第8章 汽車車身材料與結(jié)構(gòu)輕量化

,1.了解轎車車身輕量化的意義2.掌握轎車車身輕量化的主要途徑,8.1車身輕量化的意義,汽車開發(fā)的五大指標,汽車輕量化：在保證汽車強度和安全性能的前提下，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，或使用新材料以盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，以達到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標。車身輕量化是車身開發(fā)的重要指標之一，輕量化設(shè)計理念至始至終貫穿于整個開發(fā)歷程，并且需要在性能和成本之間取得平衡。,質(zhì)量占整車的0,安全性、舒適性要求高,材料眾多,車身的輕量化對于整車輕量化舉足輕重,形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本占整車的0,車身質(zhì)量（包括白車身和裝備件）對整車質(zhì)量的影響很大。車身輕量化能使懸架及傳動系統(tǒng)的負荷減小，有利于整車輕量化要求，最終達到節(jié)能環(huán)保要求，同時可提高行駛平穩(wěn)性和舒適性。,高強度鋼,鋁合金,塑料,鎂合金,復(fù)合材料,密度小，強度大，吸能性好,密度小，耐腐性能好,密度、強度人為可控，吸能性更好,可使板厚減薄，強度剛度增加,密度更小，強度大，吸能性好,新材料的應(yīng)用,輕質(zhì)替代材料,采用輕量化材料的原則：為保證車身的強度和耐撞性，需確保更換材料后車身零件的強度和吸能能力不會減少。,8.2車身輕量化的實現(xiàn)途徑,結(jié)構(gòu)優(yōu)化：結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、造型優(yōu)化,板殼厚度梁截面平面慣性矩,對汽車零部件的精簡和整體化、集成化,尺寸優(yōu)化,應(yīng)力分布均勻化,減小質(zhì)量延長壽命,造型優(yōu)化,向承受高負荷的部位儲存材料將承受低負荷的部位去除材料,8.2車身輕量化的實現(xiàn)途徑,革新工藝,革新工藝拓寬汽車輕量化的可能性,世界幾種典型轎車用材百分比,8.2.1采用新材料實現(xiàn)汽車輕量化,1.普通低碳鋼板1）鋼板的成形性能冷沖壓鋼板是以金屬的塑性變形為基礎(chǔ)的加工方法。伸長率是衡量塑性變形能力的指標冷軋鋼板：比熱軋鋼板沖壓加工性能好，表面美觀。在汽車上應(yīng)用較多,廣泛采用0.61.0mm板厚熱軋鋼板：在t800時軋制而成的，加工性不如冷軋鋼板，厚度一般為1.66.0mm之間。板厚為1.21.4mm的熱軋鋼板主要用于車身下部構(gòu)件、內(nèi)護板、車門內(nèi)板等，大于1.6mm以上的用于結(jié)構(gòu)加強板和鉸鏈等。,8.2.1采用新材料實現(xiàn)汽車輕量化,2.高強度鋼板高強度鋼板（HSS）指屈服強度為210550MPa的鋼板，屈服強度大于550MPa的為超高強度鋼板（UHSS或AHSS），是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素制成。生產(chǎn)成本與普通碳素鋼板相近，但其抗拉強度比普通鋼板高得多，用以制造車身構(gòu)件，可以明顯減輕重量和造價優(yōu)點1）可減輕零件的重量2）加工硬化率高，吸收更多的沖擊能量，用于前后縱梁等處可提高汽車的安全性3）用于車身外部件，具有烘烤硬化性，可增強零件，提高外表面件的抗凹陷性能主要限制：隨著鋼板強度級別的提高，鋼板的成形性變差。,高強度鋼板及車身【案例1】ULSAB-AVC項目是通過全面開發(fā)兩類車型歐洲的C級車型（C-Class）和北美的中級轎車PNGV的概念設(shè)計方案目標：滿足2004年安全法規(guī)，顯示鋼結(jié)構(gòu)汽車的高安全性亮點利用在2004年可以獲得的先進鋼材和加工方法適合于大量生產(chǎn)車身結(jié)構(gòu)和閉合件等應(yīng)是全鋼的，鋼材的供應(yīng)沒有問題使重量最輕，成本最小化,【案例】高強度鋼板及車身ULSAB-AVC項目是通過全面開發(fā)兩類車型歐洲的C級車型（C-Class）和北美的中級轎車PNGV的概念設(shè)計方案（車身結(jié)構(gòu)和閉合件等是全鋼的，使重量最輕，成本最小化）（1）平臺概念1）C級和PNGV級兩種車型共用一個平臺2）兩種車型共用一種車身結(jié)構(gòu)平臺，只是車門型式不同，車身長度尺寸略有不同；強調(diào)共用一個車頭。,（2）精心設(shè)計載荷路徑和接頭車頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括動力總成的布置和前端結(jié)構(gòu)載荷路徑布置設(shè)計A立柱之前的前端結(jié)構(gòu)是前碰撞的主要吸能部分按照100%正碰和40%偏置碰撞的要求，綜合精密考慮結(jié)構(gòu)的載荷路徑，設(shè)置了斜撐盒形梁，將前圍檔板與抗碰撞盒上、下和下封閉地板聯(lián)接在一起，傳遞縱梁和拐角之間的載荷。,（3）底架前端結(jié)構(gòu)前碰撞能量由兩根縱梁傳遞，每個縱梁由兩段鋼管拼焊液壓成形懸架支承力通過副車架傳入車身前碰撞載荷路徑是由保險杠梁和抗撞盒傳及整個縱梁抗撞盒由兩個沖壓件組成盒形截面，焊在保險杠和縱梁之間,（4）車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置門檻內(nèi)的和A柱下段的加強板。但為補償強度，門檻內(nèi)板與車身側(cè)圍外板都是用拼焊板制造前門鉸鏈座插入A柱，且被焊于A柱內(nèi)板和車身側(cè)圍外板。底架的左、右門檻內(nèi)板之間，用穿透的矩形橫梁拉住車身側(cè)圍用兩根拱形管材構(gòu)件傳遞A柱到后縱梁的載荷在前端，載荷是從前縱梁通過前圍板碰撞盒傳入A立柱。管材液壓成形時，管徑被擴脹并軸向地伸入定位工具，然后在A柱接頭處全面焊接在后端，這個側(cè)圍構(gòu)件安裝在作為后縱梁上部零件的后地板上，通過一個支架和后縱梁聯(lián)接。,（5）車身后端底架結(jié)構(gòu)后端縱梁部分由后地板、后縱梁和門檻內(nèi)板及輪罩內(nèi)板組成，都由拼焊板制作。,3.表面鍍鋅鋼板鋅具有適應(yīng)性很強的耐腐蝕性能隨著轎車工業(yè)的發(fā)展，鍍鋅鋼板用量逐年增加多用于容易腐蝕的車身零件，如擋泥板（輪罩），地板等車身底部及車頂，車門板。有些轎車車身幾乎全部重要沖壓件都采用鍍鋅鋼板。,4.鋁合金在轎車上應(yīng)用,鋁合金發(fā)動機氣缸、離合器殼體,大眾甲殼蟲,玻璃增強纖維復(fù)合材料車身外殼,克萊斯勒CCV復(fù)合材料概念車,平均油耗實際為2.99L/100km，轎車自重800kg世界上第一輛批產(chǎn)低油耗轎車,大眾3升車Lupo,全鋁空間框架車身(ASF)，世界上第一種大批量生產(chǎn)的全鋁車身轎車,奧迪A2,以全鋁結(jié)構(gòu)件為基礎(chǔ)，使用鈦，鎂和碳纖維等貴重材料,福特P2000,廣泛應(yīng)用輕質(zhì)材料，自重750kg,Ecobasic“3L”,鎂合金和復(fù)合材料的車身框架，自重700公斤,豐田ES3,鋁質(zhì)車身,法拉利360Modena/Spider,全鋁車身的豪華型轎車,捷豹XJ8,全鋁車身的高級跑車,法拉利612-Scaglietti,5.塑料1953年汽車上第一次使用塑料作為汽車車身的內(nèi)、外飾件的主要材料得到普及應(yīng)用纖維增強復(fù)合材料出現(xiàn)，塑料材料在車身上的應(yīng)用正在代替鋼板，用作車身的板件和結(jié)構(gòu)件塑料分類（按機械性能）通用塑料：用途廣、產(chǎn)量大、價格低廉的普通塑料工程塑料：具有一定機械強度和特殊性能的增強塑料如發(fā)泡聚丙烯（PP）、尼龍,6.復(fù)合材料按性能分類：功能型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按基體分類高分子基（PMC）復(fù)合材料金屬基（MMC）復(fù)合材料陶瓷基（CMC）復(fù)合材料按增強相的種類、形狀分類顆粒狀層狀纖維增強復(fù)合材料。節(jié)能、輕量化：長玻纖增強材料,（1）復(fù)合材料特點1）重量輕例：玻璃纖維增強材料（GFRP，玻璃鋼），密度為1.62.4g/cm3，制作車身可大大減輕重量2）耐腐蝕，車身壽命長特別是玻璃纖維增強材料，幾乎同玻璃一樣具有不生銹和耐腐蝕的能力3）具有高韌性和抗沖擊能力4）保溫隔熱性好除碳纖維增強材料外，復(fù)合材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力差5）成型性好纖維增強材料流動性和層壓性好，使車身表面可制成形狀各異的曲面6）車身部件大型化用復(fù)合材料可以制造集許多單一零件和功能于一體的多功能部件，或大型整體部件7）著色性好8）材料利用率高,（2）車身用復(fù)合材料車身上使用最多的復(fù)合材料是玻璃纖維增強材料（GFRP）和碳纖維增強材料（CFRP）1）GFRP的主要特點及其應(yīng)用質(zhì)量輕，比強度、比剛度高，耐腐蝕性能好,2）纖維增強材料（CFRP）的特點及其應(yīng)用CFRP的主要原料與GFRP基本相同，只是增強材料為碳纖維而不是玻璃纖維與GFRP相比，CFRP密度低、抗拉強度高，耐蝕性、耐磨性好，有一定的減振和隔振性能CFRP材料廣泛應(yīng)用于汽車的各類板件、殼體件、各種支架、托架和許多重要的結(jié)構(gòu)件,復(fù)合材料在車身上應(yīng)用的示例,BMWCFRP側(cè)圍骨架,復(fù)合材料的框架結(jié)構(gòu),復(fù)合材料車身頂蓋,復(fù)合材料備胎總成,雷諾Avantime車身塑料件,克萊斯勒的CCV車身,通用概念車Ultralite,復(fù)合材料在車身上應(yīng)用的示例,Dodgeviper跑車的碳纖維車架結(jié)構(gòu),Porsche的碳纖維發(fā)動機罩,梅塞德斯奔馳SLR跑車,使用了一體式碳纖維車架的FerrariF50,復(fù)合材料在車身上應(yīng)用的示例,輕質(zhì)高強、耐撞擊，抗斷裂韌性好、減振，隔音性能好、可設(shè)計性好、電性能好、耐腐蝕性能好、熱性能好、工藝性能優(yōu)良、老化現(xiàn)象是復(fù)合材料的特點，尤其是新型碳纖維復(fù)合材料性能格外優(yōu)越，最具發(fā)展前景。,8.2.2采用新工藝實現(xiàn)汽車輕量化,輕質(zhì)材料在減輕車身重量的同時，也對汽車工藝提出了新的要求，例如，用新材料制造的零件進行組裝結(jié)合時，就遇到了接合技術(shù)問題。采用高強度鋼后，材料厚度更薄，傳統(tǒng)的MAG焊接工藝面臨無法解決的焊接難題。車身組裝焊接技術(shù)主要種類,8.2.2采用新工藝實現(xiàn)汽車輕量化,輕量化成型工藝-精益成型,內(nèi)高壓成形原理圖,1）管件液壓成型技術(shù)也稱內(nèi)高壓技術(shù)，是一種利用液體作為成形介質(zhì)，通過控制內(nèi)壓力和材料流動來達到成形中空零件目的的材料成形工藝。一般用來制造空心輕體構(gòu)件。,金屬板料液壓成形原理圖,2）熱沖壓成形工藝將鋼板加熱到Ac3點以上的A（奧氏體）區(qū)域進行沖壓成形，然后在沖模中從Ar3相變點以上進行急冷。,熱沖壓成形零件1.側(cè)門2.支架和梁3.各種突出梁4.B柱加強板5.外門板6.加強板7.縱梁,3）注射成形技術(shù),應(yīng)用注射成形技術(shù)的車門內(nèi)板及儀表盤,4）發(fā)泡鋁成形技術(shù),發(fā)泡鋁是空氣與鋁復(fù)合而成的材料。向鋁模具內(nèi)充氣或把將要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的小顆粒注入鋁模具，形成發(fā)泡鋁的多孔組織，就能充分吸收能量，緩沖和降噪。,2.結(jié)構(gòu)件優(yōu)化連接工藝可靠連接,車身制造中常用的焊接方法及典型應(yīng)用實例,傳統(tǒng)工藝和激光拼焊的對比,激光焊,激光焊汽車車架,8.2.3通過合理化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)汽車的輕量化,1將車身劃分為吸能區(qū)和剛性區(qū)吸能區(qū)能吸收部分碰撞能量，并使用剩余碰撞能量分散性地傳到剛性區(qū)，而剛性區(qū)能確保有足夠的剛性和強度保護乘員不受損傷或少受損傷。2.增加焊點焊接總成在適當(dāng)位置增加焊點點數(shù)、布置重要焊點來提高組件強度。以側(cè)圍總成為例，前門洞共60個焊點，后門洞共54個焊點。3.車身部件薄壁化、中空化、小型化和復(fù)合化，盡可能提高斷面效率，減少零件數(shù),4.采用承載式車身,8.2.3通過合理化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)汽車的輕量化,超輕車身輕量化實現(xiàn)方法,車身輕量化設(shè)計包含的七大要素,8.3車身輕量化設(shè)計實例,車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計可以分為兩種方法：（1）在概念設(shè)計階段就將輕量化的思想融入到車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計出全新的輕量化車身；（2）對現(xiàn)有車型的輕量化改型設(shè)計。,前后兩個碰撞吸能區(qū),車身的剛度分配是碰撞安全性的決定因素。安全車身前后部位的剛度應(yīng)低于中間乘坐艙的剛度。輕微事故時保險杠系統(tǒng)及其碰撞變形元件能吸收沖擊能量，減少損失。重大事故時，乘坐艙變形應(yīng)盡量小，讓乘客有足夠的生存空間。乘坐艙以外的部件應(yīng)盡量參與變形并吸收沖擊能量。,安全車身,車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法,汽車的輕量化設(shè)計流程,車門的輕量化設(shè)計示例,車門是車身設(shè)計中比較特殊的部件，它在某種程度上說可以獨立于車身結(jié)構(gòu)之外，不受整車結(jié)構(gòu)的限制。而它又是車身設(shè)計中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零部件之一，設(shè)計要求比較高。故輕質(zhì)車門設(shè)計具有典型性。,輕質(zhì)車門方案,一般車門結(jié)構(gòu),優(yōu)點：,缺點：,零件少、組裝方便；剛性好、便于設(shè)兩道密封條。,壓床臺面和噸位大、造型受限；剛、強度要求高；難實現(xiàn)輕量化。,內(nèi)外板結(jié)構(gòu)形式的車門，由薄板沖壓的外板和內(nèi)板翻邊焊接或粘結(jié)而成。內(nèi)板是車門的主要零件，沖有各種形狀的窩穴、加強筋和孔洞，以便安裝附件。,內(nèi)、外板式車門,輕量化車門結(jié)構(gòu),提高剛度，降低厚度,框架式車門,輕質(zhì)車門方案,零件數(shù)減少、可采用輕質(zhì)材料、降低維修費用,模塊化車門,從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)車門的輕量化有兩種方法：一是降低占車門大部分面積的內(nèi)板和外板厚度；二是減少車門零件數(shù)量?？蚣苁杰囬T帶有框架，框架為主要承載件，因此可降低內(nèi)、外板板厚；模塊化車門的零件進行模塊化設(shè)計和生產(chǎn)，其零件數(shù)量可減少。,車門設(shè)計評價標準,評價試驗,車門鎖：開鎖和防誤鎖、耐久性、承受載荷能力、互開率、耐慣性。,車門鉸鏈：運動范圍阻力矩、關(guān)閉余留角、強度、垂直剛度、耐久性。,搖窗機：操作方便、結(jié)構(gòu)可靠、強度合適、壽命。,限位器：限制車門最大開度、耐久性。,.,側(cè)面防撞桿：力和能量的傳遞作用。,外后視鏡：大小、緩沖件結(jié)構(gòu)、耐氣候性能、耐久性能。,車門設(shè)計評價標準,輕質(zhì)車門結(jié)構(gòu)的有限元分析,原車門,下垂剛度應(yīng)力圖,下垂剛度位移圖,扭轉(zhuǎn)剛度（上）位移圖,扭轉(zhuǎn)剛度（下）位移圖,窗框剛度（前）位移圖,窗框剛度（后）位移圖,檢驗載荷應(yīng)