1、 研究生課程考核試卷科 目： 車用高強鋼 教 師： 鄭江 姓 名： 彭靖宇 學 號： 20163413008 專 業： 車輛工程 類 別： 車輛工程領域 上課時間： 2017年 3 月 至 2017年 4 月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學研究生院制淺談汽車輕量化的途徑摘 要汽車輕量化是實現節能減排的重要措施之一，對汽車工業的可持續發展具有重要意義。目前國內外汽車輕量化的研究方法有三個：一是對汽車進行輕量化的設計和分析，二是通過材料替代或者采用新材料來使汽車輕量化，三是采用先進的制造工藝。本文就這三個最重要的輕量化途徑進行展開，歸納總結出一

2、些具體的輕量化方法。關鍵詞：輕量化； 車身結構優化設計； 高強鋼； 液壓成型； 激光焊接目錄1 緒論32 輕量化的設計和分析42.1 車身結構優化設計42.2 CADCAECAM的應用42.3 車身結構的合理設計方法53 采用先進的制造工藝53.1 熱沖壓技術53.2 激光拼焊工藝63.3 液壓成型技術63.4 自沖鉚接技術74 采用材料替代或采用新材料84.1高強鋼84.2鎂鋁合金94.3 鈦合金114.4 塑料和碳纖維11參考文獻131 緒論為滿足較高的安全標準及乘坐的舒適性就必須增加轎車的質量，但轎車的質量又極大地影響著轎車的油耗及尾氣的排放量。與此同時，由于汽車產量與保有量的不斷增加加

3、劇了能源、環境、安全等方面的問題。為此，歐盟設定了一項當今全球最嚴格的汽車排放控制目標，即從2020年1月1日起，歐盟范圍內所銷售95新車的二氧化碳平均排放水平必須由目前的130g/km減少到95g/km以下。我國也將于2018年月日起全面實施更加嚴格的國排放標準。在當前形勢下，實現汽車產業的可持續發展，必須發展節能、減排方面的新技術來減少汽車的能源消耗以及所產生的環境污染。研究表明，汽車輕量化是降低能耗，減少排放最有效的措施之一。汽車質量每減少100kg，可節省燃油0.30.5L/（100km），減少CO2排放811g/(100km)，加速性能提升10，制動距離縮短27m。此外，汽車輕量化還

4、有利于改善汽車的動力性、制動性和操作穩定性。目前國內外汽車輕量化的研究方法有3個：一是對汽車進行輕量化的設計和分析，二是通過材料替代或者采用新材料來使汽車輕量化，三是采用先進的制造工藝，使用新材料加工而成的輕量化結構用材來達到汽車輕量化的目的。2 輕量化的設計和分析2.1 車身結構優化設計實現快速有效的車身剛度、強度和疲勞強度分析方法，結合參數反演技術、多目標優化和不確定性優化等現代車身設計方法，研發車身基本特性參數匹配及優化的關鍵技術，為車身結構優化設計提供有力支持。車輛輕量化結構設計技術包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優化分塊及結構設計，部分車型在結構件上也采用了輥壓成形，差厚板等工藝技

5、術，可減少零部件數量，減少工序，減輕質量，降低成本，在保證汽車整體性能不受影響的前提下，達到輕量化的目的圖2.1 雷諾汽車采用的差厚板設計2.2 CADCAECAM的應用在現代汽車工業中，CADCAECAM一體化技術起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設計和制造的各個環節，運用這些技術可以實現輕量化設計和制造。利用CADCAECAM一體化技術，可以準確實現車身實體結構設計和布局設計，對各構件的開頭配置，板材厚度的變化進行分析，并可從數據庫中提取由系統直接生成的有關該車的相關數據，進行工程分析及剛度、強度計算。對于輕質材料零部件，還可以做進一步分析和運動干涉分析，使輕量化材料能夠滿足車身設計的各項要求

6、。通過開發汽車車身、底盤、動力傳動系統等大型零部件整體加工技術，以及相關的模塊化設計和制造技術，使節能型汽車從制造到使用的各個環節都真正實現節能環保。2.3 車身結構的合理設計方法車身實體結構設計對車身輕量化起著關鍵性的作用，可以通過優化結構、差厚板等方式實現輕量化的目的。結構合理設計的具體方法有：1)通過結構優化設計，減小車身骨架，減輕車身鋼板質量，優化車身強度和剛度的校核，確保汽車在滿足性能要求下減輕自重； 2)通過結構的小型化，實現汽車輕量化。主要功能部件在使用性能不變的情況下，縮小尺寸；3)通過運動結構方式的變化實現汽車輕量化。如采用轎車發動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等，使結構更緊

7、湊；或采取發動機后置、后輪驅動，使整車的局部變小，實現輕量化的目標。4）使部件薄壁化、中空化，小型化及復合化達到輕量化目的。主要途徑就是在結構上采用“以空代實”，即對于承受以彎曲或扭轉載荷為主的構件，采用空心結構取代實心結構，這樣既可以減輕重量，節約材料，又可以充分利用材料的強度和剛度。3 采用先進的制造工藝先進的制造工藝也是汽車輕量化的又一助力，熱沖壓、激光拼焊、液壓成形、半固態金屬鑄造、噴射鑄造和不同種類材料的焊接、粘接與鉚接技術等技術是汽車輕量化常用的方法。3.1 熱沖壓技術熱沖壓技術是利用加熱到接近的溫度上，在進行一段時間得保溫，使奧氏體均勻化，然后迅速轉移至具有冷卻系統的模具中進行沖

8、壓，然后進行保壓和冷卻工作，將奧氏體能夠轉化為板條狀馬氏體。高強鋼經過熱沖壓之后強度提升至1700MPa，在車身的重量得到減輕的同時提高了車身的強度與剛度。圖3.1 熱成型技術3.2 激光拼焊工藝激光拼焊板是將幾塊不同材質、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板，以滿足零部件對材料性能的不同要求，也可以把相同材質的等厚材料焊接到一起沖壓，以提高材料利用率。圖3.2 激光拼焊技術3.3 液壓成型技術液壓成型技相對于傳統的沖壓-焊接工藝，液壓成型工藝可以降低11的零件成本，14的設備成本，并能減輕73的質量o管件液壓成型的技術原理是將管坯置于模具中，對管腔內施加液壓并對管坯施加軸向載荷，使其在模

9、具型腔內發生塑性變形，直到管壁與模具內表面貼合，從而得到所需形狀的零件。與傳統的沖壓一焊接工藝相比，液壓成型技術具有成型精度高、可節約材料、減少成型件數量和后續機械加工與焊接量、提高成型件的強度與剛度、減少模具數量、降低生產成本等優點。圖 3.3 管材的液壓成型技術3.4 自沖鉚接技術自沖鉚接技術足通過液壓缸或伺服電機提供動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，待鉚接板材在鉚釘的壓力作用下和鉚釘發生塑性變形，成型后充盈在鉚模之中，從而形成穩定連接的一種全新的板材連接技術圖3.4 自沖鉚接過程示意圖4 采用材料替代或采用新材料尋找更加輕量化的材料來替代傳統材料一直以來就是實現輕量化的最有效途徑，目前主流的

10、輕量化材料有，高強鋼、鎂鋁合金、鈦合金、塑料和碳纖維材料等。4.1高強鋼高強度鋼的主要種類根據強度分類，屈服強度在210550MPa和抗拉強度在270700MPa的鋼為高強鋼（HSS），而屈服強度大于550MPa和抗拉強度大于700MPa的鋼為超高強鋼（UHSS）。如果根據冶金學特征進行分類，分為普通高強度鋼（C-Mn鋼、高強度IF鋼、BH鋼、IS鋼、HSLA鋼）和先進高強度鋼（DP、CP、TRIP、M、HF）。高強度鋼（IF）,高強度IF鋼屬于固溶強化鋼，在超低碳、鋁鎮靜鋼中添加P、Mn和Si等固溶強化元素來提高強度，抗拉強度可達450MPa。高強度IF鋼具有良好的機械性能和抗二次加工脆性、

11、化學處理性和合金化鍍鋅適應性。廣泛應用在車身結構件、開啟件上。烘烤硬化鋼（BH）,BH鋼金相組織以鐵素體為基體，主要以固溶強化來提高強度。其特點是添加的磷元素在鋼的冶煉過程中可以與碳、氮形成固溶強化。在鋼板沖壓過程中，基體（鐵素體）內“位錯”密度增加，碳、氮原子向“位錯”擴散的距離縮短，當BH鋼車身進入涂裝在烘烤爐中受熱時，便賦予了固溶體中碳、氮原子擴散的能量，使碳、氮原子在“位錯”處析出，從而提高了工件的屈服強度，故稱此類鋼為烘烤硬化鋼。低合金高強度鋼（HSLA）,HSLA在冶煉過程中添加一些微量元素，使鋼能析出一些細小的碳化物并使晶粒細化而提高鋼材的強度。雙相鋼（DP）,雙相鋼是以相變為基

12、礎的新型高強度鋼，在微觀組織上，雙相鋼是以較軟的鐵素體加硬相馬氏體所構成。在力學性能上，同時具有高的強度和加工硬化指數、低屈強比的特點。雙相鋼由低碳鋼或低碳微合金鋼經兩相區熱處理或控軋控冷而得到，馬氏體以島狀分布于鐵素體基體中含量在5%-20%之間，鋼的強度隨馬氏體含量的增加而增加。相變誘導塑性鋼（TRIP) ,相變誘導塑性鋼其金相組織為鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體，在變形過程中,殘余奧氏體會發生誘導相變轉化為馬氏體，引起相變強化和塑性增長。這類鋼兼顧了較高的抗拉強度和良好的成形性，比雙相鋼成形性更好，同樣具有BH鋼性能，擁有更好的擴孔性。目前，此類鋼板的主要牌號有TRIP590、TRIP690

13、、TRIP780和TRIP780HR等，在汽車行業尚沒有得到大規模應用。多相鋼（CP）,多相鋼組織與TRIP鋼類似，基本上是在Mn-Cr-Si合金成分體系的基礎上，依靠鈦、鈮、釩元素微合金化產生的晶粒細化效應和析出強化效應，結合適當在積極進行高強鋼組織研究的同時，科學家們也在從泡沫塑料在建筑中的廣泛使用中得到啟發，考慮在汽車業中使用“泡沫金屬”。目前汽車工業是消耗金屬最多的工業之一，金屬制造業雖然能生產2500多種性能各異的鋼材和千百種有色金屬但仍然滿足不了汽車制造業的特殊需要。如果“泡沫金屬”能研制出來，它將成為未來制造汽車的最佳材料，這種泡沫金屬零件的結構是：外表用薄鋼制成，中心用泡沫金屬

14、填充。在具有眾多優點的同時高強鋼依然存在以下問題需要進行技術突破：(1) 先進高強鋼的熱沖壓成型的模具設計技術。在沖壓過程中要使升溫、保 溫與降溫過程模具內溫度盡量均勻，防止由于溫度不均而產生的熱應力過高；(2) 研究先進高強鋼熱沖壓成型計算機模擬技術。需要解決的關鍵問題是先進高強鋼零件熱成型技術數字化建模技術的研究。(3) 研究先進高強鋼的熱沖壓成型與同彈技術，但是材料的強度越高，成型后零件的回彈性越大，因此防止這種成型缺陷的技術難度較大。 圖4.1 各種高強鋼在汽車上的應用比例 圖4.2 高強鋼車身4.2鎂鋁合金鎂是目前工業應用材料中最輕的一種金屬，鎂合金具有很高的比強度和比剛度，而且鎂資

15、源非常豐富；因此鎂合金被公認為當今最有發展前景的汽車輕量化材料。在1936年，大眾汽車公司生產的“甲殼蟲”汽車，其曲軸箱、傳動箱殼體采用了鎂合金變形鎂合金的力學性能與鋼、鋁合金等金屬材料存在明顯的差異。鎂合金為密排六方(HCP)晶體結構，常溫下的變形機制除了其他金屬中常見的位錯滑移外，還包含HCP晶體結構特有的孿生模式，由于孿生變形模式存在極性，因而鎂合金會表現出明顯的拉伸與壓縮力學性能的差異性，即拉壓非對稱性；另外，變形鎂合金中存在明顯的織構現象，導致其力學性能呈各向異性。同時，其力學性能還具有明顯的應變率相關性。這種各向異性、拉壓非對稱性和應變率敏感性等特性也增大了鎂合金結構件設計的技術復

16、雜性。特別是變形鎂合金與傳統的低碳鋼相比韌性較差，在結構受到沖擊時，容易發生脆性斷裂。變形鎂合金的特殊力學行為給鎂合金在汽車結構件中的應用帶來了挑戰。高性能變形鎂合金的開發、力學性能研究及其在汽車結構件中的應用，將是未來的重點研究方向。鋁是最早成為鋼材替代品的汽車制造材料，目前鋁已成為汽車制造中用量僅次于鋼材和鑄鐵的材料，在全鋁汽車中，其用量甚至排在第2位。目前，鋁代鋼的成本仍然略高，但是鋁代鋼仍可以通過減輕車重所減少的油耗來幫助消費者節約用車成本。乘用車的主要組件在整車質量中所占比例不同，在整車中，質量最大的組件為動力系統、底盤系統以及車身，這3大系統的總質量達到整車質量的83%，其中車身質

17、量比重為28%。近年來奧迪、捷豹路虎、福特等都使用了全鋁式的車身結構，鋁合金已經成為了一種比較理想的輕量化材料，鋁合金還可以按照添加合金的不同和比例的不同以及制造工藝的區別，應用在車身、車架、制動盤、發動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類等地方。鋁合金的應用還存在一些制約：（1）價格問題制約；（2）鋁合金板材的回彈與補償控制技術；（3）高速載荷下鋁合金板材形變與吸能特性；（4）鋁合金連接及其疲勞評價技術；（5）底盤鋁合金部件載荷提取與應用技術；（6）底盤鋁合金零部件成型中材料流變特性與組織性能控制技術；

18、（7）底盤鋁合金零部件疲勞與失效模式。盡管存在著一些制約，但是關于鋁合金在汽車上的應用一直是輕量化研究的熱點，現階段鋁合金的研究方向包括：（1）開發低成本的鋁合金和先進鋁合金成型工藝外，回收再生產技術可進一步降低鋁的成本。（2）開發新的各種連接技術（如鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鋁-鎂等的連接）（3）鋁制零件的優化設計和快速成型技術。 圖4.3 全鋁制車身 圖4.4 鎂合金輪轂 4.3 鈦合金鈦合金在汽車結構輕量化設計中的應用鈦作為一種稀有金屬，其熔點有1600多，可以作為耐熱材料。并且鈦具有良好的機械性質和耐腐蝕性，其強度也是常用工程材料中最高的。利用鈦合金制造的汽車零件壽命長、重量輕、減振性好。鈦合

19、金在汽車上最早的應用是使用在高速賽車的部分零件上，結果這樣的賽車具有良好的特性，取得了許多優異的成績。隨著科學技術的不斷發展，鈦的開采和研發也逐漸成熟，鈦合金的零件開始逐漸被應用于普通的轎車，一般被應用在轎車的車門、消音器以及裝飾等。鈦的主要缺點是成本高且加工難度較大，而且提煉比較困難，提煉技術還不夠成熟，所以現在的鈦合金零件只有在賽車或者高檔轎車上才能看見圖4.5 鈦合金消音器4.4 塑料和碳纖維塑料及纖維復合材料在汽車工業中的應用日趨廣泛，使用量持續增長用量居于前列的有：聚丙烯(PP)、聚氨酯(PUR)、聚氯乙烯(PVC)、熱固性復合材料、ABS、尼龍(PA)和聚乙烯(PE)；按零部件種類

20、分為三類：內飾(裝)件、外飾(裝)件和功能件，最早用于儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板等內裝件，而后逐漸用于外裝件、結構件和功能件，如車身外板、后阻流板、保險杠、車輪罩、前后翼子板、舉升門、油箱、散熱器水室、風扇葉片、發動機進氣管、以及氣門室罩蓋等。由于單一塑料已無法滿足汽車工業中高應力件、高溫件等部件的使用要求，復合材料(如玻纖增強熱塑性復合材料、長纖維增強熱塑性復合材料、碳纖增強復合材料)在汽車零部件上的應用顯示出越來越強大的生命力。玻璃纖維增強熱塑性復合材料(GMT)在汽車工業中的應用達40多種，主要有座椅骨架、保險杠、儀表板、發動機罩、電池托架、腳踏板、前端、

21、地板、護板、后牽門、車頂棚、行李托架、遮陽板、備用輪胎架等部件。碳纖維復合材料結構比低碳鋼結構減重50以上，比鎂鋁合金結構減重達30，同時其可減少70裝配零件數量；擁有良好的抗疲勞性、耐腐蝕性，零件使用壽命高。然而碳纖維的高成本以及復雜的制造工藝極大地制約了碳纖維復合材料在汽車上的應用。發展碳纖維復合材料汽車零部件設計制造關鍵技術已成為中國汽車產業節能環保、轉型升級的戰略舉措，2015年國務院發布的中國制造2025中已明確將碳纖維復合材料汽車零部件技術作為節能與新能源汽車領域的重要發展方向碳纖維復合材料在發展之初由于成本過高、制造工藝復雜等原因，僅在對性能要求極高的賽車、超級跑車上使用。隨著碳纖維成本的下降與高效制造工藝的不斷成熟，碳纖維復合材料汽車零部件逐漸出現在各大主機廠商的普及型汽車上，如中低檔轎車與新能源汽車。出于對安全性、