重交大汽車新能源與節(jié)能技術(shù)教案05汽車車身節(jié)能技術(shù)

第五章汽車車身節(jié)能技術(shù)教學目的和要求：了解車身造型發(fā)展的歷史、車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計TWB，以及優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計和車身結(jié)構(gòu)輕量化材料的發(fā)展趨勢。掌握汽車空氣阻力分析方法，熟悉降低空氣阻力系數(shù)CD的途徑。本章重點：掌握汽車空氣阻力分析方法，降低空氣阻力系數(shù)CD的主要措施和途徑。本章難點：汽車空氣阻力分析方法。教學時數(shù)：4學時教學內(nèi)容要點：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甲殼蟲型船型魚型楔型子彈頭型二、車身造型設(shè)計的空氣動力學概念

1.汽車空氣阻力系數(shù)汽車所受到的氣動力和氣動力矩主要包括相互垂直的三個分力和三個繞軸的力矩。即：車身縱向氣動阻力(x軸方向）；車身側(cè)向氣動阻力(y軸方向）；車身垂直方向的氣動阻力（z軸方向）；縱傾力矩（繞y軸）；側(cè)傾力矩（繞x軸）；橫擺力矩（繞z軸）。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，就是說在車速低的時候，空氣阻力功率消耗所占比例不大，在車速高的時候，空氣阻力將是主要的阻力。1）汽車阻力分類氣動阻力可分為外部阻力和內(nèi)部阻力。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。3）誘導阻力誘導阻力是伴隨升力而產(chǎn)生的阻力成分，表示為：式中：—誘導阻力系數(shù)；λ—寬長比（總寬／總長）；β—修正系數(shù)。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)動機艙內(nèi)流場三、車身造型設(shè)計的發(fā)展趨勢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：

車身造型進一步強調(diào)空氣動力化。

發(fā)動機的布置形式。

設(shè)置前、后擾流板等氣動力學附加裝置，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)化車身細部外形，以減少車身表面的凹凸面和突起物。第二節(jié)車身結(jié)構(gòu)輕量化一、車身輕量化技術(shù)概述當整車質(zhì)量減輕10%時，汽車的燃油經(jīng)濟性可提高3.8%。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到汽車輕量化的目的。目前主要是采用高強度鋼材、鋁鎂合金，工程塑料和各種復(fù)合材料進行汽車輕量化設(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)用激光拼焊板（TailorWeldedBlanks，TWB）的含義：TWB是根據(jù)車身設(shè)計的強度和剛度要求，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，然后再進行沖壓。連續(xù)變截面板（TailorRollingBlanks，TRB）的含義：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。2.TWB與TRB的比較1）減重效果均較好2）機械性能和應(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。3）工藝復(fù)雜程度TWB可通過激光焊接工藝進行任意拼接；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。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

變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動性

板料回彈問題：（二）車身結(jié)構(gòu)輕量化材料的選擇

使用密度小、強度高的輕質(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

輕量化技術(shù)涉及眾多學科的研究領(lǐng)域，需要運用多學科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識體系，而在目前的研發(fā)體系下，各研發(fā)機構(gòu)往往只注重單個技術(shù)的研發(fā)，很少開展各技術(shù)間的交叉與融合；

汽車輕量化技術(shù)涉及眾多的共性技術(shù)和前沿技術(shù)，其關(guān)鍵、核心技術(shù)的突破不可能由單個企業(yè)或科研機構(gòu)獨立完成，必須要由國家級的研究機構(gòu)對其關(guān)鍵、重大問題進行戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署，而目前此類機構(gòu)尚未建立；

產(chǎn)、學、研結(jié)合不夠緊密，沒有明確定位、合理分工，基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機銜接不夠，企業(yè)規(guī)模小而分散，輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后。（二）我國汽車輕量化技術(shù)研發(fā)重點

汽車輕量化技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究

汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

汽車輕量化材料沖壓理論與工藝技術(shù)研究

汽車輕量化激光加工技術(shù)與裝備研究（三）汽車輕量化先進材料開發(fā)研究

高強度鋼板：高強度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當?shù)奈⒘吭兀?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強度高達420N/mm2，是普通低碳鋼板的2～3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。

鋁合金：具有密度?。?.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點，技術(shù)成熟。

鎂合金：鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35%，鋁材密度的66%。此外它的比強度、比剛度高，阻尼性、導熱性好，電磁屏蔽能力強，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

泡沫合金板：密度小，僅為0.4～0.7g／cm3，彈性好，當受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復(fù)原料形狀。

蜂窩夾芯復(fù)合板：輕質(zhì)、比強度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃。

工程塑料：具有優(yōu)良的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點，且比要取代的金屬材料輕、成型時能耗少。

高強度纖維復(fù)合材料：質(zhì)量輕，而且具有高強度、高剛度，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，是很有前途