汽車輕量化技術的應用

汽車輕量化技術的應用

1大量進口燃油新能源的需求根據(jù)世界汽車制造商協(xié)會（oic）的統(tǒng)計，2007年世界汽車生產(chǎn)總量達到7300萬輛，增長5.4%，世界汽車產(chǎn)量超過8億輛。據(jù)有關方面預計,全世界2010年汽車保有量將達到10億輛。中國2007年汽車產(chǎn)量達到888萬輛,汽車保有量接近5700萬輛,近年產(chǎn)量增長趨勢見圖1。世界汽車產(chǎn)量和保有量的不斷攀升,對推動全球經(jīng)濟發(fā)展起到了積極的推動作用,同時也對日益短缺的能源狀況和日益惡化的環(huán)境狀況產(chǎn)生巨大的影響和壓力。隨著全球性的能源危機,各國越來越重視本國的能源安全,尤其對于大量進口燃油的國家更是如此。來自《BP世界能源統(tǒng)計2008》數(shù)據(jù):2007年全球石油產(chǎn)量為8150萬桶,同比下降0.2%,按現(xiàn)在開采速度,全球石油儲量僅能滿足40年的需求。美國石油需求的53%依賴進口,歐盟高達76%,而日本石油幾乎全部依賴進口。2007年我國石油對外依存度也已超過50%。歐盟、北美和日本等許多國家制定了嚴格的提高燃油經(jīng)濟性指標,并對汽車排放提出越來越高的標準。在美國,目前乘用車規(guī)定的燃油消耗約為11.8km/L,輕型載貨車不低于8.80km/L;日本到2010年實現(xiàn)汽油乘用車燃油效率目標為15km/L,比1995年降低22.8%,柴油乘用車2005年實現(xiàn)降低14.9%(同比1995年),達12km/L;歐盟乘用車燃油消耗目標為18.8km/L,2009年單車平均排放CO2目標減少到140g/km,2012年達到120g/km。為了應對溫室效應帶來氣候變暖,全球140多個國家簽訂了《京都議定書》,進一步限制CO2的排放。中國政府也采取積極措施,2004年9月發(fā)布《乘用車燃料消耗量限制標準》,規(guī)定2010年前,乘用車新車平均油耗比2003年降低15%以上。2007年7月發(fā)布了《輕型商用車輛燃料消耗量限值》,2008年4月和6月,交通運輸部分別發(fā)布了營運客車和營運貨車燃料消耗量限制及測量方法?？梢?降低油耗、減少排放、提高安全性是當今全球汽車工業(yè)都必須面對的問題。2汽車輕量化的設計價值世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出:汽車自重每減少10%,燃油消耗可降低6%~8%,排放降低5%~6%。而燃油消耗每減少1L,CO2排放量減少2.45kg。燃油消耗量減少不僅有利于節(jié)約能源,也可有效減少污染物排放?？梢?汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段和方法。在當前汽車技術的發(fā)展中,輕量化技術的應用水平已經(jīng)成為衡量一個汽車企業(yè)技術水平和產(chǎn)品水平的重要標志之一。目前,我國自主品牌轎車的自質(zhì)量約比發(fā)達國家同類轎車平均重8%~10%,商用車平均重10%~15%;我國載貨商用車自主品牌汽車在輕量化方面與進口汽車相比存在的差距更加明顯,例如載質(zhì)量為40t的牽引車,VolvoFE的整備質(zhì)量為7.69t,而我國同類車型整備質(zhì)量為9.95t,超重2.26t,差距超過20%。我國自主品牌汽車比國外同類車型安全性差2~3個等級。根據(jù)發(fā)改委汽車中長期對策研究中的數(shù)據(jù)測算,我國平均單車年消耗石油2.5t,而美國為1.6t,日本為1.0t,歐洲在1.1t。也就是說,與國外現(xiàn)有車型輕量化水平相比,我國汽車輕量化大有潛力可為。我國在節(jié)能和新能源汽車開發(fā)中,尤其是電動汽車(包括純電動、混合動力和燃料電池汽車)開發(fā)中,汽車輕量化問題也十分突出。如果能實現(xiàn)輕量化預期目標,每年有望減少石油需求0.45億~0.63億t。汽車輕量化技術是輕量化設計、輕量化材料、輕量化制造技術的集成應用。具體而言,實現(xiàn)輕量化的途徑有兩條。一是通過整車優(yōu)化結構設計。如采用優(yōu)化設計除去零部件的冗余部分(使零部件薄壁化、中空化),部件零件化、復合化以減少零件數(shù)量,設計全新的結構等。二是優(yōu)化材料設計,即低密度材料代替鋼鐵材料的應用,主要是采用輕量化材料以減輕零部件質(zhì)量。兩者相輔相成,互相作用。輕量化材料是指可用來減輕汽車自重的材料,它有兩大類:一類是低密度的輕質(zhì)材料,如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復合材料等,主要用于發(fā)動機氣缸體、轉(zhuǎn)向盤骨架等非結構件;另一類是高強度材料來降低鋼板厚度,如采用高強度鋼。汽車用高強度鋼的主要零部件分三類:一是外覆蓋件,如四門兩蓋;二是白車身;三是懸掛件,如發(fā)動機支架、副車架等零部件。見圖2?，F(xiàn)代車身輕量化設計向著輕質(zhì)(高燃油經(jīng)濟性)、安全(高的被動安全性)、舒適、優(yōu)質(zhì)(長壽命、高的抗凹陷性、抗腐蝕性)、低成本等方向發(fā)展。圖3是寶馬汽車輕量化的設計方案。首先,在車身輕量化工程中,必須實現(xiàn)車身功能性的最佳組合。通過結構變化進行動態(tài)剛度設計。要求車的質(zhì)量達到最小,具有良好的被動安全性,這意味著均勻結構必須具有最佳載荷變化范圍。下一步是輕量化制造技術,采用新的制造工藝,包括用拼焊板坯料,液壓成形或輥壓成形等技術來實現(xiàn)減重。第三是采用材料輕量化設計,采用高強度鋼、鋁鎂合金和各種塑料等復合材料來有效實現(xiàn)減重?？傊?輕量化工程應當從時間和成本的角度來衡量。在國外先進輕量化設計方案的帶動下,國內(nèi)自主品牌汽車也開始了輕量化設計之路。一汽集團公司針對某自主品牌轎車,在開發(fā)過程中經(jīng)過大量的模擬計算,以被動安全超過CNCAP四星級碰撞為目標,在輕量化結構設計方面,即車身的強度、剛度及模擬整車碰撞性能方面作了大量的分析;在白車身方面應用了先進的3H框架設計,優(yōu)化了前后端變形區(qū),保證了在碰撞時最大限度地吸收沖擊能量,并加強了側(cè)面結構件。在輕量化材料方面,選用了大量的高強度鋼、鋁合金和工程塑料。在車門防撞桿、B柱內(nèi)側(cè)加強板上應用了屈服強度大于980MPa的高強度鋼;在車身沖壓件中,高強度鋼、超高強度鋼的應用比例超過46%,在白車身中高強度鋼應用超過43%。在輕量化的制造技術中,采用了激光拼焊板、液壓成形技術。白車身以及四門兩蓋中有16個零件采用激光拼焊板坯,副車架主管采用內(nèi)高壓成形技術。在輕量化的同時,增加了結構件的強度,提高了碰撞安全性。3車載高強鋼的應用鋼鐵企業(yè)正在與汽車企業(yè)通力合作,推動新型高強度鋼板在汽車輕量化中的開發(fā)和應用。在汽車輕量化材料設計中,鋼鐵材料是最主要的輕量化材料。汽車用鋼主要分為兩類:一是合金結構鋼,主要用于汽車發(fā)動機和傳動系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)的主要構件,包括非調(diào)制鋼、彈簧鋼、齒輪鋼等;另一類是高強度鋼、先進高強度鋼,主要用于汽車車身內(nèi)外板及車身結構件。高強度鋼屈服強度與伸長率分類見圖4。這類鋼鐵材料與汽車輕量化密切相關。高強度鋼是汽車輕量化后保證碰撞安全性的最主要材料,高強度鋼的用量直接決定著汽車輕量化的水平。根據(jù)2007年歐洲白車身用鋼會議資料,各獲獎車型高強度鋼(包括先進高強度鋼)用量占白車身質(zhì)量比例為:菲亞特GradePunto67%,OpelCorsa68%,NissanQashqa71%,HondaAccord49%,VolvoV7070%,FordMondeo60%,MercedesC-class74%,AudiA568%。日本2004年高強度鋼用量達到白車身質(zhì)量的40%,2010年預計達到60%。而我國與國外先進車型相比,還存在一定差距,2007年白車身中高強度鋼平均使用比例只有17%。但近年增長趨勢明顯,預計到2012年鍍鋅板用量約為65%,高強度鋼用量約為50%。我國汽車鍍鋅板及高強度鋼近年用量比例見圖5。東風汽車公司在商用車上開展了大量輕量化工作,在商用車車架上采用了屈服強度700MPa級高強鋼替代抗拉強度為510MPa級材料。通過結構優(yōu)化,實現(xiàn)主梁減重38kg,加強梁減重170kg,合計減重208kg,成本降低600多元。在車箱輕量化方面采用了700MPa級高強度鋼板替代Q235生產(chǎn)標準車箱,實現(xiàn)減重20%~37%。汽車工業(yè)在輕量化方面對高強度鋼板的使用量日益增加,對鋼鐵企業(yè)也提出了更高的要求。外覆蓋件要求低屈強比、高延展性、合適的烘烤硬化值、高表面質(zhì)量、表面鍍層;復雜零件要求鋼板具有良好的超深沖性、高伸長率、優(yōu)良的成形性能;而內(nèi)部結構件要有較高強度、低屈強比、良好成形性;安全結構件則需要高強度、高屈強比、碰撞變形小;安全碰撞件需要高強度、低屈強比、良好成形性。世界各大鋼鐵企業(yè)與汽車企業(yè)一起,開展了新鋼種的研發(fā)工作。以日本JFE鋼鐵公司為例,根據(jù)汽車車身需求,開發(fā)出了適合汽車輕量化用的四類高強度鋼板,即SFG高強鋼、UNI高強鋼、WQ高強鋼、NANO高強度鋼板,抗拉強度包括340、440、590、780、980MPa及高于980MPa。SFG高強度鋼即超細晶粒高強度鋼(SuperFineGrain),強度在340~440MPa,主要用于深沖汽車外板、側(cè)圍等部件。它具有較高的r值,即很好的深沖性能,又有較低的屈服強度,具有很好的成形性。使用該材料后可以減少側(cè)圍加強件,相比原件減重10kg,減少厚度1mm。UNI高強度鋼抗拉強度達到440MPa,它具有與340BH相當?shù)那姸?具有良好的成形性能。它具有非常好的n值和BH值,即具有良好的加工硬化和烘烤硬化性能,使得其成形后具有良好的抗凹陷性和抗扭曲性能。使用這種鋼板,可以降低相應材料厚度0.05mm,廣泛用于四門兩蓋、頂板等外覆蓋件。WQ高強度鋼即水淬火鋼,強度為980~1470MPa,主要應用于結構件。水淬后立即退火,得到良好的馬氏體,有好的擴孔率,主要用于座椅、保險杠、車門防撞桿等。NANO高強鋼主要用于框架類結構件,比傳統(tǒng)同級別的高強度鋼具有更好的屈服強度和擴孔率。JFE公司試制出強度為1180MPa的NANO高強度鋼,屈服強度超過1000MPa,伸長率卻超過15%。所以適用于高屈強比,且能保持很好的成形性的安全結構件。韓國浦項鋼鐵公司在20世紀90年代就試制出TWIP鋼、雙相鋼、馬氏體鋼等汽車用鋼板,有很好的伸長率和屈服強度。國內(nèi)主要鋼鐵企業(yè)也進行了大量的汽車用高強度鋼板的開發(fā)工作,寶鋼在國內(nèi)占有汽車用鋼板份額的60%,近年來在高強度板方面作了很多工作。可以批量供貨的高強鋼產(chǎn)品有590~1180MPa級冷軋DP鋼、900~1500MPa級冷軋馬氏體鋼、590~980MPa級冷軋TRIP鋼、590~980MPa級熱鍍鋅DP鋼、590~780MPa級熱鍍鋅TRIP鋼。武鋼2007年冷軋汽車板突破100萬t,開發(fā)出了深沖(DDQ)、特深沖(SDDQ)、超深沖(EDDQ)和特超深沖(SEDDQ)用的寬幅冷軋IF鋼板和熱鍍鋅板(GI和GA),廣泛應用于左右側(cè)圍、行李箱蓋外板、行李箱蓋內(nèi)板、前后門內(nèi)板等。目前,700MPa級及以下級別的各類產(chǎn)品都可批量供貨,800MPa級產(chǎn)品還在試制。在此基礎上,武鋼開發(fā)出了H180Y、H220Y、H260Y的IF鋼以及烘烤硬化鋼H180B、H220B,用于制造低屈強比的汽車結構件。在超強度低合金鋼中,他們可以批量生產(chǎn)H260LA、H300LA、H340LA、H380LA、H420LA等系列,以及車輪用鋼HT500DP、HT600DP。此外,他們開發(fā)出的大梁鋼WL590,抗拉強度達到590MPa,厚度可以到16mm,使單梁替代原來的雙梁。鞍鋼也在汽車用高強度鋼板方面做了不少工作,最新開發(fā)出低硅、低鋁的TRIP590和TRIP780鋼,這兩個級別的TRIP鋼具有良好的塑性和烘烤硬化性,已經(jīng)分別在上海匯眾公司和一汽轎車公司的新車型上得到應用。4汽車零部件激光拼裝成形技術汽車輕量化技術在輕量化設計、輕量化材料之后的另一個重要技術就是輕量化的制造技術。輕量化制造技術針對不同的材料有許多種,包括高強度鋼的制造技術,如激光拼焊技術;輕型材料鎂鋁合金的成形技術,如擠壓成形技術、低壓鑄造技術、半固態(tài)成形技術等;非金屬材料成型技術,如氣輔成型技術等。這些技術都可以在材料輕量化的同時從工藝上實現(xiàn)設計輕量化。世界各國在輕量化制造技術的發(fā)展過程不盡相同,但是實現(xiàn)的目標只有一個,就是車身的輕量化,保證安全性,實現(xiàn)成本和效益的最佳化。就高強度鋼的成形來說,世界主流技術主要有3種:一是激光拼焊板技術;二是液壓成形技術;三是高強度鋼熱成形技術。激光拼焊技術是利用“裁縫”的原理,根據(jù)汽車零件設計的要求,將不同厚度、不同強度和不同鍍層種類的鋼板(或同種類的其他金屬板)通過激光焊接成一塊整體板,然后再進行沖壓的工藝技術。與傳統(tǒng)點焊工藝的產(chǎn)品相比,激光拼焊板最顯著的優(yōu)點是減少了零件數(shù)量和材料消耗,降低了整車質(zhì)量,改善了剛性,降低了成本,簡化了裝配工藝,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,因而得到了越來越廣泛的應用。汽車零部件采用激光拼焊技術之后,可以使車身減重24%,零件數(shù)量減少19%,焊點下降49%,生產(chǎn)時間縮短21%。德國蒂森克虜伯公司1985年就開始了生產(chǎn)激光拼焊板,并于2002年在武漢、2005年在長春分別建立激光拼焊板生產(chǎn)線。實現(xiàn)了車身零件優(yōu)化、激光焊接等技術。以某款車前梁為例,應用激光拼焊板可以減少質(zhì)量4%,并可降低成本2.1美元。Mubea公司公布了一項新技術——鋼板的柔性軋制技術,利用該技術可生產(chǎn)可變截面厚度的鋼板卷料TRB(TailorRolledBlanks),以取代應用日益廣泛的激光拼焊板。鋼板柔性軋制技術是指首先將截面厚度變化規(guī)律輸入計算機,工作過程中在計算機的控制下自動調(diào)整軋輥間隙,使鋼板的厚度按預定的要求呈周期性變化。TRB可廣泛用于車身、底盤零部件。液壓成形技術是指把管狀或板狀材料放在密封的模具中,再把流體介質(zhì)(水、油等)引入管件的內(nèi)腔或板件與模具的內(nèi)腔,增加液體的壓力,使工件在常溫下變形,經(jīng)過膨脹、壓縮和成形3個階段,最終得到所需零部件的形狀。使用液壓成形方式制造的零件,可將原來需要分割成數(shù)個零件組合的部件,改為用單一的零件代替,減少了零件組合的工作,同時增加車體的剛性,從而達到減輕質(zhì)量、降低成本的目的。液壓成形件比沖壓件平均成本可降低15%~20%、模具費用降低20%30%。成形后的零件可減重30%。典型的液壓成形汽車零部件有T形接頭、發(fā)動機支架、底盤、排氣系統(tǒng)與懸掛系統(tǒng)等結構件。寶鋼等鋼鐵公司展開了汽車零部件液壓成形技術的產(chǎn)業(yè)化研究。為了提高乘用車安全性,尤其是達到UNCAP4~5星的車型,都采用了抗拉度等級為1500MPa、屈服強度為1200MPa的馬氏體鋼,但由于如此高強度的鋼板成形非常困難,高強度馬氏體鋼熱成形技術由此應運而生。德國Benteler公司是一家主要從事汽車零件熱成形技術的公司,是全球首家生產(chǎn)熱成形產(chǎn)品的公司。在全球22個國家有56個工廠,包括我國長春、上海工廠,主要熱成形B柱、防撞梁、保險杠等結構安全件。他們發(fā)現(xiàn),要滿足高碰撞條件,必須在車體某個部位加強。以B柱為例,頂部離乘客頭部較近,需要高強度鋼以防止碰撞時變形,而底部有座椅保護,需要吸收能量。這就需要B柱上部高強度,下部較低強度。許多企業(yè)通常采用激光拼焊技術將不同強度鋼板焊接后成形。現(xiàn)采用新工藝新技術,采用一塊鋼板,直接熱成形。新工藝有3種方式。一是采用柔性軋制技術即輥軋技術(TRB),將不等厚鋼板一次成形。TRB輥軋出不同厚度的鋼板優(yōu)點是厚度沒有突變,不容易發(fā)生應力集中而導致變形過程中開裂。成形過程為:加熱到950℃,原始材料抗拉強度在600MPa,伸長率15%~20%;加熱到位后沖壓成形,此時變形抗力很低,伸長率大于35%,相當于普通強度鋼板;沖壓過程僅需時間25~30s,模具必須具有快速冷卻系統(tǒng),在成形過程的同時冷卻到250℃,相當于淬火,成形后抗拉強度可以達到1500MPa。二是“打補丁”技術。由于零件局部需要高強度,需要強度高的地方加入補丁,兩塊板材通過點焊連接,然后加溫成形,后續(xù)工藝相同。這樣,在節(jié)約材料減輕質(zhì)量的同時可以提高彎曲扭轉(zhuǎn)力。對于底部特別長的復雜零件,需要間接成形,即先預壓,后加溫熱成形。三是局部加熱技術。即頂部熱成形,底部冷成形,而且兩道工序一套模具同時進行。成形工序相同,主要技術在于爐子的設計,部分加熱,一道工序沖壓成形,成形后頂部強度高達1500MPa,而底部只有200MPa左右,中間過渡區(qū)有50~100mm左右。如采用不等厚板1.2mm-1.75mm-2.2mm成形B柱,可減重8.4kg。據(jù)介紹,通過有限元模擬分析,通過新工藝成形B柱,可以減少焊縫長80mm。此技術廣泛用于奔馳、寶馬、奧迪轎車的安全結構件中。我國主要的自主品牌汽車企業(yè)如一汽、奇瑞、吉利等在新車型的開發(fā)上已經(jīng)開始大量使用激光拼焊板,部分零部件使用液壓成形技術和熱成形技術,達到輕量化的同時,大幅度提高車型的碰撞安全性。一汽轎車上使用了大量激光拼焊板和副車架內(nèi)高壓成形技術;東風汽車公司在商用車駕駛室應用了激光拼焊板,提高了駕駛室的安全性。5輕量化與汽車節(jié)能與世界上汽車產(chǎn)業(yè)強國相比,我國的汽車輕量化技術起步較晚,現(xiàn)在仍有許多關鍵的共性技術問題尚待解決。2007年底,中國汽車工程學會聯(lián)合一汽、東風、奇瑞等12家汽車和冶金企業(yè)、高校以及科研院所組建了“汽車輕量化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”,旨在通過官、產(chǎn)、學、研、用的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈模式,突破制約我國輕量化技術應用的關鍵技術。除此之外,要進一步使得輕量化技術深入人心,需關注的熱點問題如下。(1)確立輕量化的評價指標采用輕量化設計技術、輕量化材料技術、輕量化制造技術其歸根到底是為了達到節(jié)能、減排、安全的目的。如何有效評價乘用車的輕量化水平,目前還沒有統(tǒng)一的認識。寶馬公司提出了輕量化系數(shù)L的概念,指出汽車輕量化的重點是白車身、覆蓋件、懸掛系統(tǒng)的輕量化。具體表征為白車身的質(zhì)量與四輪的投影面積和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度的比值,具體如下。其中,L為輕量化系數(shù)(輕量化效率);Ct為靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度,A為白車身的投影面積(輪距與車寬的乘積)。(2)加大對商用車使用過程的超載監(jiān)管和治理力度,有助于輕量化技術的發(fā)展對于商用車來說,現(xiàn)在常用載質(zhì)量系數(shù)(即額定載重與車體自重的比值)來評價其輕量化。但目前在經(jīng)濟利益的驅(qū)動下,商用車的超載現(xiàn)象還很嚴重,使得商用車生產(chǎn)企業(yè)不得不加強重要構件來滿足使用過程中的安全性,減緩了商用車輕量化技術的快速發(fā)展。(3)需要用全生命周期的分析方法來評價各種輕量化技術包括輕量化材料及其制造技術。應該充分分析各種輕量化材料從生產(chǎn)(包括冶煉)、成形(包括模具)、使用、報廢、回收再利用中所需能耗,以確定輕量化材料技術的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟性。(4)輕量化技術的發(fā)展離不開政府的大力支持輕量化技術尤其是輕量化材料應用技術,是制約我國汽車工業(yè)輕量化發(fā)展的共性關鍵技術。在當前倡導新能源汽車大力發(fā)展的環(huán)境下,提升傳統(tǒng)汽車燃油經(jīng)濟性、碰撞安全性進而實現(xiàn)節(jié)能減排更具有現(xiàn)實意義。國外的經(jīng)驗表明,僅靠單個企業(yè)自身的努力實現(xiàn)跨越式技術進步顯得尤為艱難,需要國家政府有關部門的引導和支持,包括資金支持和政策上的扶持,進一步加快提升我國自主品牌汽車的國際競爭力。降低油耗、提高燃油經(jīng)濟性、減少排放有多種手段。從國際上看,解決汽車節(jié)能環(huán)保問題主要采用以下3種方