汽車車身節(jié)能技術(shù)

第五章汽車車身節(jié)能技術(shù)

車身造型的發(fā)展車身造型設(shè)計的空氣動力學(xué)車身造型設(shè)計的發(fā)展趨勢第一節(jié)車身造型第二節(jié)車身結(jié)構(gòu)輕量化車身輕量化技術(shù)概述車身結(jié)構(gòu)輕量化的途徑車身結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展趨勢第一節(jié)車身造型

一、車身造型的發(fā)展馬車狀汽車

廂型車

船型

“甲殼蟲”型

魚型

楔型

子彈頭型二、車身造型設(shè)計的空氣動力學(xué)概念

1.汽車空氣阻力系數(shù)圖5-8汽車受到的氣動力和力矩示意圖—合成氣流相對速度；

—縱向氣流相對速度；

—側(cè)向氣流相對速度（側(cè)風(fēng)速度）；β—橫擺角，；D—車身縱向氣動阻力(x軸方向）；

S—車身側(cè)向氣動阻力(y軸方向）；

L—車身垂直方向的氣動阻力（z軸方向）；PM—縱傾力矩（繞y軸）；RM—側(cè)傾力矩（繞x軸）；YM—橫擺力矩（繞z軸）；a—軸距。力和力矩系數(shù)橫擺角β=0°時車身縱向作用的氣動阻力D氣動阻力系數(shù)垂直于路面的升力L升力系數(shù)垂直于車身對稱面（x，y）的側(cè)向力S側(cè)向力系數(shù)繞x軸的側(cè)傾力矩RM側(cè)傾力矩系數(shù)繞y軸的縱傾力矩PM縱傾力矩系數(shù)繞z軸的橫擺力矩YM橫擺力矩系數(shù)表5-1氣動力和力矩及其系數(shù)2.汽車阻力特性空氣阻力所消耗的功率與車速的三次方成正比，在車速高的時候，空氣阻力將是主要的阻力。圖5-9行駛阻力與車速的關(guān)系1）汽車阻力分類總的空氣阻力外部阻力內(nèi)部阻力形狀阻力誘導(dǎo)阻力發(fā)動機(jī)冷卻系阻力駕駛室內(nèi)空調(diào)阻力汽車部件冷卻阻力圖5-10氣動阻力組成圖5-11氣動阻力成分及其隨車尾傾角的變化CD—總阻力系數(shù)CR*—摩擦阻力系數(shù)CK*、CS*、CB*—分別為各部分阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)度2）壓差阻力與表面摩擦阻力壓差阻力和表面摩擦阻力的本質(zhì)來自于氣流的粘性。繞流作用在車身表面，產(chǎn)生了壓力場和切應(yīng)力場，如果當(dāng)?shù)氐哪鎵禾荻瘸^了一定的陡度，則造成氣流從車身表面分離。當(dāng)氣流分離時，產(chǎn)生的壓力分布與無粘流不同，隨著產(chǎn)生的邊界層厚度的增加，切應(yīng)力減小，直至分離點減至零。對表面的壓力和切應(yīng)力進(jìn)行積分可得到壓差阻力和表面摩擦阻力，它們的總和就是包括誘導(dǎo)阻力在內(nèi)的全部外部阻力。3）誘導(dǎo)阻力誘導(dǎo)阻力是伴隨升力而產(chǎn)生的阻力成分：式中:CL—誘導(dǎo)阻力系數(shù)；CDi—升力系數(shù)；λ—寬長比（總寬／總長）；β—修正系數(shù)。圖5-12不同尾部外形的汽車的尾流流態(tài)圖圖5-13改變尾部傾角對氣動阻力系數(shù)CD及后軸升力系數(shù)CLR影響的一例3.降低空氣阻力系數(shù)CD的措施改善轎車前端形狀改善后窗傾角和車頂拱度正確選擇離地間隙放置擾流板優(yōu)化發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場1）改善轎車前端形狀。圖5-14改善轎車前端形狀圖5-15改善轎車前窗傾角、圓弧轉(zhuǎn)角2）改善后窗傾角和車頂拱度圖5-16改善后窗傾角圖5-17改善車頂拱度3）正確選擇離地間隙圖5-18離地間隙e對CD以及升力系數(shù)CL的影響4）放置擾流板圖5-19車尾部擾流板對CD的影響圖5-20后視鏡對CD的影響5）優(yōu)化發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場轎車在停車狀態(tài)下冷卻風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時前部的空氣流場

轎車在高速行駛狀態(tài)下前部的空氣流場

冷卻氣流流過發(fā)動機(jī)艙各部位的示意圖序號氣流通過形式空氣阻力系數(shù)1沒有冷卻空氣（前部封閉）0.2262有冷卻空氣（下部無障礙流出）0.2543只從下部專門出口流出0.2444只從下部帶有窄的橫向通風(fēng)槽流出0.2365只從側(cè)面帶有窄的橫向通風(fēng)槽流出0.2356只從上部帶有窄的橫向通風(fēng)槽流出0.223表5-2不同形式氣流流過冷卻系統(tǒng)后對汽車風(fēng)阻系數(shù)的影響

冷卻氣流流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的壓力損失有:

冷卻空氣經(jīng)過進(jìn)氣格柵的壓力損失為△PG；流向散熱器過程中沿程摩擦阻力和渦流而造成的壓力損失為△PE；流過散熱器壓力損失為△PK；流經(jīng)風(fēng)扇的壓力升高△PV。某轎車?yán)鋮s系統(tǒng)中壓力變化場和冷卻空氣流場示意圖三、車身造型設(shè)計的發(fā)展趨勢車身造型進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)空氣動力化。發(fā)動機(jī)的布置形式。設(shè)置前、后擾流板等氣動力學(xué)附加裝置，改善氣流的流動狀況。車身乘員艙仍要處于前后輪之間，地板要盡量降低，以獲得較大的室內(nèi)空間及開闊的視野，保證乘員的舒適性和安全性。優(yōu)化車身細(xì)部外形，以減少車身表面的凹凸面和突起物。目前世界上較為普遍的改善汽車造型的空氣動力性能方法主要有：第二節(jié)車身結(jié)構(gòu)輕量化

一、車身輕量化技術(shù)概述普通汽車自重質(zhì)量每減輕100kg，可節(jié)油0.2~0.3L/100km，而轎車的質(zhì)量每減輕100kg，可節(jié)油0.4~0.3L/100km；另外根據(jù)大量研究表明，當(dāng)整車質(zhì)量減輕10%時，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3.8%，加速時間減少8%，CO排放量減少4.5%，制動距離減少5%，輪胎壽命提高7%，轉(zhuǎn)向力減小6%。車身是整個汽車零部件的載體，其重量約占整車的40%~60%。因此實現(xiàn)汽車車身輕量化是改善汽車經(jīng)濟(jì)性的有效方法。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。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)、超輕懸架結(jié)構(gòu)、部件薄壁化、中空化，小型化及復(fù)合化等來達(dá)到輕量化的目的。在用材方面可以通過材料替代或采用新材料來達(dá)到汽車輕量化的目的。目前主要是采用高強(qiáng)度鋼材、鋁鎂合金，工程塑料和各種復(fù)合材料進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計。二、車身結(jié)構(gòu)輕量化的途徑

（一）車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

1.變截面薄板及其在車身制造中的應(yīng)用

用于車身制造的變截面薄板分為兩種，一種是激光拼焊板（TailorWeldedBlanks，TWB），另一種是通過柔性軋制生產(chǎn)工藝得到的連續(xù)變截面板（TailorRollingBlanks，TRB）。

TWB是根據(jù)車身設(shè)計的強(qiáng)度和剛度要求，采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，然后再進(jìn)行沖壓。TWB可以根據(jù)需要任意進(jìn)行拼接，因而具有極大的靈活性，并且能按照等強(qiáng)度的概念優(yōu)化設(shè)計一些原來是等厚度的車身零部件，把它們由原來的鍛造加工轉(zhuǎn)換為沖壓加工，既提高加工效率，又節(jié)省加工能源。

TRB通過一種新的軋制工藝―柔性軋制技術(shù)而獲得的連續(xù)變截面薄板。TRB連續(xù)變化的截面提供了有利于后續(xù)成型加工的可能性。TWBTRB減重效果較好較好機(jī)械性能和應(yīng)用效果TWB在沿長度方向上的硬度有跳躍式的變化,使后續(xù)的成型加工不便；焊縫無法徹底掩蓋，不適宜用作車身外覆蓋件材料，一般只用來制作內(nèi)覆蓋件或支承結(jié)構(gòu)件。TRB具有較好的機(jī)械性能，沿長度方向硬度變化平緩，具有更佳的成型性能；零部件厚度可以連續(xù)變化，以適應(yīng)車身各部位的承載要求；其表面變化是連續(xù)、光滑，可制作車身外覆蓋件。工藝復(fù)雜程度可通過激光焊接工藝進(jìn)行任意拼接；焊縫及其附近會產(chǎn)生局部硬化，需要一道熱處理工藝來消除硬化效應(yīng)，從而加大了工藝復(fù)雜程度。TRB不存在TWB的焊縫問題，但受軋制工藝和軋機(jī)設(shè)備的限制，其厚度變化只能發(fā)生在板料的初始軋制方向上；此外，無法把不同金屬材料的板料“軋制”在一塊整板上。2.TWB與TRB的比較3.TRB應(yīng)用中尚需解決的問題車身覆蓋件壓模具的設(shè)計

對于變截面薄板來說，原來基于等厚度板材所建立的力學(xué)本征模型、數(shù)值仿真模型及三維幾何模型都不再完全適用了。需要花大力氣重建這些模型，針對變截面薄板的具體變化特征來重新設(shè)計車身覆蓋件沖壓模具。變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動性

變截面薄板的引入使車身覆蓋件的沖壓成型過程變得更為復(fù)雜，在同樣的壓邊力和拉伸力條件下，板料各部位的變形不均勻，覆蓋件的成型更難以控制。板料回彈問題：

對于TRB來說，由于其本身結(jié)構(gòu)的特殊性，即沿軋制方向連續(xù)變化的截面形狀及由此引出的材料機(jī)械性能的非均一化，將會使工件回彈問題變得更為復(fù)雜。（二）車身結(jié)構(gòu)輕量化材料的選擇使用密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂輕合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；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(qiáng)度鋼；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。三、車身結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展趨勢

（一）我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題

需要運用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識體系；必須要由國家級的研究機(jī)構(gòu)對其關(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