1、【精品文檔】如有侵權，請聯系網站刪除，僅供學習與交流汽車輕量化技術分析.精品文檔.汽車輕量化技術分析一、汽車輕量化技術發展的背景及意義：現階段，汽車工業的發展面臨著三大嚴峻問題：即油耗、環保和安全，輕量化、環保回收及節約能源已成為全球汽車工業的發展趨勢。針對此類問題，各國紛紛開始重視能源和環保議題制定了相應的法規，并提出了有效的改進措施。輕量化技術通過降低自身質量從而達到降低油耗、減少排放的目的。有關研究數據表明， 若汽車整車質量降低 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、 變速器等機構的傳動效率提高10% ，燃油效率可提高 7%。

2、此外，車輛每減重100kg，CO2排放量可減少約5g/km。 由此可見， 伴隨輕量化而來的突出優點就是油耗顯著降低，汽車輕量化對于節約能源、減少廢氣排放、實現我國汽車工業可持續發展十分重要。 汽車車身約占汽車總質量的30%， 空載情況下， 約70%的油耗用在車身質量上， 因此車身的輕量化對減輕汽車自重， 提高整車燃料經濟性至關重要。同時， 輕量化還將在一定程度上帶來車輛操控穩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。 正是出于對減少能源消耗、減少污染物排放等目的，汽車輕量化技術一直以

3、來成為科研、汽車生產制造等重點探索方向。無論是對于傳統動力汽車，還是新能源汽車，輕量化所帶來的經濟效益和社會效益都相當可觀。目前，在汽車輕量化領域，正呈現技術、工藝和材料等多方發力局面。二、汽車輕量化的含義：汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制要求的條件下，將結構輕量化設計技術與多種輕量化材料、輕量化制造技術集成應用實現的產品減重。以上是世界汽車產業對汽車輕量化的普遍共識與認識。但在實現汽車輕量化的同時，一個非常重要的前提是：不能以犧牲車輛安全性和 NVH（噪音、振動、平順性）為代價，汽車輕量化必須在預定整車減重目標、整車成本控制目標、安全性目標和 NVH 控制水平的全面約束下進行

4、。 汽車輕量化并不是簡單地以縮小汽車的體積或者減輕汽車的質量來衡量。汽車的安全性、穩定性、舒適性和耐撞性等與汽車的質量有直接關系，所以，還需要考慮其經濟合理性，畢竟車屬于商品，要讓消費者接受它的價格。（1）對于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設計是降低重量而保持原功能不變，其輕量化的效果是直接的減重；（2）現有功能尚不能全部滿足要求或需要提升的汽車，輕量化設計是完善功能而保持質量不變；（3）既要提高改進性能，同時也使汽車減重。正因如此，汽車輕量化設計實際上是功能改進，質量降低，結構優化和合理價格的結合。三、汽車輕量化技術的發展歷史與現狀：汽車結構的創新化設計和特殊材料的使用是汽車輕量化技術

5、的重要組成部分。如果汽車車身結構設計合理，不僅可以減少材料的使用量，還能達到輕量化的目的。要想實現汽車輕量化，車身材料是非常重要的。相關研究表明，汽車輕量化技術主要可以分為以下四個方面：輕量化材料：實現汽車輕量化必須集成利用多種新材料和相關應用技術。 目前，汽車輕量化材料使用的主要是高強度鋼，其次是鋁鎂合金、復合材料及塑料。 其中，高強材料主要用于降低鋼板厚度，保證汽車結構和安全性能；低密度材料主要用于非結構件替換和減輕汽車質量。1） 高強鋼是輕量化的關鍵材料，它的大量使用既實現了整車輕量化， 又保證了汽車的安全性和可靠性，因此，高強鋼使用面廣且量大。1994年，為提高鋼鐵材料相比其它材料在車

6、身上應用的競爭地位，國際鋼鐵協會組織世界 18個國家35家鋼鐵公司并委托Porche公司，持巨資開展了超輕質鋼車ULSAB(Ultralight Steel Auto Body)項目。開發出的超輕質鋼車身質量為203kg，比同級別轎車車身質量平均減輕25%，與此同時車身扭轉剛度提高了80，彎曲剛度提高52，車身第一階固有頻率上升到60Hz，并且完全滿足碰撞安全性法規要求。1997 年開始，又開展了超輕鋼汽車附件ULSAC(Ultralight Steel Auto Closures)項目。通過將車門結構改用無框架形式，同時車門外板和車門管件均采用高強度鋼制造，在滿足所有結構性能要求的前提下減輕

7、車門質量36，而制造成本僅為133美元。2） 鋁合金是輕質材料， 具有良好的抗腐蝕性，應用前景良好。 近年來，鋁材在汽車上應用量增加很快，主要是板材、擠壓材、鑄鋁及鍛鋁，在車身結構、空間框架、外覆蓋件和車輪等處均有大量應用。HONDA 公司1989年面市的NSX是一體式的鋁車身結（單體構造車身），車身在融入輕量化設計理念之后，重量僅1270 公斤。采用此種結構的還有美洲豹新款“XJ”型轎車和福特公司的AIV轎車，AIV汽車總共使用鋁臺金270kg，比傳統鋼制汽車減輕200kg。綜合ASF與單體構造車身結構的優點，本田公司開發了Insight復合結構全鋁車身，最大限度的發揮鋁合金的優勢。與鋁合金

8、單殼體車身(NSX車)相比，Insight鋁復合車身所用的零件少 15，焊點少24。此外，與三門鋼車身Civic車相比，白車身的質量減小47而扭轉剛度提高38，彎曲剛度提高 13，同時具有很好的碰撞安全性。通用汽車公司開發的五座轎車Precept使用鋁合金制造車身。車身使用了49kg 鋁擠壓型材、64kg鋁合金板及 32kg鋁壓鑄件，與傳統鋼結構車身相比，Precept的車身質量減輕45%。3） 鎂合金是比鋁更輕的材料， 其體積質量僅為1.8 kg/m3，輕量化效果更明顯。 起初是用于殼體類、氣缸蓋罩蓋和方向盤骨架等件， 現在已經擴展到座椅骨架、車門、車頂、儀表盤骨架和支架類零件。20世紀90

9、年代，奔馳公司首先在中采用了鎂合金座椅，使車重明顯減輕。4） 塑料及纖維復合材料在汽車工業的應用也日趨增加，汽車上應用塑料件已達數百個。 在重型卡車上塑料和復合材料的應用已超過 150 kg， 由普通的塑料到高強度復合材料均有應用。其中尤以SMC和GMT的應用最為廣泛。5） 金屬基復合材料是 20 世紀 60 年代發展的新材料，80 年代之后進展很快。 汽車工業應用的 MMC 主要是纖維增強及顆料增強鋁基復合材料。 應用于發動機與剎車系統零部件。 發動機零件有缸套、活塞、連桿、活塞銷、搖臂和氣門挺柱。 在剎車系統應用于剎車盤和剎車轂。復合材料在整車車身上有一些應用，如通用公司的Johnson等

10、研制成功一款復合材料白車身，在滿足包括靜剛度、耐久性、碰撞安全性等結構性能要求前提下，比傳統鋼車身質量減輕了60。1994年，克萊斯勒推出了復合材料概念車CCV(Composite Concept Vehicle)，在節省加工時間約70的同時，CCV質量減輕2050。新型的奔馳 S 級車上總共使用了 180kg塑料及復合材料，其中有36kg的車身外零部件。優化設計：隨著汽車工業設計水平的不斷提高，很多汽車開始采用超輕懸架結構、高剛性結構來減輕其質量，常采用優化并排焊點、加強筋、減重孔等方式來達到輕量化目的；1)結構構建：汽車的優化設計主要針對車身與關鍵零部件總成2 個方面。優化設計中可以：1&

11、gt;優化車身的空間結構，滿足各種工作載荷；2>減小或減少車身多余的尺寸、零件數量和零部件厚度；3>優化零部件形貌，減少不必要的結構或用于增強的加強件數目。2)材料選擇:優化設計的核心是通過對汽車產品的合理設計，在滿足整車使用性和經濟性各項要求的情況下， 選擇并使用適當的輕量化材料，需要利用設計者的經驗和CAE 技術。前者的實質是輕量化數據庫建設，設計者的經驗可以通過積累獲得轉化， 成為輕量化數據庫專家系統的一環。 同時，從設計的靜動力學分析，到關重件生產工藝模擬，再到整車性能研究，CAE 技術的利用可以給出材料選擇的合理預判。3)工藝預置:汽車結構復雜， 它的工藝實現對整車能否達

12、到輕量化目標有著至關重要的影響。 汽車業的發展，使高強鋼、鋁鎂合金和復合材料不斷推出，也對應用工藝提出了新要求。 如：界別越高的高強鋼，在成形性上要求越高， 熱成形技術是個好辦法； 有的部件如轎車的副車架，形狀復雜且生產困難，液壓成形能提供一個解決途徑。 而通過 CAE 技術可以分析出這些工藝的可行性和路徑。4)試驗仿真:一切車輛的好壞，免不了試驗的驗證。 在輕量化的發展中，國外的汽車檢測法規甚至已經用 CAE 分析替代部分試驗測試， 其結果得到各界確認而成為標準要求。 對汽車輕量化影響最大的幾項總體和零部件的試驗包括：白車身彎扭試驗、白車身 NVH 試驗、白車碰撞試驗及保險杠碰撞試驗等，都可

13、以通過 CAE 技術得到良好的仿真結果。制造工藝：成形方法和聯接技術不斷創新，如柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術、薄壁制造技術等，大大減輕了整車的重量。1)熱成形技術的應用:既要輕量化又要提高汽車性能的一個手段就是采用高強度的輕量化材料。 其優點有：通過快速冷卻淬火，熱成形后制件強度得到大幅提高；成形性優良；降低壓機噸位；尺寸精度較高；零件表面硬度、抗凹性和剛度好。 目前，乘用車達到 Uncap 碰撞4 星和 5 星級水平的車型， 在主要的安全件中（A，B，C3 柱和保險杠防撞梁、 門防撞桿及保險杠防沖柱等）普遍采用了抗拉強度為 1 500 MPa，屈服強度為 1 200 MPa的馬氏體鋼，如

14、此高的強度之所以能夠實現，在于熱成形鋼材與工藝技術的發展，。 材料的加工成形性與屈服強度和延伸率有密切關系， 而材料的斷裂應變和屈服強度與材料的溫度有密切關系。在 900 時，熱成形鋼屈服強度下降至 150 MPa，斷裂應變達到50%以上，具有良好成形性和可加工性，在熱成形之后，隨之進行冷卻淬火達到高的強度， 并固定了熱成形狀態下的零件形狀。2)液壓成形技術的應用:液壓（內高壓）成形是指采用液態物質作為施力介質， 使坯料在施力介質作用下， 貼合凸模或凹模面成形。 它是一種柔性成形技術，可以為一些形狀復雜、強度高和成形性差的材料提供理想成形工藝。液壓成形分為板材液壓成形和管材液壓成形，在汽車工業

15、中，應用較多的是管材內高壓成形。 與沖壓焊接件相比，管材液壓成形的優點是：1>節約材料；2>減少后續工作量；3>由于焊接減少，可提高構件的強度與剛度；4>與沖焊件相比，材料利用率為 95%98%；5>降低生產成本和模具費用達 30%。3)激光拼焊板技術的應用:由于激光焊接技術的特殊性，焊接速度快，熱影響區小，因此，激光拼焊板材的成形性良好。 激光拼焊板技術將不同厚度、不同強度或不同表面處理狀態的板材通過激光拼焊集成一個大的板坯進行沖制，這樣可使模具的數量和后續生產工序減少， 從而降低了生產成本，并提高了零部件的質量，優化了零件結構，充分發揮了不同強度和不同厚度板材

16、的特性。 在汽車中采用激光拼焊板材后，可使零件質量減輕 24%，零件數量減少 19%，焊點數下降 49%，生產時間縮短 21%，其典型構件為：車門內板、側圍板、地板和一些車身高強度結構件。4)金屬半固態成形技術的應用:金屬半固態成形技術的特點是高效、高性能、低成本與節能環保，該技術經過多年不斷發展，日趨成熟。20 世紀 90 年代， 西方國家就已進入產業化應用階段，并對鋁合金在汽車結構零件中的推廣起到重要作用。目前，德國 EFU，法國 Pechiney，美國 Alunax公司，瑞士Alusuisse公司和意大利 Stampal 公司等，均已形成相當規模的產業，大量用于汽車零部件的制備。 鋁合金

17、半固態成形件單件尺寸與質量也不斷加大，意大利 Stampal和 Fiat 公司生產的半固態鋁合金零件重達 7 kg。5）連續變截面輥軋板：續變截面輥軋板(TRB)軋制屬柔性軋制技術，其原理是在軋制過程中通過計算機實時控制和調整軋輥間距，獲得沿軋制方向上按預定的厚度連續變化的板材，以取代應用日益廣泛的激光拼焊板。這樣的變截面薄板經加工后制成的汽車零部件具有更好的承載能力，且能明顯減輕車重。TRB軋制輥縫連續調整的關鍵是TRB板厚綜合系統數學模型的建立。 6）內離壓成形技術：內高壓成形是一種復雜的加工工藝，涉及到物理非線性和幾何非線性等大變形過程，對其進行細致的理論解析分析比較困難，因此需要采用有

18、限元模擬方法，分析缺陷產生的原因。目前研究的熱點集中在利用大型工程有限元分析軟件如DEFORM和 LS-DynaD等進行數值分析計算，模擬調整各個控制成形參數的匹配關系，研究成形極限圖，確定液體壓力和軸向進給量的匹配對內高壓成形質量的影響以準確反映成形過程，預報成形缺陷，獲得最佳控制工藝參數，從而對實際生產有重要指導意義。LCA在輕量化技術上的作用：汽車輕量化技術的發展， 一個重要目的就是解決汽車產量和保有量不斷增多對社會和經濟帶來的能耗、安全和環保 3 大問題。 LCA 是一種對產品的生產工藝及活動的環境負荷進行評價的客觀過程， 它通過對能量和物質消耗以及由此造成的廢棄物排放進行辨識和量化，

19、來評估能量和物質利用對環境的影響，以尋求改善產品或其工藝的途徑，是工藝評價的重要方法。 輕量化固然要減輕汽車的質量，但也要以不與汽車的 LCA 相違為前提，畢竟 LCA 追求的是產品全生命周期面向環境的設計， 可以最大限度地提高可耗竭資源的使用效率，減少材料與能量使用量；最大限度地使用可再生能源； 排除或最大限度地降低對能耗與環境不利的工藝的使用。自上世紀70年代以來，隨著材料技術和制造技術的進步，汽車自身重量在逐年減少，以美國為例，上世紀80年代初，中型轎車的平均質量為1520kg；90年代下降至1230kg。20 世紀 90 年代，奇瑞等汽車公司就開始進行相關試驗。20世紀末和21世紀初，

20、世界各國先后出現過百公里油耗3L的汽車。1998年德國大眾推出路波3LTDI，汽車自身質量只有800kg。奧迪公司開發全鋁型轎車Audi A2，汽車自身質量約900kg。目前，很多汽車的變速箱殼體采用的都是鎂合金材料，例如上海大眾桑塔納轎車。隨著鎂合金材料性能的提升，如果曲軸的箱體材料由鋁合金變為鎂合金，那么，其質量將會減輕 30%；如果能進一步改善鎂合金材料的抗蠕變性能，那么，自動變速箱的箱體也可以使用鎂合金材料制造。美國政府2009年5月公布一項汽車節能減排計劃，目標是2016年，美國國內生產的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L，CO2排放量也比現有車輛減少1/3。隨著時間的推移，我

21、國在汽車結構設計方面也取得了較大的進步，已經從依靠經驗設計逐漸發展為應用有限元等現代設計方法實行靜強度計算和分析的階段。在薄板沖壓工藝方面，上海通用、五菱與湖南大學合作，開展了深入的研究，而北京航空航天大學則利用開發的 CAXA 系統研究客車輕量化技術。中國汽車工程學會，一汽集團，東風汽車，吉利汽車，奇瑞汽車，長安汽車，上汽集團，北汽集團，長城汽車，中國汽車工程研究院，吉林大學，哈爾濱工業大學，華東理工大學，湖南大學，寶鋼，西南鋁業等15家，以及42家伙伴單位成員也已經組成聯盟。致力于在汽車企業與科研機構、高等學校之間、上下游產業之間建立有效運行的產學研合作新機制，實現聯盟成員的共同發展。近年

22、來，我國在汽車輕量化方面取得了不少成果。“九五”和“十五”及“十三五”期間，一批汽車新材料項目被列為國家“863”、“973”、“585”高新技術項目和國家科技攻關重大項目。此外我國政府也公布了汽車節能減排計劃，2016年1月1日起執行，每年將設置油耗達標值，直至到2020乘用車平均油耗降至5.0升/100公里，這些都促進了汽車輕量化技術的進步。四、汽車輕量化技術的發展方向 ：汽車工業作為國家經濟發展的支柱產業，目前正處于高速發展的時期，輕量化技術的運用并不成熟。面對新的能源危機和環境污染問題，對汽車輕量化的要求顯得越來越迫切。實現輕量化是衡量汽車工業技術成就的重要標志之一，目前汽車輕量化技術還處于不成熟的階段,未來將有很大發展前景。汽車輕量化的研發，一是要打破輕量化技術發展所涉及的眾多學科之間的壁壘，形成綜合性、系統性知識體系；二是國家應該發揮作用，作出戰略性和前瞻性的超前部署。汽車輕量化技術要以創新需求為紐帶，以