汽车轻量化.ppt

汽车轻量化,作为有效的节能手段，汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一。汽车轻量化是国家节能减排战略的紧迫需要，更成为车企和全行业提高核心能力的现实需求。轻量化技术无论对传统汽车，还是新能源汽车，都是一项基础的共性技术。,-前言,汽车轻量化英文名称：LightweightofAutomobile,定义：汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。主要指导思想：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。,汽车轻量化不能以简单的减重多少来衡量，必须与所设计车身的尺寸和功能相关对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接的减重；现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计是完善功能而保持质量不变；既要提高改进性能，同时也使汽车减重。汽车轻量化设计实际上是功能改进，质量降低，结构优化和合理价格的结合。,汽车轻量化,汽车轻量化设计与整车性能之间关系,注：此统计数据来源于通用小轿车统计,汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用,（1）降低油耗：汽车行驶方程式为：F=Gf+Gsin+ma+CdAv/21.15其中：F为行驶阻力；G为车重；f为滚动阻力系数；为道路坡度；为汽车旋转质量换算系数；m为汽车质量；Cd为风阻系数；A为迎风面积；v为车速。等速百公里燃油消耗量：,其中，C为常数；F为行驶阻力，F=Ft+Fw,降低油耗,汽车行驶阻力越大，耗油越多。汽车行驶阻力包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力等四项，从上式可以看出，其中前三项均与车重成正比。经验数据显示，空气阻力约占行驶阻力的25。目前，减少这部分阻力的措施通常有：流线型车身、全粘接挡风玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等。这些措施能将风阻系数降到0.3，但这已到瓶颈，其进一步减小的可能性只能寄希望于更为流畅低矮的车身。只是这样不仅需要巨大的技术与资金的投入，且不适用于要求空间宽敞的日常用车，因而应该将目光转移到其它的阻力因素上。而剩下的75，即滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力，从公式可以看出，均与车重成正比。因此，减轻汽车质量，就成为减轻阻力从而节约燃油的重要措施。,结果表明，轻量化对汽车节能减排具有重要意义,汽车自身质量对燃油消耗的影响,各类车型的燃油效率与车身自重的关系,除空气动力学阻力之外,车子运动的各类阻力都和车子质量呈线性关系,诸多乘用车，车重减少100kg,每升油多行驶1km,降低油耗,降低油耗,实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提6%8%，汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.30.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。,车重与燃油利用率的关系,油耗与CO2排放关系,降低油耗是实现节能减排的有效手段,研究表明,约75%的油耗与整车质量有关,降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽车质量每下降10%，油耗下降8%,排放下降4%。美国在欧洲全顺车的实验表明,在满足欧标准条件下,每百公里油耗Y与自重X满足以下关系Y=0.003X+3.3434(1)对商用车的研究表明,汽车质量每减少1000kg,油耗可降低6%7%。油耗的下降,意味着CO2,氮氧化物(NOx)等有害气体排放量的下降。据报道,在美国汽车质量如果减少25%,燃油消耗按减少13%计,一年可节省2.7亿桶石油,每消耗1L燃油,将产生CO222.5kg。因此燃油消耗的降低,就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。,（2）改善性能,(2）改善性能：汽车轻量化，有利于改善汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能等多方面的性能。其中，发动机的轻量化还可改善前轮荷重分担率，进而改善汽车的操纵稳定性，还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。同时还有利于减轻部件振动和降低噪声，提高舒适性能，对于某些承载件，其承载的重量减轻，有利于降低元件疲劳，提高耐久性。例如一辆重量1543kg的汽车，若车重减轻25%，可使该车加速到60km/h的时间从原来的10秒减少到8秒。,改善动力性,汽车行驶方程式为：Ft=Ff+Fi+Fw+Fj其中：Ft为行驶阻力；Ff滚动阻力；Fj为加速阻力；Fi为坡道阻力；Fw为空气阻力。FtFw/G=+du/gdt令FtFw/G=D,D为汽车的动力因数，表示扣去空气阻力后单位车重得到的驱动力。动力因数越大，汽车的动力性越好。因此降低了汽车质量，相应动力因数增大，汽车的动力性增强。,(3)波及效果,(3）波及效果：汽车各部分的质量是相互关联的。例如，发动机质量的减轻，使有关底盘部分也可以相应地减轻，即汽车整车减少的质量将大于发动机减少的质量；又如，车身零部件的轻量化，使支承它的行驶系统（车架、车桥、车轮、悬架等）负荷减小，尺寸和质量即可适当减小，发动机和制动器也可相应减小、减轻。通常，当平衡系统中某个部位质量减少1kg，给予整个系统的波及效果是质量减少Kkg，称K为增长因子，K值因部位而异，汽车的K值在1.52.0之间。,轻量化设计的基本思想,在不降低性能的前提下，通过结构的优化，先进的工艺及轻质的材料应用，同时兼顾性能，质量及成本三大因素，达到最优轻量化目的，实现经济效益最大化。,轻量化设计的步骤,轻量化设计四部曲,减少用户不必要的功能,去除冗余结构,结构优化,新材料及新工艺使用,轻量化目标,以整车重量为管控目标，制定分解轻量化目标，基于成本及工艺考虑，采用轻量化设计四部曲的方法，对整车材料选择，结构优化及工艺实施进行全方位的考虑实施。,轻量化设计方法,面积和厚度减少,通过CAE分析，优化设计，减少多余的面积和厚度是取得轻量化设计的主要手段。,功能减少或体积减少,形状和截面更改,底盘支架拓扑优化,转向节臂结构优化,座椅框架优化设计,车门结构优化,材料更换,新工艺的使用,行业、企业、高校、院所联盟是推动汽车材料技术进步的有效组织形式,美国的新一代汽车合作项目（PNGV）欧盟超轻车身联合研发项目(ERCollaborativeR&DProject-SuperLIGHT-CAR)美国汽车材料合作项目U.S.AutomotiveMaterialsPartnership（USAMP）新型钢车身项目NewSteelBody（NBS）国际钢铁协会超轻钢汽车车身项目UltralightSteelAutoBody（ULSA）世界各大铝业公司结成了汽车铝材联盟（AutoAluminumAlliance）,中国汽车轻量化产业技术联盟工作任务典型车型轻量化技术轻量化材料的共性技术研究汽车轻量化材料的开发和研究轻量化联盟的主要成员单位中国汽车工程学会、一汽、东风、吉利、奇瑞、长安、重庆汽车研究院、吉林大学、哈工大、宝钢、西南铝业、中国石油天然气股份有限公司、石油化工科学研究院,铝合金板材在汽车车身上的应用,汽车车身约占汽车总重的30%，而在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使白车身减重约40%-50%，进而使整车减重10%左右,亨利福特ModelT型汽车福特Prodigy、JaguarnewXJ法拉利360等赛车DaimlerChryslerProwler大众3LLupo、奥迪A2、A8本田混合动力轿车Insight、NSX均采用铝制车身,典型的镁合金汽车零件,镁密集轻量化车身结构,Daimler-Chrysler-Benz轿车镁合金门内板AM50重量：2.5kg,FordJaguar轿车镁合金仪表板AM50重量2.07kg,AudiPP-GM40:3.8kg(2/3),2.8kg(1/3),NissanMurano,GMT,以连续玻纤毡为芯材,与热塑性树脂改性聚丙烯复合而成的片材。成型快，压力低，密度低，韧性好，可再生利用。绿色环保复合材料。用于座椅骨架可以显著减重，降幅可达50成本可降低1020,PP-GM40GMTexTM:10.5kg,长玻璃纤维增强聚丙烯（LGF-PP）STAMAX公司最近开发了一种高弹性模量复合材料LGF-PP，玻璃纤维的长度为1225毫米LGF-PP可取代现有的材料，用于仪表板托架、保险杠梁、防溅板、车门等零件图为用LGF-PP制造的福特Fiesta后车门，同钢车门相比，其重量减少了50,LGF-PP制造的福特Fiesta后车门,长玻纤材料用于高度集成的前端系统福特Fusion车型-集成了超过10个传统金属部于一个塑料部件,把多个金属零部件的功能集成在同一塑料零件上，如前端模块支架减轻重量40%降低制造成本,欧洲和美国SMC（复合材料）汽车部件用量最多应用领域包括悬架零件、车身及车身部件、发动机盖下部件、车内装饰部件等尤以保险杠、车顶、发动机罩、发动机隔音板、前后翼子板等部件用量最大,奔驰驾驶室,MAN驾驶室,结构泡沫实际上是一种泡沫材料聚氨酯、环氧树脂和尼龙玻璃纤维复合材料作为加强内衬用于轿车前端、摆梁（Rocker）、后侧骨架和保险杠，A型柱铰链柱结合部、车顶纵梁B型柱结合部等关键部位结构泡沫能吸收更多的冲击能量,碳纤维增强聚合物基复合材料。适于制造车身和底盘零部件减重幅度通常可达5065%欧盟最近采用树脂传递模塑成型(RTM)工艺成功地试制出某轿车碳纤维底板零件的数量由28个减少到8个，重量较钢约减轻50，而白车身的性能达到了原钢车身水平材料美国除低成本碳纤维制备技术开发外，还在进行碳纤维增强树脂的开发，探索碳纤维增强塑料零部件的大规模制造工艺,VW公司的1-L概念车，采用碳纤增强复合材料车身外壳，车身质量:290Kg,试制的轿车碳纤维底板,在2005年JEC展会中展出的复合材料车身结构,一款A级轿车轻量化工作：高强度钢目前现生产车型应用的品种有：烘烤硬化钢、加磷钢、低合金高强度钢、双相钢及TRIP钢在个别车型中，为了达到轻量化设计要求，满足碰撞法规，在设计中使用了780MPa和980MPa高强度钢应用研究：双相钢980Y原从日本进口，现与宝钢合作试制；将在一车型中研究成形性及回弹补偿工艺完成TRIP钢与HSLA钢点焊工艺研究进行门防撞梁（强度1200MPa）冷成形工艺研究,一汽高强度钢应用技术,一汽卡车大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产CA1092车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄BH340烘烤硬化钢板共有23种零件，BIF340钢板共有18种零件，两种钢板每车用量228kg，单车降重约21kg高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车驾驶室上41种零件的应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的8提高到当前的57.6,一汽与韩华综化（北京）合作完成了V221车型GMT材料保险杠加强板的开发,一汽热冲压成型轻量化制造技术研究,高强度钢板防撞梁等零件成形工艺研究与大连理工大学合作在长春建生产线现为一汽大众试制部件，逐渐为一汽集团配套生产,一汽卡车大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产CA1092车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄BH340烘烤硬化钢板共有23种零件，BIF340钢板共有18种零件，两种钢板每车用量228kg，单车降重约21kg高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车驾驶室上41种零件的应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的8提高到当前的57.6,一汽滚压成型技术应用研究,滚压设备模型,车门窗框、前后保险杠骨架采用了滚压成型技术；高强度钢板纵梁的成形试验研究；北方工业大学试制一种柔性滚压设备，生产变截面零件；正协商一种零件的柔性滚压技术，已发去数模。,滚压成型窗框,滚压成型窗框断面,奇瑞轻量化材料的应用,长安轻量化材料技术,白车身高强度钢应用示意图,吉利NL-1车型已采用的轻量化技术大量应用高强度钢板241.1/445.6=54.2%，车身减重39.3Kg(39.3/484.3=8.1%),采用激光拼焊新工艺：减重1.66Kg；设计已完成,正在进行模具开发,厚度1.8mm,厚度1.2mm,厚度1.6mm,厚度1.2mm,左/右中柱加强板,左/右门槛加强板,此部位减薄0.6重量减少1.04Kg,此部位减薄0.4重量减少0.62Kg,NL-1前横梁总成采用GMT减重2.86kg,东风驾驶室钢板材料技术应用,驾驶室共有冲压件539种约有160余件采用高强度钢冷轧板340MPa热轧板510MPa用量约86,我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题,目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距。轻量化技术的发展主要面临如下问题：1、轻量化技术涉及众多学科的研究领域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,而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发很少开展各技术间的交叉与融合2、汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成。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。3、产、学、研结合不够紧密没有明确定位、合理分工。基础研究和技术开发研究的有机衔接不够。企业规模小而分