第五章汽车车身节能技术

第五章 汽车车身节能技术 车身造型的发展 车身造型设计的空气动力学 车身造型设计的发展趋势 第一节 车身造型第二节 车身结构轻量化 车身轻量化技术概述 车身结构轻量化的途径 车身结构轻量化的发展趋势 第一节 车身造型一、车身造型的发展马车状汽车 厢型车 船型 “甲壳虫 ”型 鱼型 楔型 子弹头型 二、车身造型设计的空气动力学概念1.汽车空气阻力系数图 5-8 汽车受到的气动力和力矩示意图 合成气流相对速度； 纵向气流相对速度； 侧向气流相对速度（侧风速度）； 横摆角，；D 车身纵向气动阻力 (x轴方向）；S 车身侧向气动阻力 (y轴方向）；L 车身垂直方向的气动阻力（ z轴方向）；PM 纵倾力矩（绕 y轴）；RM 侧倾力矩（绕 x轴）；YM 横摆力矩（绕 z轴）；a 轴距。 力和力矩 系 数横摆角 = 0时车身纵向作用的气动阻力 D 气动阻力系数垂直于路面的升力 L 升力系数垂直于车身对称面（ x， y）的侧向力 S 侧向力系数绕 x轴的侧倾力矩 RM 侧倾力矩系数绕 y轴的纵倾力矩 PM 纵倾力矩系数绕 z轴的横摆力矩 YM 横摆力矩系数表 5-1 气动力和力矩及其系数 2.汽车阻力特性 空气阻力所消耗的功率与车速的三次方成正比，在车速高的时候，空气阻力将是主要的阻力 。 图 5-9 行驶阻力与车速的关系1）汽车阻力分类总的空气阻力外部阻力 内部阻力形状阻力 诱导阻力 发动机冷却系阻力驾驶室内空调阻力汽车部件冷却阻力图 5-10 气动阻力组成图 5-11 气动阻力成分及其随车尾倾角的变化 CD 总阻力系数 CR* 摩擦阻力系数 CK*、 CS*、 CB* 分别为各部分阻力系数的贡献度2）压差阻力与表面摩擦阻力压差阻力和表面摩擦阻力的本质来自于气流的粘性。绕流作用在车身表面，产生了压力场和切应力场，如果当地的逆压梯度超过了一定的陡度，则造成气流从车身表面分离。当气流分离时，产生的压力分布与无粘流不同，随着产生的边界层厚度的增加，切应力减小，直至分离点减至零。对表面的压力和切应力进行积分可得到压差阻力和表面摩擦阻力，它们的总和就是包括诱导阻力在内的全部外部阻力。3）诱导阻力诱导阻力是伴随升力而产生的阻力成分：式中 : CL 诱导阻力系数；CDi 升力系数； 宽长比（总宽总长）； 修正系数。图 5-12 不同尾部外形的汽车的尾流流态图 图 5-13改变尾部倾角对气动阻力系数 CD及后轴升力系数CLR影响的一例3.降低空气阻力系数 CD的措施 改善轿车前端形状 改善后窗倾角和车顶拱度 正确选择离地间隙 放置扰流板 优化发动机舱内流场1）改善轿车前端形状。 图 5-14 改善轿车前端形状图 5-15 改善轿车前窗倾角、圆弧转角 2）改善后窗倾角和车顶拱度图 5-16 改善后窗倾角图 5-17改善车顶拱度3）正确选择离地间隙 图 5-18 离地间隙 e对 CD以及升力系数 CL的影响4）放置扰流板 图 5-19 车尾部扰流板对CD的影响 图 5-20 后视镜对 CD的影响5）优化发动机舱内流场 轿车在停车状态下冷却风扇运转时前部的空气流场 轿车在高速行驶状态下前部 的空气流场 冷却气流流过发动机舱各部位的示意图 序号 气流通过形式 空气阻力系数1 没有冷却空气（前部封闭） 0.2262 有冷却空气（下部无障碍流出） 0.2543 只从下部专门出口流出 0.2444 只从下部带有窄的横向通风槽流出 0.2365 只从侧面带有窄的横向通风槽流出 0.2356 只从上部带有窄的横向通风槽流出 0.223表 5-2 不同形式气流流过冷却系统后对汽车风阻系数的影响 冷却气流流经冷却系统的压力损失有 : 冷却空气经过进气格栅的压力损失为 PG； 流向散热器过程中沿程摩擦阻力和涡流而造成的压力损失为 PE； 流过散热器压力损失为 PK； 流经风扇的压力升高 PV。 某轿车冷却系统中压力变化场和冷却空气流场示意图 三、车身造型设计的发展趋势 车身造型进一步强调空气动力化。 发动机的布置形式。 设置前、后扰流板等气动力学附加装置，改善气流的流动状况。 车身乘员舱仍要处于前后轮之间，地板要尽量降低，以获得较大的室内空间及开阔的视野，保证乘员的舒适性和安全性。 优化车身细部外形，以减少车身表面的凹凸面和突起物。 目前世界上较为普遍的改善汽车造型的空气动力性能方法主要有：第二节 车身结构轻量化一、车身轻量化技术概述普通汽车自重质量每减轻 100kg，可节油 0.20.3L/100km，而轿车的质量每减轻 100kg，可节油 0.40.3L/100km；另外根据大量研究表明，当整车质量减轻 10%时，汽车的燃油经济性可提高3.8%，加速时间减少 8%， CO排放量减少 4.5%，制动距离减少 5%，轮胎寿命提高 7%，转向力减小 6%。车身是整个汽车零部件的载体，其重量约占整车的 40%60%。因此实现汽车车身轻量化是改善汽车经济性的有效方法。 汽车轻量化技术包括 汽车结构的合理设计 和 轻量化材料的使用 两大方面。在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构、超轻悬架结构、部件薄壁化、中空化，小型化及复合化等来达到轻量化的目的。在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的。目前主要是采用高强度钢材、铝镁合金，工程塑料和各种复合材料进行汽车轻量化设计。 二、车身结构轻量化的途径（一）车身结构轻量化设计1.变截面薄板及其在车身制造中的应用 用于车身制造的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板（Tailor Welded Blanks， TWB），另一种是通过柔性轧制生产工艺得到的连续变截面板（ Tailor Rolling Blanks， TRB）。TWB是根据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压。 TWB可以根据需要任意进行拼接，因而具有极大的灵活性，并且能按照等强度的概念优化设计一些原来是等厚度的车身零部件，把它们由原来的锻造加工转换为冲压加工，既提高加工效率，又节省加工能源。 TRB通过一种新的轧制工艺 柔性轧制技术而获得的连续变截面薄板。 TRB连续变化的截面提供了有利于后续成型加工的可能性。 TWB TRB减重效果较好 较好机械性能和应用效果TWB在沿长度方向上的硬度有跳跃式的变化 ,使后续的成型加工不便；焊缝无法彻底掩盖，不适宜用作车身外覆盖件材料，一般只用来制作内覆盖件或支承结构件。TRB具有较好的机械性能，沿长度方向硬度变化平缓，具有更佳的成型性能；零部件厚度可以连续变化，以适应车身各部位的承载要求；其表面变化是连续、光滑，可制作车身外覆盖件。工艺复杂程度可通过激光焊接工艺进行任意拼接；焊缝及其附近会产生局部硬化，需要一道热处理工艺来消除硬化效应，从而加大了工艺复杂程度。TRB不存在 TWB的焊缝问题，但受轧制工艺和轧机设备的限制，其厚度变化只能发生在板料的初始轧制方向上；此外，无法把不同金属材料的板料 “轧制 ”在一块整板上。2.TWB与 TRB的比较3.TRB应用中尚需解决的问题 车身覆盖件压模具的设计对于变截面薄板来说，原来基于等厚度板材所建立的力学本征模型、数值仿真模型及三维几何模型都不再完全适用了。需要花大力气重建这些模型，针对变截面薄板的具体变化特征来重新设计车身覆盖件冲压模具。 变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动性 变截面薄板的引入使车身覆盖件的冲压成型过程变得更为复杂，在同样的压边力和拉伸力条件下，板料各部位的变形不均匀，覆盖件的成型更难以控制。 板料回弹问题：对于 TRB来说，由于其本身结构的特殊性，即沿轧制方向连续变化的截面形状及由此引出的材料机械性能的非均一化，将会使工件回弹问题变得更为复杂。（二）车身结构轻量化材料的选择 使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等； 使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢； 使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。三、车身结构轻量化的发展趋势（一）我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题 需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系； 必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署，而目前此类机构尚未建立