車身輕量化設(shè)計(jì)制造(共8頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、汽車輕量化設(shè)計(jì)的必要性當(dāng)今社會(huì)高速發(fā)展，國(guó)民生活水平不斷提高，汽車在大家生活中扮演著極其重要的角色。而全球環(huán)境日益惡化，國(guó)家發(fā)改委提出了相關(guān)的能源發(fā)展戰(zhàn)略要求，節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今汽車研發(fā)的必然趨勢(shì)。我國(guó)汽車產(chǎn)銷量年年創(chuàng)新高，雙雙突破2000萬(wàn)輛，位居全球第一。汽車產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益白熱化，隨著顧客節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)車輛的節(jié)能減排性能提出了更高的要求，低油耗已經(jīng)成為顧客選擇與購(gòu)買汽車的一個(gè)重要因素。越來(lái)越多的汽車企業(yè)開(kāi)始重視車輛的節(jié)能性 ，而車身重量直接影響整車的節(jié)能性，所以車身輕量化正逐漸演變?yōu)橹匾恼囆阅茉O(shè)計(jì)指標(biāo)。歐洲鋁協(xié)材料表明，汽車重量每降低100公斤

2、，每百公里可節(jié)約0.6升燃油。大量使用鋁合金的汽車，平均每輛汽車可降低重量300公斤(從1400公斤到1100公斤)，壽命期內(nèi)排放可降低20%。由此可見(jiàn)，伴隨輕量化而來(lái)的突出優(yōu)點(diǎn)就是油耗顯著降低。汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上。因此，必須要減輕自重以提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性為目的。汽車的輕量化有助于汽車的“行駛、轉(zhuǎn)彎、停車”三大基本性能的提高，并且對(duì)環(huán)保要求的降低油耗和減少CO2排放發(fā)揮重要作用。二、中國(guó)汽車輕量化現(xiàn)狀與分析目前國(guó)內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，以及輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用，包括鋁、鎂、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料、

3、塑料等。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，一般是通過(guò)更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，來(lái)減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)車身強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，以確保汽車在滿足性能的前提下減重。此外，運(yùn)動(dòng)化的結(jié)構(gòu)也是減重的重要手段。比如采用輕量化的懸架，可以使結(jié)構(gòu)更緊湊并且提升了操控性能?；虿扇“l(fā)動(dòng)機(jī)后置后驅(qū)的方式，達(dá)到使整車局部變小，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。2009年5月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬公布了一項(xiàng)汽車節(jié)能減排最新計(jì)劃，目標(biāo)是到2016年，美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里油耗不超過(guò)6.62升，二氧化碳排放比現(xiàn)在減少1/3。和美國(guó)類似的是，歐洲和日本不僅在減耗排放方面推行了相關(guān)政策，而且對(duì)廢舊車輛回收也作出了嚴(yán)格規(guī)定。如日本2001年規(guī)劃由拋

4、棄型進(jìn)入循環(huán)型的社會(huì)發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。其實(shí)2001年以前，日本已有相關(guān)法令推行綠色設(shè)計(jì)及綠色采購(gòu)。事實(shí)上，在節(jié)能減排上，留給我國(guó)汽車企業(yè)的時(shí)間已經(jīng)不多。來(lái)自中汽協(xié)的調(diào)查顯示，我國(guó)國(guó)產(chǎn)轎車品牌與國(guó)外同類車在高強(qiáng)度鋼比例和碰撞安全性方面存在較大差距，我國(guó)的自主品牌轎車較國(guó)外同類車重8%-10%，碰撞安全性差好幾個(gè)星級(jí)。中汽協(xié)發(fā)布的關(guān)于汽車輕量化意義的報(bào)告中指出：對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)、整體化和輕質(zhì)化；發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化；變速器輕量化；懸架輕量化；車身輕量化和附件輕量化是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)整車輕量化的六個(gè)方面。國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)，對(duì)于汽車輕量化的設(shè)計(jì)，已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計(jì)

5、的前期。包括鋁、鎂、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料、塑料等輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應(yīng)用融為一體，能直接使汽車輕量化并降低油耗。有專家指出，事實(shí)上汽車輕量化后，加速性提高，車輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動(dòng)方面的改善；從碰撞安全性考慮，碰撞時(shí)慣性小，制動(dòng)距離減小等，都是廠家在追求的目標(biāo)。車身骨架一般占整車質(zhì)量的22%25%，車身質(zhì)量承擔(dān)著節(jié)能降耗的重要職責(zé)，車身質(zhì)量越輕，油耗就越低，車輛經(jīng)濟(jì)性越好 實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%， 燃油效率可提高6%8%; 汽車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.30.6L; 汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%當(dāng)

6、前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。汽車空載情況下，約70%的油耗用在車身重量上，所以汽車瘦身很重要 但汽車輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及整車設(shè)計(jì)、使用材料和制作工藝等各個(gè)領(lǐng)域。目前，自主品牌汽車輕量化技術(shù)手段單一，沒(méi)有系統(tǒng)的輕量化技術(shù)，大部分停留在比較簡(jiǎn)單的零部件替換和輕質(zhì)材料使用方面，由于國(guó)產(chǎn)零部件和金屬材料技術(shù)水平的限制，汽車減重幅度也比較有限。同時(shí)，國(guó)內(nèi)汽車研發(fā)主要側(cè)重于車輛安全，NVH性能，車輛耐久性及操控性，對(duì)車身輕量化技術(shù)的研發(fā)投入不夠，缺乏系統(tǒng)性的開(kāi)展輕量化工作，往往導(dǎo)致車輛油耗較高，造成客戶抱怨，影響銷售業(yè)績(jī)。然而車身輕量化程度越高， 車輛成本就越

7、低，企業(yè)利潤(rùn)越高 由此可見(jiàn)，車身輕量化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用勢(shì)在必行。三、車身輕量化的主要途徑車身輕量化的主要途徑分兩大類：使用輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。而輕量化材料主要包括以下幾種：超高強(qiáng)度鋼板、鋁及鋁合金、鎂合金、工程塑料、玻璃增強(qiáng)材料、結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料。1、 超高強(qiáng)度鋼板傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)提高零件的料厚來(lái)獲得整車的碰撞性能和耐久性能 ,而現(xiàn)在可以通過(guò)選用高強(qiáng)度鋼板、減少料厚的辦法來(lái)獲得更好的碰撞性能和耐久性能 ,同時(shí)又減少車身重量。普通鋼屈服強(qiáng)度在 110180 MPa,烘烤硬化鋼屈服強(qiáng)度在 130300 MPa,這兩種材料一般用在車身的外覆蓋件和地板零件上。高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度在340550 MPa

8、,一般用作結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件。超高強(qiáng)度鋼板一般指抗拉強(qiáng)度超過(guò)550 MPa,主要有 DP鋼和 MS鋼 (馬氏體鋼 )。DP鋼的抗拉強(qiáng)度在5001 000 MPa,一般用于需要高抗拉強(qiáng)度、高碰撞吸能且成型較復(fù)雜的車身零件 ,如前艙大梁、 B柱內(nèi)外板等。MS鋼抗撞強(qiáng)度有900MPa,1 300MPa,由于 MS鋼強(qiáng)度極高 ,所以一般用滾壓成型工藝生產(chǎn) ,主要應(yīng)用在門檻梁上。例如新 Civic,由于提高了高強(qiáng)鋼的比例 ,汽車的安全性由 Euro NCAP 4星提高到 5星 ,車身的動(dòng)剛度和 NVH性能得到了進(jìn)一步提高 ,而車身重量卻減少了 2 kg。2、 鋁及鋁合金采用鋁合金材料的主要目的是減輕整車質(zhì)量和節(jié)

9、省能源 , 然而無(wú)論是材料成本還是生產(chǎn)工藝鋁板都比鋼材昂貴。鋁的價(jià)格是鋼的34倍 ,但其廢料賣出價(jià)格也高,同時(shí)鋁合金再生耗電能也少。盡管鋁板的成本高 ,但鋁板的用量仍在不斷增加。對(duì)車身覆蓋件來(lái)說(shuō) , 主要用在發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李箱 , 鋁合金向全車身的應(yīng)用進(jìn)展發(fā)展較慢。 80年代后期開(kāi)始在發(fā)動(dòng)機(jī)罩、擋泥板上使用。全鋁型無(wú)骨架車身用 6000系(Al MgSi)合金和 7000系(AlZnMg) 合金 ,不僅可減少30 %40 %質(zhì)量 ,其安全性也很強(qiáng)。針對(duì)化學(xué)合成處理差的問(wèn)題 , 研究者又開(kāi)發(fā)了可與鋼板在同一流水線進(jìn)行磷酸鋅處理的鋁板。由于在輕量化方面效果顯著 ,目前美國(guó)和德國(guó)把軋制鋁用于車身外板

10、, 使汽車的鋁材化進(jìn)入實(shí)用階段 ,其用量有不斷增加的趨向,特別是現(xiàn)代無(wú)骨架車的推出 , 加大了鋁材的應(yīng)用空間。從近年國(guó)外出現(xiàn)的概念車來(lái)看,在車體結(jié)構(gòu)上大都采用無(wú)骨架式結(jié)構(gòu)和空間框架結(jié)構(gòu) ,而且大都以擠壓型鋁材為主。擠壓型鋁材是將鋁合金擠壓成各種復(fù)雜斷面形狀和中空狀型材 ,具有密度小、比強(qiáng)度大、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。用中空鋁型材作保險(xiǎn)杠 ,能減輕質(zhì)量 30 %40 % ,并與鋼材件具有同等的抗沖擊強(qiáng)度,特別是當(dāng)汽車發(fā)生意外時(shí),還能吸收因碰撞帶來(lái)的沖擊能 ,保護(hù)乘客安全。就目前來(lái)看 , 因?yàn)椴牧系幕貜棿蠛鸵壮霈F(xiàn)裂紋 , 使鋁板在沖壓時(shí)比鋼板難度大 , 目前還沒(méi)有大批量生產(chǎn)汽車完全采用鋁板 , 但使用專

11、為鋁板設(shè)計(jì)的模具 ,這種影響會(huì)減少。目前 ,采用全鋁車身一般是年產(chǎn)量在幾千輛的小批量生產(chǎn)的汽車 , 大批量生產(chǎn)的中型轎車車身中鋁結(jié)構(gòu)的比重只占 3 %7 %。運(yùn)動(dòng)車、電動(dòng)車、概念車等對(duì)減小質(zhì)量有特別的要求 ,鋁用量較大;一般轎車中 ,鋁通常用來(lái)制作覆蓋件、車輪、空調(diào)系統(tǒng)、保險(xiǎn)杠、座椅、窗框和換熱器擾流板等。鋁制車身與鋼板車身相比重量大約可減輕40%，可明顯降低能耗，碳纖維的效果則更為突出。而且輕量化車身的回收利用率也較高。因此車身的輕量化對(duì)提高能源利用率和環(huán)保具有重大意義。3、 鎂合金鎂合金是比鋁合金密度更小的輕質(zhì)材料。其耐熱耐壓耐腐蝕且易于回收利用。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有 6

12、0多種。駛多飛集團(tuán)與德國(guó)大眾合作, 準(zhǔn)備將其專利產(chǎn)品鎂合金MnE21替代某車型白車身上的多個(gè)鋼板零件,如前后保險(xiǎn)杠、車頂橫梁和車門防撞桿等。如果替代成功,將大大減輕該車的車身質(zhì)量。工程塑料汽車車身采用塑料材料具有質(zhì)量小、易于加工和防銹防腐蝕的特點(diǎn)。目前汽車的保險(xiǎn)杠幾乎都是塑料件。塑料最先使用在汽車的內(nèi)飾和外飾件上,如儀表板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩等,為汽車飾件的軟飾化、高檔化、舒適化起到了一定的作用。近年來(lái),塑料在車身板和發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的零部件上的使用量在不斷增大,約占車身質(zhì)量的 10 %15 % ,尤以美歐的汽車制造商采用為多。如奔馳的 Smart轎車車身覆蓋件采用了具有本

13、色的可隨時(shí)更換的塑料覆蓋件,倍受市場(chǎng)關(guān)注; 雷諾的 Espace 和蓮花的 Elise 轎車也采用塑料車身;戴克公司1998年推出的CCV概念車采用四塊熱塑車身板,加上板材連接件,白色的車身板總質(zhì)量95kg ,開(kāi)創(chuàng)了全熱塑車身的里程碑。目前,汽車的尾燈和前大燈的玻璃將從天然材料轉(zhuǎn)向塑料。一般熱固性塑料力學(xué)性能好、強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好 ,具有良好的表面著色、電鍍、植絨、鉚接、耐腐蝕等性能 ,多作為外表面件生產(chǎn)使用。用玻璃纖維增強(qiáng)的不飽和聚酯塑料制造車身零件 , 比鋼板沖壓的輕 40 % ,且耐腐蝕和成型好。采用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯模壓復(fù)合塑料板直接在壓力機(jī)上模壓成型 , 成型后只需切掉飛邊。用復(fù)

14、合塑料壓制的整體發(fā)動(dòng)機(jī)罩,是將翼子板、大燈罩和發(fā)動(dòng)機(jī)前罩等聯(lián)成一體,大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。4、 玻璃增強(qiáng)材料玻璃增強(qiáng)材料與金屬相比具有比重小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕和隔音隔熱等特點(diǎn) ,可以成型復(fù)雜形狀的零件且制作成本低。因此汽車廠家越來(lái)越多地選用玻璃增強(qiáng)材料來(lái)替代金屬 ,主要由SMC和GMT兩種材料。一般這兩種材料主要應(yīng)用在保險(xiǎn)杠防撞桿、前翼子板、后備胎罩和后背門上。5、 結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料車身接頭對(duì)整車的安全、剛度、強(qiáng)度有著至關(guān)重要的影響,如何加強(qiáng)接頭是汽車研發(fā)單位重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。應(yīng)用預(yù)埋在接頭處的高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料來(lái)提高整車剛度是一種有效途徑。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料具有質(zhì)量輕、可以制作復(fù)雜形狀、加強(qiáng)效果明顯等優(yōu)點(diǎn),已逐漸被汽車廠商接受并使用,例如法國(guó)雪鐵龍 Picass o1C4和 OPEL Astra等。6、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被逐漸引入到汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中。但大多數(shù)的工作主要集中在結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方面。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究分為三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)確定的情況下進(jìn)行的，因此產(chǎn)生的效果是被限定在布局之內(nèi)。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點(diǎn)是能在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯?，根?jù)已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結(jié)構(gòu)形式。 因此在工程設(shè)計(jì)的初始階段中非常有意義它不涉及具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，但可以提出最佳形狀設(shè)計(jì)方案。由于結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>