汽车轻量化设计的技术路线分析.doc

汽车轻量化设计的技术路线分析28第6期客车技术与研究BUS&COACHTECHNoL0GYANDRESEARCH汽车轻量化设计的技术路线分析刘青(东风汽车公司新能源汽车事业平台,武汉430056)摘要:通过工程实际,从多个角度分析汽车轻量化设计的多种技术路线.并对各种技术路线的效果进行初步总结.关键词:汽车;轻量化设计;技术路线中图分类号:U462.2文献标志码:B文章编号:10063331(2011)06002803TechnicalRoadmapAnalysisofAutomotiveLightweightDesignLIUQing(EVBusinessDept.ofDongfengMotorCorporation,Wuhan430056,China)Abstract:Bytheengineeringpractices,theauthoranalysestechnicalroadmapsofautomotivelightweightdesignfromvariousaspectsandsummarizesapreliminarycomparisoneffectamongthetechnicalroadmaps.Keywords:automobile;lightweightdesign;technicalroadmap轻量化是提高汽车燃油经济性,减少尾气排放,节约材耗的有效手段.研究显示,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%8%;汽车每减少100kg,百公里油耗可降低0.30.6L.轻量化对环保也很有好处,车辆每减轻100kg,CO排放量可减少约5g/km.轻量化对于制造企业和消费者都是有益的.轻量化设计的技术路线有很多种.随着各种技术的发展,轻量化设计的方法和手段也在不断增多.本文根据工程实际,对汽车轻量化设计的技术路线进行总结分析,以期达到以尽可能少的成本和周期投入,得到最大的轻量化效果.1技术路线分析1.1材料替代1)替代以高强度材料.主要以强度更高,密度相近的材料替代为主.商用汽车底盘乃至整车的质量中,车架占有很大的比例.车架的轻量化就显得很重要.以东风货车和客车为例,车架纵梁和横梁的材料以DL510为主,其强度相当于16MnREL.基于钢铁厂的新材料发展,已经开始采用DL590的钢板替代,强度提高了20%,相应地可以减小纵梁和横梁的截面尺寸,减小壁厚,达到车架总成轻量化的目的【lJo随着钢铁冶炼等技术的提高,强度更高的钢板也在试验和小批量使用之中,如DL700,DL800等,可以进一步降低车架的重量.在客车上,车身骨架与蒙皮占整车重量的比例更高.在等强度设计条件下,采用高强度钢板可以减少板厚及重量,钢板厚度分别减小0.05mm,0.01mm和0.15mm时,车身分别减重6%,12%和18%.采用高强度钢板还能提高汽车车体的抗凹陷性,耐久强度和大变形冲击强度安全性2.除了板料之外,大量的支架类零件以铸件占有比例最高,使得铸件的轻量化也成为关注的重点之一.通过热处理等措施,使材料金相改变,从而提高零件的强度,刚度或韧性,也可以降低零件的重量.比如奥贝球铁(ADI),不仅强度比铸钢等材料提高,其密度比钢要低.ADI的密度为7.1g/cm,而钢的密度为7.8g/cm.,同样尺寸的零件比钢件轻10%.某商用车采用ADI替代铸钢件,并针对ADI件高强度特点,对14个悬架类零件进行重新设计.表1为ADI材料替代的轻量化效果,总重量减轻近40%,效果显着.2)替代以轻质材料.在乘用车上,以铝材替代钢材已经试验和应用得比较多嘲;在大客车上,以铝材来制造侧舱门,国内也开始应用,并占有较大的比例,可以使车作者简介:刘青(1970一),男,高级工程师;东风汽车公司新能源汽车事业平台总监助理.第6期刘青:汽车轻量化设计的技术路线分析29身的重量降低.乘用车上,发动机整机采用轻量化缸体缸盖全铝化设计,使整机重量大大减轻;与铸铁发动机相比,全铝合金发动机的重量可以轻一半.而在商用车上,发动机的部分部件采用铝合金,也已经进入应用装车阶段.表1ADI材料替代的轻量化效果零件ADI重量/kg铸钢重量/kg减重比例/%前悬架上横臂10.252559.00前悬架下横臂32.466449-28前悬架上弹簧支架21.2834.638.50后悬架下弹簧支架20.7433.1637.45后悬架下横梁9_3250.6l81.58除了铝合金之外,镁合金,工程塑料和各种复合材料(包括金属基和非金属基)的应用,也是轻量化材料替代的大方向.玻璃纤维增强塑料(FRP)等新品种已随着技术的成熟而正在扩大应用,主要用于车身的外装件和功能件,也可用于车门,发动机罩,前格栅,翼子板,保险扛骨架,门柱护板,通风百叶窗,导流罩等近20种板件.PMI泡沫夹心帽筋条结构的复合材料发动机盖和后背门部件已经开始应用在汽车上,与传统的金属材料结构相比,分别减重37.7%和34.6%51.1.2零部件的等应力设计等应力设计相对应于等厚度设计,出于整体安全系数需要的等厚度设计必然会浪费材料和增加重量.采用CAE分析,拓扑优化等手段,对零部件进行优化设计,使零部件各个部位的应力值接近,即各个部位的壁厚不一致,受力小的部位减薄料厚或不要材料,从而减轻零件的重量【6J.1)冲压板件贴加强板,冲减重孔和变截面.对于汽车车架和车身而言,出于模具考虑,板料的大部分是等厚的;从受力来看,就不是等应力的.这种情况下,可以采用局部加强的方式贴加强板,也可以采用局部减弱的方式冲减重孔;还有就是截面尺寸的改变,比如车架前后段的断面高度比中间段要小阴.这样的方式,其实一直都在采用,只是没能很好推广.2)铸件加筋,挖孔和变厚.铸造可以实现各种不规则的异型截面.设计时,采用CAE或拓扑优化等手段,对零部件进行应力分析.根据力的分布,确定零部件的形状和具体局部的材料厚度.通过筋,空腔和料厚的变化,可使零部件的重量大大降低嗍.某个悬架支架,通过有限元分析,优化,其重量优化前为2.8kg,优化后为1.66kg.表2为优化前后的应力和重量对比.表2支架优化前后的应力和重量对比理论单最大应力最小安全类别材料备注重/kg,MPa系数优化前2.8ZG310-570240.81.48减重率优化后1.66ZGD650830233.82.6640%图1为优化前后零部件外形的对比.可以看出,通过倒角,圆整,加筋等处理,优化后的零件不但更符合美学,而且材料消耗和应力也得到降低.(a)优化前的零件(b)优化后的零件图1优化前后的零部件外形对比1.3工艺手段辅以结构优化在各种工艺手段的支撑下,轻量化设计与制造工艺越来越紧密.1)以铸代锻.从制造实现的角度,可以大幅减小壁厚;同时辅以添加合金的方法,可以增强零件的各个性能指标,尤其是韧性指标,使铸件达到原先锻件的性能要求.这里主要是指精密铸造.2)以铸代焊.相当部分的底盘支架件是拼焊件,拼焊的板料基本是等厚的,零件的很多局部材料是多余的.如果局部去剪薄,制造成本会提升很多;而如果采用一般的砂型铸造,重量也不会减小.以精密铸造来替代,以CAE手段来辅助,可以使零部件实现不等厚形状,以达到轻量化的目的9.精密铸造还可以替代多种工艺,包括锻造,焊接,机加,装配,冲压工艺等.这些替代都在不同程度上达到轻量化的目的.使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材,如连续挤压变截面型材,激光焊接板材等,也可以达到轻量化目的.其中,激光加工技术,如激光焊接,精细烧蚀,直接快速成型,激光涂敷,激光辅助切削加工等手段,也是实现汽车轻量化的重要途径口Ol.客车技术与研究1.4集成化零部件分工细化的系统设计,各个系统零部件的兼用性不强.尤其是各类的支架件,相互之间界限比较分明,比如,钢板弹簧支架,转向机支架,虽然布置的空间很接近,但却是多个零件.在轻量化设计的理念下,从布置上考虑应把多个支架集成化成一个零件;再通过各种优图2独立的3个支架零件化,使这个集成化零件的重量大大低于分开布置的多个零件.图2为独立的3个支架零件;图3为集成之后的1个支架零件;图4为集成之后再优化的支架零件.图3集成后,优化前的零件图4集成优化之后的零件表3为老结构与新结构的重量,应力对比.可以看出,轻量化效果明显,而且新结构比老结构的零件数量减少了,同时减少了连接螺栓,使得装配工时和劳动强度有所下降.表3老结构与新结构的重量和应力对比最大应力采购成本类别材料重量/kg减重率,%/MPa/%原结构QT4501040.0370.448.75l2.7更改后ZG410-70020.53091.5零部件之间等寿命设计在传统的设计中,各系统,各零部件之间的等寿命设计考虑不是很充分.根据相应的要求,不同零件的安全系数是不一样的.往往在整车寿命的前提下,各个零件的寿命相差很大.一个零件损坏了,另一个零件还完好无损,从而造成浪费.可以基于可靠性试验和耐久性试验的数据,考核各部件的疲劳强度情况,进行等寿命设计.在整车寿命的要求下,调整安全系数.除了易损件,其他各零部件的寿命也接近相同的数值,避免了部分零件不必要的长寿命,从而减少耗材,降低重量.另外,在汽车电子电气所占比重越来越多的发展趋势下,可以通过功能优化,采取不同的方式来实现同一功能,以电子化取代机械功能的实现,从而减少机械零件,降低重量.2结束语从工程实际可以看出,汽车轻量化材料的使用与汽车结构的轻量化设计这两方面的内容是密切地结合在一起的.往往是轻量化材料结合轻量化结构设计,从而实现在整车刚度,性能不降低的前提下的轻量化.相信随着技术的发展,还会有更多的轻量化设计的技术路线出现.参考文献:1冯美斌,等.我国汽车新材料技术发展现状分析与建议J1.汽车工艺与材料,2007,(5)2】王智文.汽车轻量化技术发展现状初探【J1.汽车工艺与材料,2009,(2)【3】刘惟信.汽车设计M】.北京:清华大学出版社,2001.f41罗鹰.铝,镁,钛合金材料在汽车发动机中的应用J】.上海汽车,2009,(3)【5】邢韬.现代汽车新材料技术应用【JJ.交通科技与经济,2008,(2)6】张华.镁合金摩托车车架的强度分析D】.长春:吉林大学,2008.7张宝亮,王志明.汽车轻量化中的内高压成形技术J】.现代零部件,2010,(11)8魏崇亮,傅毅生,李随江.专用汽车轻量化设计探讨J.山东交通科技,2008,(4)9杜明义.用铝合金材料实现汽车轻量化【JJ.轻合金加工技术,2007,(2)【10】张贵杰,宋卓霞.汽车用高强度高塑性TWIP钢的开发研究【J.中国科技产业,2009,(3)修改稿日期:20110g一15(上接第27页)4田丰.客车供暖系统客车技术与研