汽車輕量化技術(shù)及實(shí)現(xiàn)途徑

擊"南大本科課程論文題目汽車輕量化技術(shù)及實(shí)現(xiàn)途徑課程汽車設(shè)計專業(yè)機(jī)械制造及其自動化班級—2012級1班學(xué)號姓名聯(lián)系方式2015年6月26日目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要：3\o"CurrentDocument"前言3\o"CurrentDocument"輕量化技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀3\o"CurrentDocument"實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑43.1合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計4\o"CurrentDocument"3.2使用新型材料5\o"CurrentDocument"3.2.1有色合金材料6\o"CurrentDocument"3.2.2高強(qiáng)度鋼7\o"CurrentDocument"3.2.3塑料和復(fù)合材料7\o"CurrentDocument"3.2.4其他輕量化材料8\o"CurrentDocument"汽車輕量化發(fā)展面臨的問題8\o"CurrentDocument"結(jié)論9參考文獻(xiàn)9汽車輕量化設(shè)計技術(shù)***西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶400716摘要：本文簡要介紹了目前汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，包括輕量化設(shè)計概況、各種輕量化材料的性能及運(yùn)用，闡述了汽車輕量化的實(shí)施途徑。關(guān)鍵詞：汽車輕量化發(fā)展前言有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，若汽車整車質(zhì)量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;若滾動阻力減少10%,燃油效率可提高3%;若車橋、變速器等機(jī)構(gòu)的傳動效率提高10%,燃油效率可提高7%。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優(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，因此車身的輕量化對減輕汽車自重，提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。同時，輕量化還將在一定程度上帶來車輛操控穩(wěn)定性和一定意義上碰撞安全性的提升。車輛行駛時顛簸會因底盤重量減輕而減輕，整個車身會更加穩(wěn)定；輕量化材料對沖撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。因此汽車輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項關(guān)鍵性研究課題。輕量化技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是：采用現(xiàn)代設(shè)計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,或使用新材料在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，以達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標(biāo)。然而，汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化。首先應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟(jì)上的壓力。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。一方面汽車輕量化與材料密切相關(guān)；另一方面，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計也是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。與汽車自身質(zhì)量下降相對應(yīng)，汽車輕量化技術(shù)不斷發(fā)展，主要表現(xiàn)在：輕質(zhì)材料的使用量不斷攀升，鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、塑料、粉末冶金、生態(tài)復(fù)合材料及陶瓷等的應(yīng)用越來越多；結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計水平不斷提高，如采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達(dá)到輕量化的目的，計算機(jī)輔助集成技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)也有所發(fā)展；汽車輕量化促使汽車制造業(yè)在成形方法和聯(lián)接技術(shù)上不斷創(chuàng)新。目前，國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展，新型智能材料逐漸在汽車制造中得到應(yīng)用。車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應(yīng)用。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。隨著鎂合金材料的技術(shù)進(jìn)步及其抗蠕變性能的進(jìn)一步改善，自動變速器殼體以及發(fā)動機(jī)曲軸箱亦適合改用鎂材料制造。若曲軸箱由鋁改為鎂，則可減輕30%左右。傳統(tǒng)的轎車車身結(jié)構(gòu)是鋼車身，現(xiàn)今也越來越多地采用高強(qiáng)度鋼、精練鋼、鋁合金和夾層鋼車身結(jié)構(gòu)，其制造工藝有柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術(shù)、薄壁制造技術(shù)等。不銹鋼與強(qiáng)度較高的碳鋼相比，表現(xiàn)出不少優(yōu)點(diǎn)，例如延展性更好、強(qiáng)度更高、更適合形狀復(fù)雜的覆蓋件成形。上世紀(jì)80年代，重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究;一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗。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)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達(dá)到輕量化目的，國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行靜強(qiáng)度計算和分析階段。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開發(fā)技術(shù)，如湖南大學(xué)與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設(shè)計理論方面開展了較深入的研究;北京航空航天大學(xué)開發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA，并已經(jīng)開展了客車輕量化技術(shù)的研究，利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以減少車身骨架、發(fā)動機(jī)和車身蒙皮的重量等。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑汽車輕量化在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下，應(yīng)最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量,努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動和良好的操縱性、高可靠性等降低燃油消耗，減少排放污染。通過輕量化技術(shù)的內(nèi)涵可知，汽車的輕量化主要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用輕質(zhì)材料的方式來實(shí)現(xiàn)。3.1合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計目前國內(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)計和分析,設(shè)計已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計的前期。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、塑料等，與結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相應(yīng)的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應(yīng)用融為一體。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設(shè)計和制造的各個環(huán)節(jié)。運(yùn)用這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質(zhì)化。利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計,對各構(gòu)件的開頭配置、板材厚度的變化進(jìn)行分析，并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析和剛度、強(qiáng)度計算。對于采用輕質(zhì)材料的零部件，還可以進(jìn)行布局分析和運(yùn)動干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設(shè)計的各項要求。此外利用CAD/CAE/CAM技術(shù)可以用仿真模擬代替實(shí)車進(jìn)行試驗，對輕量化設(shè)計的車身進(jìn)行振動、疲勞和碰撞分析。通過開發(fā)汽車車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部件整體加工技術(shù)和相關(guān)的模塊化設(shè)計和制造技術(shù)，使節(jié)能型汽車從制造到使用各個環(huán)節(jié)都真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保。通過結(jié)合參數(shù)反演技術(shù)、多目標(biāo)全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設(shè)計方法，研究汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù),包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優(yōu)化分塊等。從結(jié)構(gòu)上減少零部件數(shù)量，確保在汽車整車性能不變的前提下達(dá)到減輕自重的目的。具體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計有以下3個方面：通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量，對車身強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。通過結(jié)構(gòu)的小型化，促進(jìn)汽車輕量化,主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小尺寸。采取運(yùn)動結(jié)構(gòu)方式的變化來達(dá)到目的。比如采用轎車發(fā)動機(jī)前置、前輪驅(qū)動和超輕懸架結(jié)構(gòu)等，使結(jié)構(gòu)更緊湊，或采取發(fā)動機(jī)后置、后輪驅(qū)動的方式，達(dá)到使整車局部變小，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。3.2使用新型材料據(jù)統(tǒng)計，汽車車身、底盤(含懸架系統(tǒng))、發(fā)動機(jī)三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身內(nèi)外覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對降低發(fā)動機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。為此，首先應(yīng)該在白車身制造材料方面尋找突

破口。具體可以有如下幾種方案：使用密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂合金、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(qiáng)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)表1歐美采用鎂合金制造的部分汽車零件汽車廠家用鎂合金制造的部分汽―通用1缸蓋、濾油器、空氣濾清器克?、配電器、擋泥板支架、煙灰盒1、J、轉(zhuǎn)向盤柱、前大燈罩、前大燈托架、發(fā)動機(jī)革格柵、進(jìn)氣格柵中心座、前大燈框架、配電器、擋泥板支架、離合器殼、制動器福特離合器踏板托架、轉(zhuǎn)向柱定位機(jī)構(gòu)、分動器克克萊斯勒變速器克體大眾曲軸箱，變速器殼體、增壓器殼、正時齒輪，離合器殼沃爾沃日-y門連桿、『制動連桿、乍口外把f奔馳座:椅架奧迪位表板保時捷風(fēng)扇、風(fēng)扇架、乍輪合材料板、激光焊接板材等。3.2.1有色合金材料鋁具有良好的機(jī)械性能，其密度只有鋼鐵的1/3,機(jī)械加工性能比鐵高4.5倍，耐腐蝕性、導(dǎo)熱性好。其合金還具有高強(qiáng)度、易回收、吸能性好等特點(diǎn)。汽車工業(yè)運(yùn)用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運(yùn)用形變鋁材制造車身面板的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，包括發(fā)動機(jī)罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險杠、輪轂和汽車結(jié)構(gòu)零件也廣泛使用鋁合金材料。運(yùn)用鋁合金也面臨不少問題，比如，鋁合金加工難度比鋼材高，成型性還需繼續(xù)改善；由于鋁導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致鋁合金的焊接性能差；不能像鋼板那樣采用磁力搬運(yùn)等。其中，關(guān)鍵是成本問題，目前鋁價還比較高，成本控制對鋁合金的運(yùn)用非常重要。鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8:3,是當(dāng)前最理想、重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因而成為汽車減輕自重、以提高其節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復(fù)雜，成本高。我國的鎂資源非常豐富，儲量占世界首位。但是國內(nèi)用量很少，尤其汽車行業(yè)用量極少，因此前景非常廣闊。而西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家對鋁基、鎂基的金屬基復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用，已達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化階段，如表1。3.2.2高強(qiáng)度鋼用高強(qiáng)度鋼替代原使用材料，能適當(dāng)減小零件尺寸。世界上廣泛通過進(jìn)一步提高合金鋼、彈簧鋼、不銹鋼等鋼種的比強(qiáng)度和比剛度以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特點(diǎn),來作為汽車輕量化的措施。采用高強(qiáng)度鋼板在等強(qiáng)度設(shè)計條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準(zhǔn)，因此實(shí)際板厚減少率不一定能達(dá)到鋼板強(qiáng)度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強(qiáng)度鋼板在汽車上應(yīng)用的目的主要有3點(diǎn):增加構(gòu)件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變區(qū)。由于運(yùn)用高強(qiáng)度鋼板的經(jīng)濟(jì)性和相對容易性，因此應(yīng)大力提倡在汽車上運(yùn)用高強(qiáng)度鋼板?，F(xiàn)在各國都在加速高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上的運(yùn)用。3.2.3塑料和復(fù)合材料與相同結(jié)構(gòu)性能的鋼材相比，塑料和復(fù)合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復(fù)合材料的發(fā)展提供了更多的潛力，在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了鋁材,整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機(jī)物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上，如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護(hù)板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴(kuò)展。例如發(fā)電機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發(fā)展。復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料，是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。增強(qiáng)用的纖維除玻璃外，還有高級的碳纖維、合成纖維。復(fù)合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：密度小、設(shè)計靈活美觀、易設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛，尤其在歐美車系中。其中尤以SMC和GMT的應(yīng)用最為廣泛。曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯、達(dá)夫等歐洲重型卡車制造商的駕駛室材料中，都大量選用了SMC。在國內(nèi)，SMC材料在汽車領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是商用汽車領(lǐng)域。中國重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車制造商，其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。3.2.4其他輕量化材料精細(xì)陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。其發(fā)展史只有20年左右，但具有優(yōu)良的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等）和化學(xué)性能（耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等）。作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發(fā)動機(jī)燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油耗大大下降,從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機(jī)上采用的材料，其最大特點(diǎn)是剛性高、比強(qiáng)度高、密度低。目前應(yīng)用在汽車上的實(shí)例還不多，但應(yīng)用研究在不斷前進(jìn)，將來會較多地得到運(yùn)用汽車輕量化發(fā)展面臨的問題輕量化的方法、技術(shù)、替代材料這么多，各有各的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，那么使用現(xiàn)有技術(shù)和材料，汽車到底能做到多輕呢？美國通用汽車公司設(shè)計了一輛超輕型概念汽車，這輛汽車完全由手工制造，并且使用了多種減輕重量和提高燃油效率的技術(shù)，結(jié)果該超輕型概念汽車只有140kg重，相當(dāng)于美國家用汽車平均重量的12%，用1L汽油可行駛45km，僅為美國家用汽車平均耗油量的1/4。不過必須看到，這還只是一種概念車，它的數(shù)據(jù)可能具有一定的指導(dǎo)意義，但現(xiàn)實(shí)意義有限，因此不能因此對輕量化前景產(chǎn)生盲目的樂觀。如果把眼光拉近到現(xiàn)實(shí)中，可以看到，汽車輕量化雖然已成為未來潮流，但目前要在全行業(yè)廣泛應(yīng)用輕量化技術(shù)還為時尚早，主要原因就在于技術(shù)還不完善、成本仍然太高。以取得巨大輕量化成果的奧迪A8車型為例，使用ASF技術(shù)的全鋁車身減重200kg，以每減重100kg油耗減少0.6L/100km計算，一輛A8車在其行駛壽命10萬公里期間可省油1200L，以歐洲市場油價1.12€/L（2004年5月10日價格）計算，可為車主省下1344€，但是相比全鋁車身帶來的昂貴價格，消費(fèi)者仍然是得不償失。雖然對整個社會來說，輕量化將為能源、環(huán)境帶來巨大的好處，但是具體到每一個消費(fèi)者，他們卻不得不在購車時為自己的錢包作打算，需要認(rèn)真衡量一下輕質(zhì)汽車的額外高價與省下的油錢相比哪一項更多。圖2是汽車輕量化與設(shè)計成本、制造成本、材料成本之間關(guān)系的研究結(jié)果。研究結(jié)果清楚地表明，輕量化必須以昂貴的設(shè)計與制造成本為代價。汽車設(shè)計人員的任務(wù)就是兼顧重量與成本，爭取將兩者關(guān)系控制在圖中陰影范圍內(nèi)的輕量化最優(yōu)區(qū)域。成本圖成本圖2輕罩化程度與成本關(guān)系圖不僅是成本問題，縱覽全局還可以發(fā)現(xiàn)，輕量