（车辆工程专业论文）燃料电池汽车轻量化技术研究.pdf

摘要 摘要 由于能源危机和环境问题的日益突出，现阶段世界各国均十分关注新型能源 汽车技术。其中，燃料电池电动汽车( f c e v ) 具有节能和清洁双重优势，成为当 前新能源汽车技术中，最有前途的解决方案之一。我国在燃料电池汽车的研究走 在了世界的前列，目前研制成功的“超越三号 燃料电池轿车各项性能指标都达 到了世界先进水平。但是由于燃料电池汽车的特殊性，使得整车结构设计和总布 置存在很多困难，而且整车质量较传统汽车大大增加。这些对燃料电池汽车的性 能影响重大，尤其是超重。 因此本文从燃料电池轿车“超越三号”轻量化研究入手，详细说明了汽车轻 量化对能源、环境和汽车( 尤其是燃料电池汽车) 性能的重要意义。进而指出了 “超越三号 整车轻量化研究的整体思路。由于时问和条件的限制，本文主要介 绍了当今世界先进汽车轻量化设计的概况和作用，包括轻量化材料的使用和计算 机辅助结构分析和优化。接下来主要介绍了目前汽车用轻量化材料的使用情况和 性质。接着结合“超越三号”的具体情况，对其白车身进行结构分析与优化，即 在验证和指出了原车的性能和问题的基础上，对白车身修改件进行优化分析，使 得白车身自重大大降低。这些都建立在白车身性能不受影响的基础之上。然后， 本文对原车设计的副车架进行全方面分析和校核，研究副车架工作环境和特性。 在优化软件的协助下，对原副车架进行结构优化和重新设计。对新设计的副车架 进行校核，并且进行疲劳仿真分析。经过与实验对比分析得出，新副车架在轻量 化的同时各项性能都较原件有很大的改善。最后，本文分析了汽车轻量化的发展 前景，为燃料电池汽车的轻量化项目的进一步开展提出了建议。 本文融合了轻量化与燃料电池汽车这两个未来汽车发展的主要趋势和概念， 具有非常重大的科研和现实意义。 关键词：轻量化，结构优化，轻量化材料，白车身，副车架，强度刚度校核。 a b s t r a c t a b s t r a c t o w i n g t ot h ei n c r e a s i n g l yo u t s t a n d i n ge n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ， w o r l d w i d ea t t e n t i o nh a sb e e nd r a w e dt ot h ea l t e r n a t i v e - e n e r g y - b a s e da u t o m o t i v e t e c h n o l o g yi n t h i sp h a s e a m o n gt h e m ，f u e lc e l le l e c t r o n i cv e h i c l e s ( f c e v ) h a s a s c e n tt ot h em o s tf u t u r e p r o m i s i n gs o l u t i o nd u et oi t sd u a la d v a n t a g e so fe n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y t h ef c e vr e s e a r c ho fo u rc o u n t r yi so nt h et o po f t h ew o r l d ，t h ep e r f o r m a n c eo ff c e v “c h a o y u en o 3 i s v e r yg o o d , w h i c hi s p r o d u c e dr e c e n t l y b e c a u s eo ft h es p e c i a l i t yo ft h ef c e v , t h e r ea r el o t sd i f f i c u l t i e si n t h es t r u c t u r ea n dl a y o u td e s i g n ，a n dt h et o t a lw e i g h ti sm u c hm o r eh e a v i e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a l lc a lt h i si sag r e a td i s a d v a n t a g eo ft h ef c e v , e s p e c i a l l yt h e o v e r w e i g h t s o ，t h i sp a p e rs t a r tf r o mt h er e s e a r c ho ft h el i g h t w e i g h tt e c h n o l o g yo f “c h a o y u e n o 3 ”，p o i n t so u tl i g h t w e i g h to fv e h i c l e si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ee n e r g y , c i r c u m s t a n c ea n dt h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l e ，e s p e c i a l l yt h ef c e v a n dt h e nt h ep a p e r i n t r o d u c e st h ec e n t r a ls t r a t e g yo fm a s s r e d u c i n go f “c h a o y u en o 3 ”b e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o no ft h et i m ea n dc o n d i t i o n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fl i g h t w e i g h t d e s i g no ft h ew o r l db r i e f l y , i n c l u d i n gt h eu s eo ft h el i g h t w e i g h tm a t e r i a la n dt h e c o m p u t e ra s s i s t a n te n g i n e e r i n ga n do p t i m i z a t i o n a n dt h e nm i a n l yi n t r o d u c et h eu s e a n dt h ec h a r a c t e ro fv a r i e t yk i n d so fl e i g h t w e i g h tm a t e r i a l s ，a n dd os t r u c t u r ea n a l y s i s a n do p t i m i z a t i o no fc a rb o d yo f “c h a o y u en o 3 ，t h er e s u l ti sw e i g h to ft h ef c e v m u c hl i g h t e rt h a nb e f o r e t h i sa t ea l lb a s e do nt h en oi n f l u e n c eo ft h ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l e c o n s e q u e n t l y , t h ep a p e rd of u l l a n a l y s i sa n dp r o o ft ot h es u b f r a m eo f “c h a o y u en o 3 ”，d ol o t so fr e s e a r c ho ft h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dt h ec h a r a c t e ro fi t a n dt h e n ，t h ep a p e rd os t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dr e d e s i g no ft h es u b f r a m e a l s od o f u l lp r o o fo ft h en e ws u b f r a m e ，a n dm a k e f a t i g u es i m u l a t i o no fi t a f t e rc o n t r a s to ft h e r e s u l to fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，w ek n o wt h a tt h en e ws u b f r a m ei sm u c hb e t t e r t h a nt h eo l do n e a tl a s t ，i ta n a l y z et h ef u t u r eo fl i g h t w e i g h tt e c h n o l o g ya n dg i v e s s u g g e s t i o n sf o rf c e v t h i sp a p e rc o m b i n e st h et w oi m p o r t a n t c o n c e p t sa n dt r e n d so fa u t o m o b i l e i n d u s t r y , f c e va n dl i g h t w e i g h t ，w h i c hg i v e si tg r e a ts c i e n t i f i c a la n dr e a l i s t i cs e n c e k e yw o r d s ：l i g h t - w e i g h t ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，l i g h t - w e i g h t m a t e r i a l ，b o d y i n w h i t e ， s u b - f r a m e ，c a l i b r a t i o no fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书 i指导教师签名：学位论文作者签名： 1 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 汽车轻量化的时代背景及国内外发展现状 近1 0 多年来，世界汽车工业面临着三大问题：能源、公害和安全。众所周知， 车用燃油是全球石油消耗的重要组成部分，全球汽车的石油消耗量达到每年9 0 亿桶， 约占世界石油总产量的4 0 ( 2 0 0 3 年数据) 。为了应对可能的能源危机，在不降低汽 车性能的情况下，降低汽车的油耗具有重大的现实意义。从环境角度看，汽车每年向 大气中排入的二氧化碳量多达4 0 亿吨，占世界上全部二氧化碳排放量的2 5 。而其 他汽车排放物如氮化物，硫化物，p m 等也是大气污染的重要因素。因而各国政府先 后制定了能源保护，废气排放，噪声和安全的有关法规。汽车技术的发展主要是围绕 这三大问题进行的，其中能源问题尤为突出，可以说是汽车工业发展与变革的动力。 欧、美、日等国家在数年前已开始重视能源及环保的议题，并制定相关法令。轻 量化，环保回收及节约能源已经成为全球汽车产业发展的趋势。而我国国家质量监督 检验检疫总局和国家标准化管理委员会亦于2 0 0 4 年1 0 月2 8r 联合发布了我国首个 油耗强制性国家标准一乘用车燃料消耗量限值( g b l 9 5 7 8 - - 2 0 0 4 ) ，该标准对我国 汽车的燃油消耗作了上限规定，将分两个阶段实施。新标准的实施有望减少因为汽车 保有量r 益增加而能效较低所带来的能源浪费。标准第一阶段实施后我国现有的汽车 油耗水平将降低5 - 1 0 ，第二阶段实施后油耗将比现在降低1 5 以上，这将使汽 车厂商更注重汽车的节能降耗。此外，单从汽车销售的角度来看，随着油价的不断攀 升，汽车的油耗也越来越成为影响国家政策及消费者选择车型甚至是决定是否购车的 重要因素。 那么，怎样才能有效降低车用油耗呢? 首先，汽车行驶阻力越大，耗油越多。 让我们先来看一下汽车行驶方程式 f ；g 厂+ g 。s i n a + 6 肌。a + c d 。彳。y 2 2 1 1 5 ( 1 1 ) 其中，f 为行驶阻力，g 为车重，为滚动阻力系数，a 为道路坡度，6 为汽车 旋转质量换算系数，m 为汽车质量，l d 为风阻系数，彳为迎风面积， ，为车速。 我们知道，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2 5 。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，下地板全封装等等。这些措施能帮助人们将风阻系数降到o 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，而且不适合要求空间宽敞的日常用车，因而应该将目 第1 章绪论 光转移到其他的阻力因素上。而剩下的7 5 ，都跟车重密切相关。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。 汽车轻量化是当代国内外汽车工业发展的一个重要课题，对其基本要求是： ( 1 ) 在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度的减轻各零部件的质 量，降低燃耗，减少排放污染。 ( 2 ) 在使汽车减轻质量、降低燃耗、减少排放的同时，努力谋求它的高输出功 率、高响应性、低噪声、低振动、良好的操纵性、高可靠性和高舒适性等。 ( 3 ) 在汽车轻量化的同时，汽车的价格应当下降或保持在合理水平，具有商业 竞争能力，即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。 近年来汽车轻量化对于汽车技术的不断发展起到了重要作用，其显著效果是： ( 1 ) 降低油耗：汽车轻量化使汽车的滚动阻力、加速阻力、爬坡阻力减小，这 些都可以降低油耗。同时，如果使动力性能不变，通过恰当的齿轮传动比也可以使油 耗降低，轿车每轻量化1 可降低油耗0 6 1 0 。 根据宝马公司的研究结果，汽车自身质量每减轻1 0 0 k g ，可节油o 3 一o 8 i _ 1 0 0 k i n 考虑到不同车型质量的不同，整车质量每降低1 ，油耗可减少o 6 0 8 如果以 2 0 0 2 年全球汽车总产量为5 8 0 0 万辆，每辆行驶寿命1 0 万公里计算，则仅这一年生 产的汽车在整个寿命期间就能节约燃油3 4 8 x1 0 1 0 l ，即2 2 亿桶( 1 5 9 i _ 桶) 。t 3 5 1 ( 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。同时，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：一辆重量为1 5 4 3 k g 的汽车， 若车重减轻2 5 ，就可使该车加速到6 0 k m h 的时间从原来的1 0 秒减少到8 秒。 ( 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( 车架、车桥、车轮、悬架等) 负荷减小， 尺寸和质量即可适当减小。同时，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l k g ，给予整个系统的波及效果是质量减少k k g ，称k 为增长因子，k 值因部位而异，汽车的k 值在1 5 _ 2 0 之间。 然而现在随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性要求的提高，汽车上空调、安 全气囊、隔热隔音装置、废气净化装置、卫星导航系统、车载娱乐系统、无线电通讯、 电子控制等设备越来越普及，这些装置无不在增加汽车的重量。以大众g o l f 车型为 例，在过去的3 0 多年内重量从7 5 0 k g 增加到1 0 7 0 k g 【3 】。汽车不断增加的装置和汽 车轻量化的矛盾正不断挑战这汽车工程师。 正是在这样的原因和背景下，汽车轻量化技术成为了具有严肃现实意义的重要课 第1 章绪论 题。行业公认，轻量化已经成为未来汽车发展的趋势之一。 目前国内外汽车轻量化技术的发展迅速，主要的轻量化措施是： ( 1 ) 轻量化的结构设计和分析，而且这种设计已经融合到了汽车的前期概念设 计阶段。在现代汽车工业中c a d 删c a m 一体化技术起着非常重要的作用，涵盖 了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。 ( 2 ) 轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等， 并在前期与结构设计融为一体，以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究、 应用。福特汽车公司负责研究工作的副总裁d r w i l l i a nep o w e r s 在一次国际材料学会 议上强调指出，2 1 世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术是推动汽车技术进步 的关键，轻量化是今后汽车发展的关键：他认为，虽然通过优化目前所应用材料的设 计可以减小质量，但是大幅度地减小汽车质量，则要考虑汽车零件尽可能选用低密度 的材料。 1 2 燃料电池车轻量化的紧迫性 燃料电池车作为一种以燃料电池作为电源的电动汽车，具有能耗低、热效率高、 零污染、过载能力强等特性，对于缓解如今全球所面临的紧迫的石油紧缺和日益严重 的环境污染问题有着重大而深远的意义。我国政府对此亦十分重视，将燃料电池车的 研发列为九五期间重大科技产业工程项目一8 6 3 项目。由同济大学牵头，我国自主研 发的新一代氢燃料电池轿车“超越三号”即是在这种大环境中，于2 0 0 5 年试制成功。 对于电动汽车来说，由于目前车载电池的比能量和比功率仍然偏小，无法使车辆 达到足够大的加速性能和续驶里程要求，而且其对布置空间要求较高，对车身总布置 影响较大，所以减轻自身质量对这一类汽车就显得更为重要。 虽然“超越三号 燃料电池轿车已经研发到第三代，但是目前燃料电池技术尚处 于起步阶段，我国自行研制的燃料电池发动机及其辅助系统、与其配套的电动机、蓄 电池等重量都较大。而且由于燃料电池汽车的特殊性，车身在上海大众桑塔纳3 0 0 0 车身的基础上进行了较大的改动，增加和改制了很多部件支架和加强结构。因此虽然 和“超越二号”相比“超越三号减重超过1 0 0 k g ，但是和其平台车桑塔纳3 0 0 0 相 比，“超越三号”仍然超重很多，严重影响了该车的各项性能，甚至成为制约其发展 的一大瓶颈。因此对燃料电池车进行轻量化已经成为一个十分重要而且必要的课题。 虽然超越三号在各主要总成( 特别是动力系统) 载荷上较超越二号有了较大的改 观，又除去了底盘车架，但其总质量仍然是相当可观的。于目标质量相比仍然超重数 百公斤。而对于燃料电池车而言，由于其仍然仅处于开发阶段。故各方面性能仍不完 善，所能提供的动力有限，而在这样的前提下，努力减轻超越三号的重量，提高其有 限动力的利用效率，提高行驶速度及续驶罩程，将是当前燃料电池车的一个重要研究 第1 章绪论 方向。只有这一步获得了成功，才能谈得上将来进一步设计批量生产车型的目标。 4 第1 章绪论 1 3 燃料电池车轻量化的整体思路 参考国内外轻量化技术发展的先进水平，根据超越三号燃料电池车的具体情况， 现拟定如下整体轻量化思路： ( 1 ) 轻量化车身结构设计与分析：对“超越三号 燃料电池车车身进行分析， 并根据现有总布置方案提出改进意见，指导后续车辆的设计改进，在轻量化的同时提 高该车的可靠性。同时提出可以适用新材料的部件。对车身的分析包括：白车身刚强 度、模态分析与优化，各主要部件及总成支架刚强度分析与优化，整车疲劳分析与优 化，n v h 分析与优化，整车碰撞分析与优化，整车动力学分析与优化。由分析与优 化结果和实际情况指导后续样车设计改进。 ( 2 ) 轻质材料研究与应用：对适用轻量化材料的部件进行生产工艺、方案成本、 使用环境等方面的研究。运用c 觥a e 技术进行新材料替换后的部件和整车仿真， 对比进行新材料试验，确定方案，指导试制生产。 ( 3 ) 整车试验：对试制样车进行各种实验室台架试验和整车路试以验证各种性 能，并发现和解决问题缺陷； ( 4 ) 轻量化设计基础理论研究：进行必要的设计理论，数学物理方法，化工技 术等方面的基础研究工作。 ( 5 ) 样车试制研究：对轻量化样车进行试制，发现和解决实际制造工艺问题， 改进原设计。 综上所述，轻量化技术是一项涉及基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证的 内容丰富涉及广泛的课题，必将经历一个长期努力的探索过程。本文将着力于轻质新 型材料的研究以及部分车身结构优化分析两大部分。 第2 章车用轻量化材料 第二章车用轻量化材料 使用轻量化材料是汽车轻量化的重要方面。通过更换材料实现轻量化有两个途 径：一是使用同密度、同弹性模量的，而强度高、工艺性好的材料代替原有的材料， 如高强度钢。二是使用密度小、强度高的材料代替原有的材料，如轻合金、塑料及其 复合材料、陶瓷等。但是车用轻量化材料的选择标准并非只要质轻就可以的。汽车的 工况和环境条件复杂多变，汽车材料必须满足的前提是在各种工况和环境下都保证能 满足机械、热力、化学等各方面的要求。经过多年来的的研究和实践，汽车设计工程 师们已经得出了对于车用轻量化材料的期望性能的一个列表，如：密度低；屈服极限 及强度极限高；弹性模量及刚度高；持久疲劳极限高；机械性能的温度稳定性好等等。 此外，对于一些特殊零部件所用材料，还有抗腐蚀、抗老化、抗冲击变形等。由 此可见，用于轻量化的材料要满足的条件是十分苛刻的。迄今为止还没有出现能够完 全满足所有要求的理想材料。因此轻量化工程师的任务往往是根据零部件的特点，综 合权衡各项性能要求，寻找最合适的材料。 目前为止，在轻量化方面意义较大的材料有：铝合金、镁合金、高强度钢、工程 塑料和复合材料等。下面将简要叙述这些材料的实际应用情况。 2 1 铝合金 铝在汽车上最早应用的记载是在1 8 9 6 年，印度人用铝做了汽车的曲轴箱。到了 2 0 世纪，在欧美开始出现全铝车身的汽车，如f o r d 公司著名的t 型车就是铝制车身。 1 9 7 8 年世界中级轿车的车均铝材耗量为3 2 k g ，1 9 9 8 年增加到8 5 k g 。据美国金属市场 的统计，2 0 0 1 年这一数字已达到1 1 3 5 k g ，并预测2 0 0 8 年每辆轿车的铝使用量将进 一步上升到1 5 0 k g 。1 5 1 ( 1 ) 铝作为轻量化金属的优势 从以上数据可以看出，从上世纪7 0 年代起，也就是第一次石油危机以后，铝在 汽车上的用量开始迅速增长，究其原因，正是由于其对汽车轻量化的重要作用。 第一，铝的机械性能好。铝的密度只有钢铁的1 3 ；具有良好的导热性，仅次于 铜；机械加工性能比铁高4 5 倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝 的铸造工艺性能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。随着铝合金技术的发展，铝中添 加镁、铬、硅等合金元素可获得高强度铝合金材料。车用普通钢材的强度约为2 4 0 m p a 左右，高强度钢为5 0 0 - - 7 0 0 m p a ，而车用铝合金的强度现在可以达到5 0 0 m p a 以上， 因此铝合金的比强度( 强度密度) 更高，在等强度设计条件下，铝合金轻得多，可 使发动机缸体和缸盖减重3 0 - - 4 0 ，全铝车身比钢车身轻4 0 以上，铝合金车轮减 第2 章车用轻量化材料 重达5 0 左右。 而且，铝合金带来的轻量化又允许制动器、悬架等零部件减重，即二次轻量化， 后者轻量化效果大概是前者的5 0 。美国的一项研究报告表明，采用铝材料，整备 质量为1 4 8 3 6 k g 的轿车，在保持全部性能的前提下，车身质量能降低1 2 5 咤，其次足 发动机零部件质量降低5 4 k g ，其它总成和零部件减重效果也是明显的如悬架系降 低2 9 k g ，传动系降低1 4 5 k g ，车轮降低1 1 8 k g ，制动系降低1 0 , 9 k g ，燃料系统降低 9 k g 转向机构降低5 k g ，排气机构降低4 k g 等等总计减重超过2 6 0 k g ，达到1 75 。 第二，铝吸收冲击的能力是钢的两倍。有人称使用强度比钢铁差的轻质材料一定 会损害车辆安全性，这是绝对不真实的。使用铝材进行轻量化，由于铝材的吸能性好， 在碰撞安全性方面有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生皱褶，能吸收大 量的冲击力，从而保护了后面的驾驶员和乘客。而且由于车身质量的减轻，可以更快 捷的转向或刹车，就有能力更好的避免事故发生，这样对驾驶员、行人或对方车辆的 安全性都有利。即使碰撞，碰撞时的动能也会减小，也能相应降低冲击力。 - ：i 一一， 一2 ：，一。 - 一f _ 、c 一 。一= ，：一 图2 1 锅材受碰撞后变形模式：前部人收缩，后部儿乎不变形 第三，铝易于回收再生。汽车工业要成为绿色产业，就要求汽车的制造、使用、 回收全部过程尽量少污染。近年来，为了保护环境，节约资源，各国对报废汽车材料 的回收与再生都非常重视。日本在1 9 8 9 年通过了“再生资源利用促进法”，各汽车公 司分别成立了“废车再生研讨委员会”，认真贯彻实施该法案。法国的标致雪铁龙和 雷诺公司于1 9 9 3 年与政府签订了协议，保证到2 0 0 2 年，他们生产的汽车报废时材料 的再生利用率由7 5 提高到8 5 ，同时协议还规定，今后在设计和制造汽车时，汽 车的装配应考虑报废时便于拆卸。欧盟也立法规定，在2 0 0 2 年6 月之后生产的新车 将来的报废费用完全由生产厂家承担，从2 0 0 6 年起必须保证占车重8 5 的材料可以 回收，到2 0 1 5 年要达到9 5 。 在这种重视回收再生的大背景下，铝材的优势非常明显。铝制品在使用过程中几 乎不发生腐蚀或仪发生轻微的腐蚀损失，工业上使用的常规材料中，铝的回收价值率 是最高的。而再生铝的能耗仅相当于从铝_ _ f ：矿开采到电解浇铸成原铝锭所需能源的5 ，在铝材一铝制品一使用一回收再生铝锭一再加工成锅材的循环过程中，铝的损耗 也仅5 左右，其再生性能比任何一种常用金属都高。2 0 0 1 年美国市场供应的铝材 第2 章车用轻量化材料 1 3 来自回收再利用；2 0 0 0 年，西方国家铝总产量2 5 0 0 万吨，回收再生的7 0 0 万吨， 占2 8 。 目前汽车用铝的8 0 可以回收，估计到2 0 1 0 年，可达9 0 。 第四，铝有着丰富的资源，从地壳中元素含量来看，以重量百分比计算，在氧、 硅之后，铝占第3 位( 8 1 ) ，明显的超过占5 的铁。 ( 2 ) 铝材在汽车上的应用 第一：车身 车身质量约占汽车总质量的3 0 以上，车身的质量减轻，对于汽车轻量化具有 很大的意义。众所周知，车身通常由主体结构加上车身板件组成。 对于主体结构，近年来各大厂商推出的概念车，在车身结构上大多采用以铝型材 为主的无骨架式结构或空间框架式结构。这种结构适用多品种小批量生产，改型容易， 车型、车身多样化；绕开了铝合金不易冲压的缺点，不需要大型冲压设备，可节省投 资；减少部件数量，可选任意断面铝材；减少工时，缩短生产时间；大幅度减轻质量， 节约燃料。 空间框架式结构，即a s f ( a u d is p a c ef r a m e ) 技术，产生于奥迪公司，是指由 铝挤压成型的多种盒形断面的梁构成空间框架。这种梁有直的也有弯曲的，梁的壁厚 比相同尺寸的钢要增加0 7 0 8 倍。空间框架的构造是由真空压铸铝件完成的。这种 铝铸件强度高，多用在应力集中的节点处，主要的承载部位通过m i g 焊接方法连接。 这种压铸铝接头件的高强度是通过优化结构和增加壁厚来达到的。铸件能够做成很复 杂的形状来满足结构需要，并保证车身节点有最佳的刚度。车身外覆盖件是由铝合金 板冲压加工制造，铝板的厚度比钢板要增加0 2 一o 2 5 倍，有的覆盖件的加强板也采 用了挤压铝型材。覆盖件与框架的连接是通过冲压铆钉铆接完成的，铆接的强度比点 焊高3 0 ，在所有的连接中铆接占6 8 ，其它的连接方法有弯铆、粘接等。在车门 防撞结构中，采用了具有网状断面的挤压型材做防撞梁，并且把车门与支柱、门槛等 骨架设计成有重叠部分的结构，能很好地满足防撞要求。奥迪公司采用a s f 技术， 于1 9 9 4 年和1 9 9 9 年分别推出a 8 和a 2 全铝轿车。铝挤压型材、铝真空压铸件及铝 合金板是构成其车身的三种基本元素，使这两款车的车身质量比传统钢制车身减轻 4 0 ，a 2 的总车质量只有8 9 5 k g ，而车身的静态扭转刚度反而大大提高，而a 8 更是 被评为1 9 9 4 年全世界1 0 0 项重要科技成果之一。目前，a 8 与a 2 每年分别制造1 3 0 0 0 辆和5 0 0 0 0 辆，因此a 2 已经成为世界第一款真正意义上大批量生产的全铝轿车，而 它的钢铁材料的比例已降至惊人的3 4 ，铝合金比例则达到2 8 8 ，这两个数字对 世界汽车工业具有某种重大变革性的意义，其影响必定深远。d u 第2 章下川轻萤化材科 峨国 酗z 2 a 8 的全铝午身 对于车身板件，铝合金扳也能在保持钢板件性能的同时实现减重的目的。比如 3 l l u 车的前盖板及侧田板就是全铝制造，分别减重4 2 k g 和3 a k g ，整个车门也是 铝制造的，减重达1 6 k g 。 市场上能看到的全铝车还有b m w7 8 、f g r r a r i 3 6 0 、h o n d ai n s i g h t 、雷诺s p i d e r 等，但都小批量生产。 第二：底盘和车轮 目前汽车底盘也广泛使用铝合金材料，如离合器壳、离合器分离圆盘、变速器壳、 变速器换档拨叉、车桥、转向器壳、制动鼓、制动嚣活塞和制动器主汽缸等。奔驰公 司新一代s 系列轿车有好几种底盘部件都是使用铝合金材料的，例如其前桥整体支承 结构就是铝台金材料为真空压力铸造，质量只有1 0 5 k g ，与钢件相比轻3 5 。 车轮方面，因为质轻、散热性好并具有良好的外观，铝制轮毅逐渐代替了钢轮毂。 铝的热容量犬导热能力是钢的5 倍，在今天车速不断提高的情况下意义非常重大。 轮胎与地面摩擦越强烈所产生的热量越高，而轮胎的寿命也就越短，铝合金车轮更 好的散热性可延长轮胎寿命1 2 ，避免高速时爆胎的发生，增加了行车的安全性。 而在行驶时铝轮毂形成的美妙的银线也进一步提高了车的品位。因此，在车轮制造业 中已有越来越多的厂家采用铝制轮毂，目前铝合金车轮的安装达到4 5 左右。 第三：发动机。 很多汽车公司都在发动机的活塞、散热器、油底壳、缸体和缸盖、曲轴箱、连杆、 滤清器、发动机架等部件上采用铝台金材料。据统计，到2 0 0 0 年。世界汽车有2 5 的发动机气缸体和气缸盖是使用铸铝合金生产，进气歧管也逐渐改为铝合金材料。发 动机使用铝材不光是带来了减重省油的效果。现在的轿车发动机多为前置，造成前重 后轻，为了保证良好的操纵稳定性和乘坐舒适性，必须平衡前后质量。宝马公司一位 董事会成员就说过：“铝合金帮助我们成功解决了前、后轴质量的平衡问题。”宝马新 7 系发动机中的很多部件就由铝合盒加工而成，另外还采用了铝合金引擎盖、铝合金 保险杠。 除了以上这些以外，铝合金材料还被广泛用于车门、发动机罩、行李箱罩、地板 和翼子板、座椅等，铝合金在汽车上已经无处不在。 第2 章下刖轻量化材料 图2 3 奔驰s 级轿车上的铝件；前盖板、前围板、副车架、后桥、气缸件等 ( 3 ) 错材面临的问题 在制造技术方面，铝制车存在不少难点： 首先，铝合金的加工难度目前比钢材要大得多，成型性还需继续改善。铝合金板 材的局部拉延性不好，容易产生裂纹，所以在结构设计时要尽可能地保证形状不突变， 让材料容易流动以避免拉裂。又比如车身大部分的工件是靠冲压成形，铝合金的冲压 性能不好，不能沿用；车身大部分的部件是焊接组装，但由于铝导热性好，在焊接时 要用相当于钢板焊接时5 倍的电流消耗量来熔化它：在防腐处理和喷漆工艺上铝合金 材料也有自己的特殊要求，与众不同；铝合会加工的尺寸精度不容易掌握，回弹难以 控制，在形状设计时要尽可能采用回弹少的形状。 其次，运输方面。因为铝比钢软，在生产和运输中的碰撞和各种粉尘附着等原因 都可能使铝制零件表面产生碰伤、划伤等缺陷，所以要对模具清洁、设备清洁、环境 粉尘等采取措施，确保零件完好。还有，铝材不能象钢板那样采用磁力搬运，各制造 厂在生产钢制汽车时广泛采用的磁力运输系统，在铝制汽车生产中根本用不若，需要 设计新的方案和设备，增加了生产成本。 最后是最关键的成本问题。铝的价格大致在钢的3 5 倍左右，而且因为生产技术 的局限目前工艺流程复杂，不易控制，对每一个工序，都必须按流程操作，严格监 控。因此铝合金虽然提高了汽车综合性能，但同时也提高了整车成本。宝马作为豪华 车品牌，表示愿意为每减少1 k g 质量多付8 8 美元，而雷诺公司则表示只能承受4 美 元：k g 的减重成本。据计算，如果铝车身汽车的年产量为3 0 万辆，每辆成本将高出 8 0 0 一l o g o 美元左右基本等于减重所能节省的汽油钱。 ( 4 ) 铝材生产加工技术的进步及铝在汽车工业的未来发展 目前车用铝材以铸造铝合金为主，占总用铝量8 0 ；另外变形铝合金的用量也 不少，变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致 密度，因而具有很高的强度和韧性以及良好的使用性能，但是对设备和模具要求高， 工序多，生产周期长，成本很高；锻造件则因为价格特别昂贵，用量很少。 第2 章车用轻量化材料 鉴于车用铝材的重要地位，各国各公司都在努力加强铝合金的研究。可以预见， 车用铝材今后的发展将集中在两方面：一是新工艺。改善现有加工技术，不断改进熔 铸工艺及热处理工艺，进一步完善铝型材、铝板材的加工、成形、连接工艺，提高车 用铝材的安全可靠性和实用性；二是新品种。目前已开发出了快速凝固铝合金、粉末 冶金铝合金、超塑性铝合金、纤维增强型铝合金、泡沫铝材等等，另外高强度高韧性 铸造铝合金、铝基复合材料等也在研究之中。 综上所述，虽然目前还存在不少难点，但是我们应该看到，随着铝提炼和铝合金 技术和工艺的发展，铝合金的性能将不断提高，价格将逐步下降，这将解决限制汽车 铝材化的瓶颈问题。如此一来，铝作为轻量化材料的优点就更为明显，从而吸引各厂 家进一步加大应用和研究投入，形成一种良性循环，则铝合金在汽车上的应用将前景 广阔。 目前我国汽车车均用铝量仅4 0 5 0 k g ，并且受铝价及零部件加工技术水平所限， 使一些引进车型原有的铝合金零件也改用了其他材料。可见我国汽车工业用铝与国际 水平差距很大，还需努力追赶。当然这不仅要靠汽车工业本身，也需要铝材行业足够 的支持，进行相关的技术开发工作及建立稳定的供应体系。 2 2 镁合金 镁在地壳中含量达到2 1 ，在地球上存在的元素中居第八位，作为工业用金属， 仅次于铝( 地壳中占8 1 ) 、铁( 占5 ) 居第三位。镁的比重只有1 8 9 c m 3 ，是铝的2 3 ， 是铁的1 4 ，在工业用金属里面是最轻的。镁合金的主要优势在于： ( 1 ) 比强度和比刚度高( 抗拉强度2 3 0 m p a ，弹性模量4 5 g p a ) ； ( 2 ) 吸振性好，镁合金比铝合金减震能力强，比阻尼容量为铝合金的l o 2 5 倍； ( 3 ) 电磁屏蔽性好； ( 4 ) 机械加工性能好( 切削阻力仅为铝的5 6 ，铁的2 8 ：焊接性能也不错， 同时还有优秀的激光切割性，不但能以很高的速度切割，而且切割时不会出现毛刺； 成型工艺方便多样，包括铸造、冲压、轧制、挤压成型等) ； ( 5 ) 色泽鲜艳美观； ( 6 ) 回收率高，回收过程不污染，可以简单地再生使用而不降低其机械性能， 对于回收再生有重大意义。 目前镁合金在汽车上一般用于：发动机部分的气缸体、曲轴箱、汽油和空气滤清 器壳体、进气歧管、油泵、配电器、风扇等；底盘上离合器和变速器的壳体、车架、 以及方向盘和转向器、轮毂等。除此之外镁合金还用于座椅框架、车身饰框、挡泥板 支架、壳类、盖类件、支架及仪表板。近年来由于镁冶炼技术进一步提高，甚至可以 用镁合金制造关键发动机零件，如曲轴箱、气缸盖和机油盘。在壳体零件上，与铝相 第2 章车用轻量化材料 比。镁可健蕈最减轻2 1 ，与灰铸铁相比，可减轻5 0 。 幽2 4 镁台金部件举例：进气管，方向盘骨架，庳椅骨架 近年来镁的价格逐渐下降，使得镁的优势更加明显。1 9 9 1 年。全球消耗镁压铸 件总量为2 4 万吨，至1 9 9 7 年时达到6 4 万吨，而这一增长的8 0 是汽车工业的应 用。而近几年增长势头更为迅猛。2 0 0 1 年达到1 1 万吨。 专家预计，全世界对汽车镁合盒的需求量每年将递增2 0 以上。“” 我国镁资源储量占世界总储量的2 2 5 ，列第一位，同时也是世界最大的镁生产 国和出口国。但是目前我国还没能很好的利用这些优势应用镁合盒最多的地区反而 是北美和欧洲。目前国内用量很少，尤其是汽车工业用量极少供大于求。大量低价 出口。同时我国镁合金牌号品种规格较少，无白成体系的压铸镁台会，零件制造成形 技术落后，这与我国镁资源优势很不相称，既影响到镁工业的发展，又制约着镁合金 材料在汽车上的台理应用。因此，研究开发汽车用镁合盒及零件先进制造技术，是结 合国情，既现实又有发展前景，并急待研究的重要课题。中国应熏点开发丰富的镁 资源，扩大在工业上的应用范围，并应紧跟世界汽车用镁合会的趋势，开创具有中国 特色的汽车用镁合金新局面。 目前镁合金在汽车上的应用范围还很小的原因在于镁元素很活泼，易于反应，生 产难度大；耐腐蚀性能较差；高温性能差；镁合金系列数量相对较少；还有一个重要 的问题在于，镁合金价格很高。 虽然地球上可冶炼镁的原料很多，海水和矿石都可以但是要将它冶炼成真正可 利用的镁锭却要付出很高的成本。平均每生产0 4 5 3 6 k g ( 1 磅1 的镁锭大约要1 6 美元， 这是因为生产镁锭需要特殊的冶炼工艺。建设这样的冶炼车间，平均1 吨生产能力的 建设投资大约为1 万美元，而建设同等生产能力的铝锭生产车间仅需2 0 ( ) 0 美元。而 且，生产镁材所消耗的能源( 电力) 要大大高于铝材的生产，同时镁材的加工难度很大， 镁的粉末、切屑比较易燃，有一定的危险性。目前市场上镁的价格大概是铝价的3 倍以上。j f 因为这些问题，1 9 9 9 年世界镁的产量仅为4 4 万吨，相当于一个中等铝生 产厂的产量。 不过必须看到，近年来在镁合金材料与工艺研究方面都取得了很大的进展，为扩 大镁合盒在汽车上的应用刨造了有利的条件。例如：含杂质特别是铁较多的镁合金存 第2 章车用轻量化材料 在抗蚀性较低的缺点，一定程度上限制了镁合金的广泛应用，但在8 0 年代末期已经 开发出了生产高纯镁即铁含量极低的原镁工艺，1 9 9 1 年初这种高纯镁的生产就达到了 产业规模。随着汽车制造商和各国政府投入更多的技术力量和资金去攻克这些技术难 关，镁合金将渐渐成为下个世纪汽车上的主导材料。 2 3 高强度钢板 7 0 年代初出于保护乘客安全的目的，美国和日本都试制了实验安全车，从而开 发了加工性能良好、强度( 屈服强度和抗拉强度) 高的薄钢板一一高强度钢板。石油 危机发生之后，为了提高燃油经济性，降低汽车自重，作为减轻汽车车身重量的替代 材料，得到了迅速发展。特别是美国和日本近年来采用高强度钢板非常积极。由于要 求能符合燃费限制的规定和提高国际竞争力，因而汽车制造厂有强烈的意愿来采用高 强度钢板。 在车身轻量化材料中，与其他材料相比，高强度钢板具有如下的特征： ( 1 ) 价格低，由于原料，制造价格都比其他材料低，在目前高强度钢板有其优 越的经济性。 ( 2 ) 可以利用现有的汽车生产线，从成形到焊接、装配、油漆的制造系统，不 必有根本的改变，因而可以节约设备投资。 ( 3 ) 性能优越，与铝等相比有高的弹性模量，这对保证大零件的刚性有利。 ( 4 ) 采用高强度钢板不可能大幅度地减轻重量。因为钢板作为高强度的材料， 它的密度和弹性没有大的变化。采用高强度钢板必须随之降低板厚才有减轻重量的可 能。汽车车身零件选定钢板厚度，大都以零件的刚性为基准，因而实际的板厚减少率 不一定能达到钢板强度的增加率。而且采用高强度钢板得到的轻量化程度，不可能像 塑料和铝那样的显著。 综合以上特征，高强度钢板在使用上或有效性方面多少还存在一些问题，重量减 轻能成本( w e i g h ts a u i n gp o