斷前進,將來會較多地得到運用4.汽車輕量化發(fā)展面臨的問題輕量化的方法、技術(shù)、替代材料這么多，各有各的優(yōu)勢和缺點，那么使用現(xiàn)有技術(shù)和材料，汽車到底能做到多輕呢？美國通用汽車公司設(shè)計了一輛超輕型概念汽車，這輛汽車完全由手工制造，并且使用了多種減輕重量和提高燃油效率的技術(shù)，結(jié)果該超輕型概念汽車只有140kg重，相當于美國家用汽車平均重量的12％，用1L汽油可行駛45km，僅為美國家用汽車平均耗油量的1/4。不過必須看到，這還只是一種概念車，它的數(shù)據(jù)可能具有一定的指導(dǎo)意義，但現(xiàn)實意義有限，因此不能因此對輕量化前景產(chǎn)生盲目的樂觀。如果把眼光拉近到現(xiàn)實中，可以看到，汽車輕量化雖然已成為未來潮流，但目前要在全行業(yè)廣泛應(yīng)用輕量化技術(shù)還為時尚早，主要原因就在于技術(shù)還不完善、成本仍然太高。以取得巨大輕量化成果的奧迪A8車型為例，使用ASF技術(shù)的全鋁車身減重200kg，以每減重100kg油耗減少0.6L/100km計算，一輛A8車在其行駛壽命10萬公里期間可省油1200L，以歐洲市場油價1.12€/L（2004年5月10日價格）計算，可為車主省下1344€，但是相比全鋁車身帶來的昂貴價格，消費者仍然是得不償失。雖然對整個社會來說，輕量化將為能源、環(huán)境帶來巨大的好處，但是具體到每一個消費者，他們卻不得不在購車時為自己的錢包作打算，需要認真衡量一下輕質(zhì)汽車的額外高價與省下的油錢相比哪一項更多。圖2是汽車輕量化與設(shè)計成本、制造成本、材料成本之間關(guān)系的研究結(jié)果。研究結(jié)果清楚地表明，輕量化必須以昂貴的設(shè)計與制造成本為代價。汽車設(shè)計人員的任務(wù)就是兼顧重量與成本，爭取將兩者關(guān)系控制在圖中陰影范圍內(nèi)的輕量化最優(yōu)區(qū)域。不僅是成本問題，縱覽全局還可以發(fā)現(xiàn)，輕量化目標