新能源汽車(chē)輕量化技術(shù) 課件 項(xiàng)目4 汽車(chē)輕量化技術(shù)路徑認(rèn)識(shí)

新能源汽車(chē)輕量化技術(shù)項(xiàng)目4汽車(chē)輕量化技術(shù)路徑認(rèn)識(shí)任務(wù)1

輕量化材料技術(shù)應(yīng)用1、動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用2、底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用3、車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用4、內(nèi)外飾系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用1.導(dǎo)入汽車(chē)零部件都是采用不同材料并根據(jù)設(shè)計(jì)意圖和制造工藝生產(chǎn)而成，材料密度、強(qiáng)度、彈性模量等基本性能參數(shù)影響零件性能和整體質(zhì)量（俗稱重量）。整車(chē)質(zhì)量是由成千上萬(wàn)的汽車(chē)零部件單件質(zhì)量組成的。因此，整車(chē)輕量化的重要途經(jīng)之一就是從零部件制造材料本身入手，盡可能選用比強(qiáng)度高、密度小的材料。在實(shí)際工程中，汽車(chē)零部件材料選擇跟零件工作狀態(tài)、成本和制造工藝密切相關(guān)。2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)是汽車(chē)核心系統(tǒng)，燃油汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器兩大系統(tǒng)組成；電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)和減速器組成。汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)是整車(chē)的心臟，同時(shí)其重量在整車(chē)重量的占比也較大。以乘用車(chē)為例，動(dòng)力系統(tǒng)及附件在整車(chē)整備質(zhì)量的占比可以高達(dá)15%~20%。因此，動(dòng)力系統(tǒng)輕量化對(duì)整車(chē)減重具有重要的意義。2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用早期的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)采用鑄鐵材料制造，鑄鐵是一種含碳量為2%~4%的鐵碳合金材料，它的主要成分是鑄鐵母體和石墨，密度約為6600~7400kg/m3。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作強(qiáng)度要求高，傳統(tǒng)的制造工藝是采用鑄鐵和機(jī)械加工相結(jié)合的方式生產(chǎn)。缸體缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重量中占比為30%~40%，因此采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料替代鑄鐵生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋將為整機(jī)重量減輕20~40kg。鋁合金、鎂合金材料采用壓力鑄造成型的發(fā)動(dòng)機(jī)具有外觀質(zhì)量高、不生銹等優(yōu)勢(shì)。如圖4-1所示為采用鋁合金材料生產(chǎn)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體零件。鋁合金等輕質(zhì)材料是當(dāng)前乘用車(chē)汽油機(jī)最常用生產(chǎn)材料，其成型質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，整機(jī)輕量化效果明顯。2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-1鋁合金缸體2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿等缸內(nèi)機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻的工作環(huán)境要求其具備耐磨性、耐高溫、強(qiáng)度高、加工精度高等特點(diǎn)。汽車(chē)制造行業(yè)應(yīng)用鋁合金、鎂合金材料的輕質(zhì)化和高比強(qiáng)度等性能優(yōu)勢(shì)，制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿等發(fā)動(dòng)機(jī)部件，有助于減輕發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量，同時(shí)滿足耐磨、耐高溫和高強(qiáng)度等性能要求。如圖4-2所示為采用鋁合金等輕質(zhì)材料生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及連桿機(jī)構(gòu)等零件。此外，鋁合金、鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體屬于同質(zhì)材料，具有相同的熱膨脹系數(shù)，有助于提高氣缸活塞與氣缸的密封性。2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-2輕質(zhì)合金活塞及連桿系統(tǒng)2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)組合構(gòu)成車(chē)輛動(dòng)力輸出裝置，總稱為動(dòng)力總成系統(tǒng)。不論是手動(dòng)變速器還是自動(dòng)變速器，都是由殼體和變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。變速箱殼體如圖4-3所示，其既有結(jié)構(gòu)安裝尺寸和剛度要求，又有一定的強(qiáng)度要求。變速殼體常常使用大量加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)以增加殼體剛度和滿足整體強(qiáng)度要求。變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用一些列齒輪組構(gòu)成，齒輪主要由優(yōu)質(zhì)工具鋼制造；變速器殼體主要可以采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料制造。鋁合金、鎂合金材料制造變速箱殼體具有良好的成型性、外觀質(zhì)量和良好的輕量化效果。2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-3輕質(zhì)合金變速箱殼體2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用發(fā)電機(jī)等設(shè)備是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的附件系統(tǒng)。汽車(chē)發(fā)電機(jī)的重量一般在5~25kg之間。這個(gè)范圍涵蓋了不同型號(hào)和功率的汽車(chē)發(fā)電機(jī)。對(duì)于小型車(chē)輛，如轎車(chē)或SUV，發(fā)電機(jī)的重量可達(dá)5~8kg。而對(duì)于大型車(chē)輛，如卡車(chē)或巴士，由于它們需要更大的功率，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)重量甚至超過(guò)25kg。所以，發(fā)電機(jī)輕量化也是汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)輕量化的路徑之一。如圖4-4所示，采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料制造汽車(chē)發(fā)電機(jī)外殼、安裝機(jī)支架、輪軸等結(jié)構(gòu)，可以有效減輕發(fā)電機(jī)整車(chē)重量。2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-4鋁合金發(fā)電機(jī)及零部件2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用如圖4-5所示的懸置支架是連接發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)身的重要部件，汽車(chē)懸置支架通常分為主動(dòng)側(cè)懸置支架和被動(dòng)側(cè)懸置支架。主動(dòng)側(cè)懸置支架通常屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的附屬零件，是發(fā)動(dòng)機(jī)提供的安裝連接部件；被動(dòng)側(cè)懸置支架主要用于連接車(chē)體結(jié)構(gòu)。主動(dòng)側(cè)和被動(dòng)側(cè)兩懸置支架通過(guò)襯套實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)身支架的柔性安裝連接。通過(guò)襯套的強(qiáng)力減震功能和位移約束，既保證發(fā)動(dòng)與車(chē)身的連接關(guān)系，又避免發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)直接傳遞到車(chē)身結(jié)構(gòu)。因此，剛度性能和強(qiáng)度性是發(fā)動(dòng)懸置支架設(shè)計(jì)的重要考察參數(shù)，采用輕質(zhì)合金、鎂合金等輕質(zhì)材料制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架可以有效保證懸置支架的剛度和強(qiáng)度要求，同時(shí)其相比傳統(tǒng)鑄鐵材料可以減重30%~40%。2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-5輕質(zhì)合金懸置支架2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用隨著以純電動(dòng)汽車(chē)為代表的新能源汽車(chē)的快速發(fā)展和用戶對(duì)新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程要求的不斷提升，新能源汽車(chē)輕量化要求日益迫切。新能源汽車(chē)動(dòng)力總成主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼、減速器外殼等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，又有較高的工作強(qiáng)度要求。如圖4-6所示，采用鋁合金、鎂鋁合金等輕質(zhì)材料制造驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體、減速器殼體是當(dāng)前主要的主流的輕量化技術(shù)路線。圖4-6新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)2.動(dòng)力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用鋁合金、鎂合金材料除了上述典型應(yīng)用外，隨著汽車(chē)輕量化和鋁合金、鎂合金技術(shù)的發(fā)展，以鋁合金、鎂合金為代表的輕質(zhì)材料在汽車(chē)動(dòng)力總成及其附件系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)制造領(lǐng)域，以鋁合金、鎂合金為代表的輕質(zhì)材料的應(yīng)用更為普及。如圖4-7所示的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包通常采用輕質(zhì)鋁合金材料制造，充分利用輕質(zhì)材料特性，更大程度的搭載動(dòng)力電池，提升整車(chē)?yán)m(xù)航里程。圖4-7鋁合金動(dòng)力電池包3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)是保持車(chē)輛正常行駛和傳遞車(chē)輛運(yùn)動(dòng)載荷重要系統(tǒng)。底盤(pán)系統(tǒng)由懸架、減震、制動(dòng)、車(chē)輪等子系統(tǒng)組成，幾乎所有底盤(pán)系統(tǒng)金屬零件都可以采用鋁合金、鎂合金等輕量化材料制造，這也是目前底盤(pán)系統(tǒng)輕量化主要的技術(shù)路徑之一。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用汽車(chē)輪轂是承載整車(chē)重量的重要載體，車(chē)輪行駛時(shí)還受到巨大的沖擊載荷作用，因此要求車(chē)輪輪轂具有足夠的強(qiáng)度性能和減震吸能功能。相對(duì)傳統(tǒng)鋼質(zhì)汽車(chē)輪轂，采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料制造輪轂具有良好的輕量化效果，能有效提升燃油效率,降低環(huán)境污染。如圖4-8a所示，以普通15英寸車(chē)輪轂為例,鋼輪轂重約8.2kg,鋁合金輪轂重約5.4kg,鎂合金輪轂僅重4.2kg。整車(chē)應(yīng)用鋁合金、鎂合金材料制造輪轂比鋼輪輪轂減重15~20kg,對(duì)車(chē)輛的輕量化貢獻(xiàn)極大。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用鋁合金和碳纖維輪轂任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)重要的底盤(pán)零部件，連接著汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、減震器、車(chē)軸等重要零部件系統(tǒng)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)部件中應(yīng)力最為集中、最為復(fù)雜的零件，直接關(guān)系到汽車(chē)的安全性能。如圖4-9a所示，采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)制造汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)，相比較同等強(qiáng)度和功能的鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)減重可達(dá)30%左右。如圖4-9b所示，菲亞特與熱塑性塑料供應(yīng)商索爾維合作推出了首個(gè)碳纖維轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品。該轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品采用了40%的碳纖維材料，相對(duì)與同等功能的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，碳纖維轉(zhuǎn)向節(jié)可減重25%左右。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-9轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-10所示，采用球墨鑄鐵制造的下擺臂具有良好的強(qiáng)度性能，其重量也可達(dá)8kg左右。采用4mm左右高強(qiáng)鋼或者超高強(qiáng)鋼沖焊成型可以滿足強(qiáng)度要求，整體重量可比鑄鐵減輕30%~40%。除此之外，采用鋁合金、鎂合金制造同等強(qiáng)度的下擺臂比鑄鐵下擺臂減重40%~50%。隨著工程塑料、纖維材料等應(yīng)用，鋼塑結(jié)合等方式制造的復(fù)合材料下擺臂較鋁合金、鎂合金等材料的減重更有優(yōu)勢(shì)。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-10下擺臂產(chǎn)品任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-11所示，雙叉臂的上擺臂可以采用鑄鐵、高強(qiáng)鋼和鋁鎂合金等材料制造。采用輕質(zhì)合金、高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼等材料相對(duì)鑄鐵可以減重10%~20%。圖4-11上擺臂產(chǎn)品任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-12所示，副車(chē)架結(jié)構(gòu)常常采用剛強(qiáng)度以沖焊焊接的形式完成生產(chǎn)制造，副車(chē)架單體重量可達(dá)12~20kg，尺寸較大的乘用車(chē)副車(chē)架重量甚至達(dá)到30kg左右。因此，副車(chē)架輕量化對(duì)整車(chē)輕量化貢獻(xiàn)還是比較明顯。副車(chē)架常用的材料輕量化路線是采用鎂鋁合金鑄成型或者采用超高強(qiáng)鋼沖焊焊接制造而成，使用鎂鋁合金是發(fā)揮輕質(zhì)材料優(yōu)勢(shì)，采用超高強(qiáng)鋼替代普通鋼、高強(qiáng)鋼是利用超高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)達(dá)到減重的效果。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-12副車(chē)架任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤(pán)系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-13所示，塑料材的應(yīng)用為燃油箱提供了更廣的自由空間，同時(shí)，塑料油箱的重量一般僅為金屬油箱的二分之一，能夠直接減輕整車(chē)份量，從而降低整車(chē)能耗。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-14為鋼質(zhì)車(chē)身各區(qū)域鋼材選用示意圖。優(yōu)質(zhì)的汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是一個(gè)集批量制造工藝性、低成本、高強(qiáng)度、輕量化和節(jié)能環(huán)保相結(jié)合的綜合體。鋼材是現(xiàn)代工業(yè)主要的工業(yè)材料也是冶煉技術(shù)成熟、冶煉成本低等優(yōu)質(zhì)材料，可以說(shuō)鋼材是支撐現(xiàn)代工業(yè)的骨骼。汽車(chē)前碰撞橫梁、B柱、門(mén)檻梁等區(qū)域是正面碰撞、側(cè)面碰撞等工況負(fù)責(zé)吸收碰撞能量，保護(hù)乘員艙足夠生存空間的重要部件。隨著碰撞安全性能要求的不斷提升，中高檔乘用車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，上述區(qū)域廣泛采用超高強(qiáng)度鋼，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)1200MPa甚至1500~1800MPa。鋼材強(qiáng)度顯著提升后，可以有效降低板材厚度，從而達(dá)到既保證車(chē)身強(qiáng)度有降低車(chē)身重量的目的。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-14超高強(qiáng)鋼車(chē)身框架4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用以圖4-15所示的全鋁合金車(chē)身為例，先進(jìn)制造企業(yè)結(jié)合整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局和不同強(qiáng)度的各系列鋁合金、鎂合金材料特性，制造全鋁鎂合金車(chē)身。與鋼質(zhì)車(chē)身類似，鋁合金車(chē)身也可以采用多片體板材沖壓成型，再應(yīng)用電阻點(diǎn)焊、鉚接、摩擦焊、粘接、弧焊等連接工藝實(shí)現(xiàn)車(chē)身框架結(jié)構(gòu)制造。B柱區(qū)域采用7系、6系多層鋁合金板材成型并焊接連接；地板采用多片板材成型拼接制造；減震塔采用鑄造或者擠壓成型，制造加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；前碰撞橫梁采用高強(qiáng)度鋁合金擠壓型材等制造工藝。4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-15鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用高檔乘用車(chē)、跑車(chē)等結(jié)構(gòu)為提升乘坐舒適性，采用非承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，整車(chē)重量和行駛沖擊載荷主要由車(chē)架承擔(dān)。車(chē)身結(jié)構(gòu)與車(chē)架支架采用橡膠隔振設(shè)計(jì)，大幅衰減路面激勵(lì)對(duì)車(chē)內(nèi)空間的傳遞，提升整車(chē)乘坐舒適性。如圖4-16所以，以高強(qiáng)度鋁合金材料制造車(chē)架系統(tǒng)，采用輕質(zhì)碳纖維材料制造車(chē)體，既提升整車(chē)舒適性，由大幅降低車(chē)身重量和整車(chē)重量。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-16碳纖維車(chē)身結(jié)構(gòu)任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-17所示。汽車(chē)開(kāi)閉件系統(tǒng)通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前后車(chē)門(mén)、尾門(mén)或者行李箱等幾大部分。四車(chē)門(mén)和前后蓋總體質(zhì)量相當(dāng)于白車(chē)身結(jié)構(gòu)的30%左右，因此開(kāi)閉件系統(tǒng)輕量化也是整車(chē)輕量化的重要途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)罩、尾門(mén)等通?？梢杂脧?qiáng)度等級(jí)低的材料制造，比如鋁合金、鎂合金或者工程塑料等，如圖4-17b所示為全塑料尾門(mén)。碰撞調(diào)節(jié)的乘員保護(hù)對(duì)前后車(chē)門(mén)強(qiáng)度由一定要求，通?？梢圆捎萌X合金、高強(qiáng)高或者鋁合金和高強(qiáng)高相結(jié)合的方式制造，既保證車(chē)門(mén)強(qiáng)度又減輕車(chē)門(mén)重量。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車(chē)身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-17開(kāi)閉件輕量化任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用5.內(nèi)外飾系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用汽車(chē)內(nèi)外飾系統(tǒng)主要是裝飾性零部件，僅有座椅骨架屬于承載性結(jié)構(gòu)件。如本書(shū)前面所述，在輕量化背景下，鋁合金材料、鎂合金材料等輕質(zhì)金屬材料是制造汽車(chē)座椅骨架的主流技術(shù)方案。汽車(chē)門(mén)護(hù)板、車(chē)身護(hù)板、外飾件等零部件大多采用輕質(zhì)塑料材料制造。如圖4-18所示，為庫(kù)里南使用的鍛造碳纖維尾翼擾流板，具有強(qiáng)度高，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。圖4-18碳纖維尾翼擾流板任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用1.導(dǎo)入汽車(chē)輕量化工藝指的是以整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在綜合考慮所采用輕量化材料的特性和產(chǎn)品控制成本要求前提下而采用的制造技術(shù)。任何輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用最終都需要制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，汽車(chē)輕量化制造工藝對(duì)整車(chē)輕量化以及輕量化設(shè)計(jì)和輕量化材料選擇都有重要的意義。本學(xué)習(xí)任務(wù)將向你介紹激光焊接技術(shù)、液壓成型技術(shù)、高強(qiáng)度鋼熱成型技術(shù)、高強(qiáng)度鋼輥壓成型技術(shù)、先進(jìn)壓力鑄造成型技術(shù)、不等厚板軋制技術(shù)等先進(jìn)的成型技術(shù)及連接技術(shù)等目前主要應(yīng)用的輕量化工藝技術(shù)。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊激光拼焊技術(shù)是利用激光精準(zhǔn)加熱將不同厚度、不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的汽車(chē)板料毛坯拼焊在一起。經(jīng)過(guò)激光拼焊的汽車(chē)板料就相當(dāng)于適合制造零件產(chǎn)品的一張完整的板料，再結(jié)合汽車(chē)板材沖壓成型的一種制造技術(shù)。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊如圖4-19所示某車(chē)門(mén)內(nèi)板就是采用激光拼焊技術(shù)，靠近鉸鏈安裝側(cè)采用加厚高強(qiáng)度鋼板設(shè)計(jì)，內(nèi)板左右兩側(cè)在分割線位置用激光拼焊連接成為車(chē)門(mén)內(nèi)板整體。激光拼焊可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，完成不等厚度，不等強(qiáng)度的多塊板料拼接，能夠保證產(chǎn)品強(qiáng)度的同時(shí)減輕產(chǎn)品重量。圖4-19激光拼焊車(chē)門(mén)內(nèi)板任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊B柱設(shè)計(jì)空間有限，通常被設(shè)計(jì)成如圖4-20所示的下粗上細(xì)的截面形狀。B柱是車(chē)輛側(cè)面碰撞乘員艙空間保持重要部件，為滿足苛刻的碰撞性能要求，B設(shè)計(jì)往往采用強(qiáng)度600~1000MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼成型制造。圖4-20激光拼焊B柱骨架任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊如圖4-22所示，采用激光拼焊技術(shù)，根據(jù)縱梁隔斷截面、材料、厚度等參數(shù)要求，將不同強(qiáng)度和厚度的板料拼接后整體成型不經(jīng)可以輕量化縱梁總成產(chǎn)品而且可以減少制造工藝工序，提高制造質(zhì)量。圖4-22激光拼焊縱梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)管件液壓成形是將管坯放入模具內(nèi)，利用高壓液體充入管坯空腔，同時(shí)輔以軸壓補(bǔ)料，使其直徑脹大至貼靠凹模的成形過(guò)程，其工作原理如圖4-23所示。首先將管件置于成型模具并閉合模具，通過(guò)沖頭封閉管件并向管內(nèi)注入高壓液體，管件在高壓作用下膨脹并充滿模具型腔，最后釋放高壓液體開(kāi)模即完成產(chǎn)品成型。圖4-23液壓成型原理任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)如圖4-24a所示，其扭力梁橫梁采用600~1200MPa優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)鋼管梁液壓成型，封閉截面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能明顯由于開(kāi)口截面，采用液壓成型的扭力梁橫梁還可以充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼強(qiáng)度特性，達(dá)到減薄橫梁厚度的作用，從而減輕扭力梁整體重量。圖4-24b所示為開(kāi)口式扭力梁橫梁結(jié)構(gòu)，相比封閉式液壓成型橫梁，滿足相同剛度、強(qiáng)度性能要求的開(kāi)口梁結(jié)構(gòu)需要采用更厚的板材和更大截面，甚至有時(shí)還需要增加一條扭桿。據(jù)多款車(chē)型對(duì)比分析，封閉式液壓成型橫梁橫梁板厚一般為2.0~2.5mm；同等級(jí)別的開(kāi)口式扭力梁橫梁板厚通才為5.0~6.5mm，甚至還需要增加一條直徑20mm，厚度2.0mm左右的扭桿。液壓成型扭力梁較開(kāi)口式扭力梁?jiǎn)渭p重為3.0~5.0kg，并且封閉式扭力梁疲勞壽命更高。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)圖4-24扭力梁結(jié)構(gòu)任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)副車(chē)架圈梁可以采用多片沖壓焊接成型，也可以采用液壓成型。普通多片板沖壓焊接成型方式難以發(fā)揮剛強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，分片充液焊接也將增加模具和焊接工裝夾具，加工質(zhì)量不如管梁整體液壓成型。采用液壓成型可以使用更高強(qiáng)度鋼材，達(dá)到以薄代厚目的而實(shí)現(xiàn)整體輕量化。這就是應(yīng)用液壓成型工藝制造輕量化汽車(chē)產(chǎn)品的核心原理，基于這一思想，車(chē)輛結(jié)構(gòu)中有封閉界面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都可以采用這一制造工藝進(jìn)行產(chǎn)品輕量化。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)圖4-25液壓成型副車(chē)架圈梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)所以高強(qiáng)度鋼材的成形難度較大，難以成型復(fù)雜零件并且沖壓回彈現(xiàn)象也較為嚴(yán)重，給工裝制造和調(diào)試帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。熱成型鋼和熱成型工藝的出現(xiàn)為解決上述難題提供一個(gè)完美的技術(shù)方案。首先，熱成型鋼具有很高抗拉強(qiáng)度和剛度，同時(shí)其密度與普通鋼材基本一致，這為“以強(qiáng)代弱，以薄代厚”的產(chǎn)品輕量化技術(shù)提供基礎(chǔ)。熱成型工藝顧名思義，就是在制造過(guò)程中對(duì)高強(qiáng)度的熱成型鋼進(jìn)行高溫處理。經(jīng)過(guò)高溫處理的超高強(qiáng)度鋼的塑性延伸率明顯提升，這可以大幅提升其成型工藝性，可以跟傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)低碳鋼一樣沖壓成型各種復(fù)雜零件且經(jīng)過(guò)熱處理工藝，零件成型回彈現(xiàn)象也可以得到很好的控制。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)熱成型鋼和熱成型工藝技術(shù)對(duì)提升車(chē)身強(qiáng)度、碰撞安全性能和減輕車(chē)身重量具有重要的意義。同時(shí)熱成型制造工藝苛刻，制造成本較普通冷沖壓工藝明顯增加，因此熱成型技術(shù)主要用于制造車(chē)身關(guān)鍵零件。如圖4-26所示，某乘用車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)前碰撞橫梁、B柱、中央通道、前圍板、后縱梁前段、A柱上框架等位置采用了熱成型零件，車(chē)體結(jié)構(gòu)以高強(qiáng)度鋼材制造形成“骨骼”，在輕量化車(chē)身設(shè)計(jì)的同時(shí)有效保證了車(chē)身強(qiáng)度性能和碰撞安全性能。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)圖4-26車(chē)身熱成型鋼應(yīng)用任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)據(jù)報(bào)道，寶駿RS-5車(chē)型在R平臺(tái)的車(chē)身基礎(chǔ)上全面提升碰撞安全性，車(chē)身高強(qiáng)度鋼板比例達(dá)65%以上，熱成型鋼比例7%以上，車(chē)身剛度提升20%，重量降低15%。沃爾沃XC90車(chē)型開(kāi)發(fā)的熱成型鋼選用更為明顯，2015年VolvoXC90車(chē)型單車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)熱成型鋼用量達(dá)到了38%，最新車(chē)型甚至已經(jīng)達(dá)到40%以上。隨著整車(chē)輕量化、強(qiáng)度耐久和碰撞安全等性能要求提升，熱成型鋼和熱成型工藝的應(yīng)用越來(lái)越普及。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)底盤(pán)系統(tǒng)中仍有副車(chē)架、擺臂、扭力梁以及非承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)的車(chē)架大多還是鈑金沖焊成型。如圖4-27為五菱凱捷后扭力梁結(jié)構(gòu)，該扭力梁橫梁采用了1500MPa級(jí)的熱成型鋼和熱成型工藝制造，保證扭力梁剛度、強(qiáng)度等性能的同時(shí)，還有效降低了扭力梁總成的重量。圖4-27熱成型扭力梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用5.其他先進(jìn)工藝技術(shù)激光拼焊、液壓成型、熱成型等制造工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件生產(chǎn)制造，有效促進(jìn)了整車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展。此外，隨著制造技術(shù)的發(fā)展和提升，針對(duì)高強(qiáng)度材料單體零件制造或者多種材料混合生產(chǎn)等方面還有許多不斷發(fā)和完善的制造工藝技術(shù)。例如，輥壓成型制造、變厚度板制造、一體式鑄造技術(shù)等。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用如圖4-28所示，輥壓成型工藝常用于成型截面形狀穩(wěn)定的零部件，例如B型截面超高強(qiáng)鋼前碰撞橫梁，高強(qiáng)鋼車(chē)門(mén)門(mén)框等。輥壓成型工藝具有模具簡(jiǎn)單、加工效率高、適應(yīng)高強(qiáng)度鋼等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。5.其他先進(jìn)工藝技術(shù)任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用汽車(chē)制造商都已將變厚度板技術(shù)當(dāng)做輕量化的重要選項(xiàng)。奧迪在扭力梁中采用液壓成形的變厚度鋼管，厚度從1.8mm變化到3.2mm，減重1.18kg，幅度達(dá)23%。同時(shí)奧迪也在前擋板加強(qiáng)橫梁、中通道以及側(cè)翼加強(qiáng)件、門(mén)檻梁和地板橫梁加強(qiáng)件等零件中使用變厚度板技術(shù)，并且將變厚度板與熱成形技術(shù)結(jié)合起來(lái)。5.其他先進(jìn)工藝技術(shù)圖4-29變厚度前擋板加強(qiáng)橫梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用5.其他先進(jìn)工藝技術(shù)例如鋼鋁混合車(chē)身、全鋁合金車(chē)身、一體式鑄造車(chē)身等陸續(xù)面世。特斯拉、凱迪拉克等車(chē)企為進(jìn)一步提高車(chē)身制造效率和整車(chē)輕量化率，在采用鋁合金車(chē)身的同時(shí)引入一體式鑄造成型技術(shù)。將車(chē)身結(jié)構(gòu)按模塊分區(qū)，把車(chē)身整合為幾大功能模塊，每個(gè)模塊集成了數(shù)十個(gè)零件，并且采用鑄造成型技術(shù)制造出強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)輕、零件數(shù)量少的車(chē)身結(jié)構(gòu)。如圖4-30所示為一體式鑄造成型的下車(chē)體部分模塊。圖4-30一體式鑄造車(chē)身任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用1.導(dǎo)入整車(chē)輕量化是以保證產(chǎn)品性能本質(zhì)為前提，其中產(chǎn)品輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是兼顧產(chǎn)品性能、成本最佳途徑，因此，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是最核心的輕量化技術(shù)。整車(chē)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方法有：拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、尺寸和型狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化等技術(shù)，在保證零部件產(chǎn)品主要性能要求前提下，優(yōu)化材料布局，降低產(chǎn)品重量。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化是保證結(jié)構(gòu)滿足位移、應(yīng)力等條件要求下去除掉沒(méi)用的材料，保留有用的材料，通常是尋求結(jié)構(gòu)的材料體積最小的布置形式。拓?fù)鋬?yōu)化涉及的變量更多，它不僅可以改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问?，還可以改變結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀及單元的屬性，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中拓?fù)鋬?yōu)化是最為復(fù)雜的優(yōu)化方法。拓?fù)鋬?yōu)化主要是在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，為設(shè)計(jì)人員提供前期的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，能使設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生更多的靈感，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)起著重要作用。應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)重新布局材料，得到圖4-31b所示的鏤空設(shè)計(jì)狀態(tài)是滿足產(chǎn)品性要求的最小體積材料分布，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化可以更合理布置材料減輕零件重量。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用圖4-31拓?fù)鋬?yōu)化示意任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化以其出色的優(yōu)化能力而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如圖4-32所示的汽車(chē)擺臂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。不論采用高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金的材料輕量化還是采用激光平焊、熱成型等輕量化工藝，都是要求依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)而制造。因此，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局是整車(chē)及零部件產(chǎn)品輕量化的關(guān)鍵。擺臂設(shè)計(jì)中，根據(jù)零件受力狀態(tài)和性能考核要求，詳細(xì)驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能并結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化，以最小的材料體積設(shè)計(jì)出滿足性能要求的產(chǎn)品。結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，去除擺臂中多余材料，是減輕擺臂重量的關(guān)鍵。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用圖4-32汽車(chē)擺臂拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用如圖4-33所示，采用鎂鋁合金鑄造成型的安裝支架a的重量為950g。從材料和制造工藝的角度來(lái)所，零件設(shè)計(jì)體積和材料一旦確定，制造出的零件的重量基本就確定了。如圖4-33a所示的支架采用鎂鋁合金鑄造成型，其重量為950g左右。通過(guò)零件工作受力分析，優(yōu)化零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證該支架零件的安裝孔位置和使用強(qiáng)度，重新布局得到圖4-33b所示的鏤空支架設(shè)計(jì)。同樣采用鎂鋁合金材料鑄造成型，拓?fù)鋬?yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)重量為720g左右，減重率高達(dá)24%。由此可見(jiàn)，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是滿足產(chǎn)品性能要求材料最優(yōu)化利用，并且結(jié)構(gòu)優(yōu)化后不改變零件的材料選用和制造工藝。2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用圖4-33鑄造支架拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化不經(jīng)適用于優(yōu)化單體零件，還可以完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體拓?fù)鋬?yōu)化。如圖4-34所示的自行車(chē)車(chē)架拓?fù)鋬?yōu)化。自行車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)車(chē)輪、轉(zhuǎn)向把手、坐墊等安裝要求，通常采用管梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為梁框架結(jié)構(gòu)。圖4-34所示案例中，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化，以自行車(chē)車(chē)架布置空間為材料布置范圍，按自行車(chē)各項(xiàng)承載要求進(jìn)行優(yōu)化材料布置。按優(yōu)化結(jié)果去除對(duì)承載作用貢獻(xiàn)極小區(qū)域的材料，得鏤空布置結(jié)構(gòu)。工程師根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，結(jié)合制造工藝要求，布局車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制造出對(duì)應(yīng)的車(chē)架產(chǎn)品。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用圖4-34自行車(chē)架拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用3.形貌優(yōu)化及應(yīng)用形貌優(yōu)化是不改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域內(nèi)材料堆積，而是改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域的幾何形狀。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化可以得到結(jié)構(gòu)最理想的幾何形貌。形貌優(yōu)化是一種形狀最優(yōu)化的方法，即在板型結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)加強(qiáng)筋分析的概念設(shè)計(jì)方法。形貌優(yōu)化為形狀優(yōu)化的高級(jí)形式，優(yōu)化的自由度是節(jié)點(diǎn)的位置，即使用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不斷迭代重定位，直到得到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)最優(yōu)化的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的最佳組合。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用3.形貌優(yōu)化及應(yīng)用圖4-35車(chē)門(mén)內(nèi)板形貌優(yōu)化任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用3.形貌優(yōu)化及應(yīng)用如圖4-36b所示的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)信息。形貌優(yōu)化給出加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)邊界和起筋高度，通過(guò)設(shè)計(jì)起筋可以