汽车轻量化PPT课件.ppt

汽车车身轻量化的研讨 J6 悍威 奥威 第一辆检阅车 2 TRIZ 3 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能 减少燃料消耗 降低排气污染 汽车整车重量降低10 燃油效率可提高6 8 汽车整备质量每减少100公斤 百公里油耗可降低0 3 0 6升汽车重量降低1 油耗可降低0 7 由于环保和节能的需要 轻量化已经成为世界汽车发展的潮流 与欧洲汽车相比 中国乘用车重量高出5 10 商用车重量高出17 轿车自重25 30 在车身 车身的轻量化举足轻重 4 车身轻量化 设计 制造 材料技术的集成结构优化功能配置优化材料技术主要途径 通过设计软件优化设计和校核汽车结构的强度和刚度减少钢板厚度零部件中空化 小型化或复合化提升车身结构强度 降低耗材用量采用承载式车身和空间框架的结构 减少车身零件的数量局部加强设计 采用轻质材料 铝合金 镁合金 高强度钢 工程塑料和复合材料 5 铝的密度约为钢的1 3 是应用最广泛的轻量化材料 铝合金易加工 导热性好 耐腐蚀性好 强度高 同时具有良好的吸能性 缺点就是焊接工艺性差 成本较高 铝合金在车身上的应用正在扩大 越来越多的铝制轮毂和全铝发动机也出现在各种车型上 据美国铝学会的报告 汽车上每使用0 45kg铝就可减轻车重1kg 理论上铝制汽车可以比钢制汽车减重40 左右 美国生产的汽车产品 1976年每车用铝合金仅39kg 1982年达到62kg 而1998年则达到了100kg 铝合金 6 奥迪A8采用ASF全铝合金车身 创纪录的使用了546kg的铝合金材料 重量要比同等车型的钢制车身轻50 1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身 比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg 奥迪ASF全铝车身框架 7 8 镁的密度约为铝的2 3 在实际应用的金属中是最轻的 镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋 镁车轮比铝车轮轻20 以上 车身上应用镁合金的实例有仪表板骨架 座椅 转向柱部件 车门模块 中控台等 德国HDO压力铸造和表面技术有限责任公司研发成功了一项能够在镁合金表面进行电镀处理的新技术 镁合金可以用于外部装饰件中 北美每辆汽车使用镁合金3 5kg 欧洲Audi每辆车使用镁合金达到14kg 而国产汽车每辆用量平均仅1 5kg 镁合金 9 钛的密度为4 5g cm3 具有比强度高 高温强度高和耐腐蚀等优点 但价格昂贵 在赛车和个别豪华车上少量应用 其它合金 马自达钛合金护板 10 高强度钢板包括高强度 超高强度和夹层减重钢板 是一种广泛应用的轻量化材料 可以减少钢板的设计用量和厚度 提高安全性 缺点是成形困难 回弹大等 研究表明 车身钢板采用高强度钢板 能实现车身降重25 且扭转刚度提高80 弯曲刚度提高52 第一车身结构模量提高58 高强度钢板 11 克莱斯勒C级车的支架 采用内高压技术和高强度钢代替铝支架 重量减轻了14 成本下降了45 新马自达2大量采用高强度钢 车重仅有1030公斤 相比老款马自达2减重100公斤 降重10 12 复合材料 复合材料由两种或两种以上化学本质不同的组分人工合成的材料聚合物基复合材料基体材料金属基复合材料陶瓷基复合材料纤维增强复合材料分散质粒子改性复合材料聚合物一聚合物复合材料纤维复合材料复合方式粒子复合材料夹层复合材料 纤维增强塑料 FRP 玻璃纤维 长 短 高级碳纤维 合成纤维 如Kevlar 天然纤维等 纤维增强金属 FRM 陶瓷系粒子 晶须增强的金属复合材料的应用已经比较广泛 13 手糊成型工艺 湿法铺层成型法喷射成型工艺树脂传递模塑成型 RTM技术 袋压法 压力袋法 成型真空袋压成型热压罐成型技术液压釜法成型技术热膨胀模塑法成型技术夹层结构成型技术模压料生产工艺ZMC模压料注射技术模压成型工艺层合板生产技术 复合材料 可以设计的材料 卷制管成型技术纤维缠绕制品成型技术连续制板生产工艺浇铸成型技术拉挤成型工艺连续缠绕制管工艺编织复合材料制造技术热塑性片状模塑料制造技术冷模冲压成型工艺注射成型工艺挤出成型工艺离心浇铸制管成型工艺其它成型技术 14 热固性玻纤增强材料 UPGF 树脂基玻纤增强FRP 包括不饱和聚酯树脂 环氧树脂 酚醛树脂 乙烯基酯树脂等基材 玻璃钢玻璃钢就是由环氧树脂与固化剂 促进剂按一定比例混合后将如玻璃布粘结起来的一种复合材料 一般采用手糊 喷射或缠绕成型工艺 可以用模具制作成各种形状 但树脂不流动 工装设备简单 投资低 生产效率低 生产技术容易掌握 产品不受尺寸形状的限制 用于小批量大型不规则零件生产 如特种专业车的高顶 小型机动车的车身 概念车的试制等 手糊Chevroletcorvette 缠绕法生产的气瓶和复合板簧 喷射工艺生产的高顶 15 SMCSMC是Sheetmoldingcompound的缩写 称为片状模塑料 是把低粘度的树脂化合物浸到玻璃纤维中而形成的连续片状预成型模塑复合材料 采用模压成型 能够制造带有筋 凸起的大型覆盖件 SMC生产效率相对较高 产品性能稳定 强度高 质地均匀 强度较高 能得到良好表面 适合车身外装饰件 如保险杠 翼子板等 适应轻量化的要求 商用车外饰件大量采用SMC RTM等复合材料 尤其是欧美等国家中重型卡车外包覆件几乎都是复合材料制造的 16 MAN 侧导流板 脚踏板 前围护板 挡泥板 顶盖导流板 储藏箱盖板等VOLVO 前格栅 侧围护板 导流板等Mercedes Benz 整体外覆盖件 MAN车的顶盖导流板 VOLVO车的前格栅 奔驰车前围外板 这个前格栅在采用金属材料时 由19个金属零件和塑料零件组成 不但装配复杂 成本高 而且由于装配误差的积累造成质量问题 改为SMC件后 只有一个模压件就可以代替19个零件 不需要装配 使用效果良好 17 随着SMC喷涂技术的发展 越来越多的轿车外装饰件也采用SMC复合材料来做 如宝马 大众 雪铁龙轿车的车顶框多数都是SMC制品 奔驰轿车的侧板 导流板和天窗板也都采用SMC制造 自动导流板 AUDIA4后行李箱盖板 雪铁龙天窗 这款奔驰轿车叫麦克拉仑 它的天窗板 侧围板 消音器罩 侧导流板都是SMC制品 18 虽然热塑性材料发展迅速 但是SMC等传统复合材料仍然在汽车内饰件大量采用 尤其是一些轿车大型功能性零件 应用很普遍 标志轿车的备胎仓 VOLVO机油盘 雪铁龙车顶框 雷诺的储藏箱 19 BMCBMC是块状 团状 模塑料 是把树脂 填料 玻璃纤维等各种成分混炼成粒状料 采用模压成型 由于在混炼过程中玻璃纤维受到破坏而降低了产品的强度 所以制品强度比SMC略低 适合制造前端制动器面板 加热器壳体等中型零件 毕克化学采用PMMA树脂 纯马来酸树脂与玻纤共混的材料在车灯反射罩上广泛应用 DMCDMC是团状模塑料 与BMC有类似的性能和成分 由于具有优良的电气性能 机械性能 耐化学腐蚀性 又适应各种成型工艺 因此在汽车电器件上应用较多 20 HMCHMC是高强度模压料 HightMoldingCompound 的简称 主要用于制造汽车部件 HMC中不加或少加填料 采用短切玻璃纤维 纤维含量为65 左右 强度较高 用于制造中小型 高强度汽车零件 XMCXMC是高强度片状模压料的简称 也是为汽车行业专门开发的材料 玻璃纤维定向分布 具有极好的流动性和成型表面 其制品强度约是SMC制品强度的3倍 纤维含量达70 80 不含填料 用于制造汽车座椅骨架 保险杠骨架等高强度零件 TMC厚片状模压料 ThickMoldingCompound 组成与SMC相似 厚50mm以上 由于厚度大 玻璃纤维能随机分布 改善了树脂对玻纤的浸润性 该材料还可以注射和传递成型 应用于大型内外装饰件 ZMC是一种模塑成型技术 制品既保持了较高的强度指标 又具有优良的外观和很高的生产效率 综合了SMC和BMC的优点 获得了较快的发展 福特轿车应用TMC代替铝 镁等金属制造了发动机罩盖 21 轻质SMCSMC在不影响生产工艺和产品质量情况下 通过使用一种中空玻璃微球 可减小SMC材料的密度 提高表面硬度和耐磨损性能 降重20 左右 SMC的最新发展方向为生物基树脂 使SMC材料更加绿色环保 同时降低重量 杜邦高强度玻璃球 22 RTMRTM ResinTransferMoulding 是树脂传递模塑成型的简称 工艺过程为 在模具的型腔中预先放置玻璃纤维增强材料预成型体和嵌件 闭模锁紧后 将配好的低粘度树脂在一定温度和压力下 采用注射设备从注入孔处注入模腔 浸透玻纤增强材料 模具有加热系统进行加热固化 脱模后得到两面光滑的制品 RTM适合制造中小批量 大体积零件 比SMC初期投资小 成本较低 由于是闭模成型 产品尺寸和外型精度较高 环境污染小 有部分代替手糊和喷射成型的趋势 目前应用于重型车的高顶 乘用车备胎仓 大型导流板 整体驾驶室等 改进工艺后可以生产各种密度和强度的产品 在大客车 动力机车的内装饰上也有广泛应用 ASTONMARTIN跑车车身侧围板 RTM导风罩 采用轻质RTM做成夹层结构的高顶 23 顶盖内护板这也是一辆专用车 它的顶盖内护板也需要有一定强度 采用真空成型 可以降低重量30 左右 发动机罩盖这款罩盖采用真空辅助RTM工艺成型 质轻价廉 又保证了产品的强度和刚性 24 ASTRA复合材料整体驾驶室 车门内外板 外侧板 扰流板以及前围板均采用SMC工艺生产制造 底部地板 车顶 后厢板 两侧门框板 踏脚板以及挡泥板则采用RTM工艺生产制造 整体复合材料驾驶室采用粘接工艺连结在一起 使制造成本 车身重量都有大幅度下降 一些SMC部件由于采用低压SMC新技术使整体驾驶室的质量更佳 25 GMTGMT GlassMatReinforcedThermoplastics 又名玻纤毡增强热塑性片材 是一种用玻璃纤维针刺毡增强的热塑性塑料半成品片材 如果没有特殊要求 GMT的基体树脂材料通常采用聚丙烯等 具有低密度 较低价格 加工性好 综合性能较高的特点 使用比较普遍 GMT采用模压成型 一般物理成型即可 工艺特点为片材需要预热至220 以上 成型压力高 10MPa以上 成型温度低 40 左右 成型周期短 1min以内 是SMC的1 3 1 4 GMT制品强度高 冲击韧性好 可回收利用 因此 应用范围不断扩大 有代替金属和热固性复合材料的趋势 但是高玻纤含量的PP基GMT有表面质量略低 表面处理较难的问题 一般应用于前端模块框架 仪表板骨架 座椅骨架 保险杠骨架 备胎仓 脚踏板 底护板等高强度零件 热塑性玻纤增强材料 PPGF 聚丙烯玻纤增强FRP 26 热塑性长玻纤材料一般应用于汽车内部承重零件 因为表面喷涂技术还不成熟 所以与热固性复合材料分工还是比较明确的 如下图所示 GMT及LFT的大量应用使汽车的自重大幅度降低 起到了节能减排的作用 经过增强的备胎仓 GMT模压的门护板 GMT模压的底护板 万国车的蓄电池盖板 GMT模压的前端框架 27 GMT最重要的应用就是替代金属 它比LFT具有更高的强度 而且可以采用高纤维含量的补强材料来增强局部强度 GMT一般应用于形状相对比较简单 适合模压成型的零件 如轿车的风扇护罩 底护板等 或代替SMC的模压件 如果零件形状复杂 多孔多筋 注塑成型的LFT就更有优势了 GMT模压成型的脚踏板 LFT注塑成型的脚踏板 28 LFT GLFT G采用定长纤维混合挤出 连续纤维挤出包覆等工艺生产 按需求短切成一定长度的粒料 其粒料用于注塑成型长度一般采用8mm 15mm 用于压塑成型长度一般采用20mm 40mm 产品的强度明显高于短纤维粒料的注塑成型产品 LFT DLFT D是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺 为一步法生产 在材料的选择上更加灵活 纤维的含量和纤维的长度可以直接调节到最终部件的要求 比LFT G成型后的纤维长很多 其基体聚合物也可以调节到最终部件要求的配方要求 强度和抗冲击性能都明显提高 发展十分迅速 用于大批量生产骨架类零部件 如前端框架 座椅框架 保险杠内衬等功能类 高强度 结构复杂的零件 29 LFTLFT不仅有聚烯烃为树脂基材料的复合材料 而且有尼龙基 LFT PA 聚酯基 LFT PBT 等各种基体的复合材料 其中尼龙LFT应用较多 主要用于有较高性能要求的零件 如需要承受高强度 高冲击的塑料功能件 像油门踏板 电器插接盒 塑料齿轮 变速手柄及座等 PAGF 30 2020 1 7 31 这是一些LFT的典型应用 技术已经比较成熟 32 LFT D的大量使用 进一步降低了成本 33 碳纤维增强材料目前在汽车结构件和外装饰件上应用的复合材料多数都采用玻璃纤维增强 主要是考虑成本低 质量稳定 资源丰富等因素 但碳纤维 CF 技术近几年发展很快 随着成本的不断降低 在特殊领域有取代玻纤和金属结构件应用的趋势 碳纤维增强材料的强度比玻纤增强的材料要高出50 200 宝马M6轿车采用碳纤维制造车顶盖 福特公司采用碳纤维制造车门斜铰链系统 保证了在车门打开时不需要附加支撑 碳纤维汽车座椅加热装置也在推广使用 但是目前国内碳纤维存在性能不稳定 连续长度不够 表面处理技术差 价格偏高 无法大批量生产 连接 回收等问题 大量应用还需努力 34 玄武岩纤维增强材料玄武岩纤维 BF 是玄武岩石在1450 1500 熔融后 通过铂铑合金拉丝而成的连续纤维 与玻纤相比耐温性能优异 具有高温结构稳定性 吸音和隔音效果很好 适用于制造汽车发动机罩 玄武岩纤维最大的优点是可以再生利用 德国2009年开发的LightCar OpenSource采用100 可回收玄武岩纤维底盘 西班牙LZARO汽车制造商在2011年推出的GT E电气跑车车身全部采用玄武岩和碳纤维复合材料 35 自增强聚丙烯复合材料一种由高定向性的聚丙烯纤维和各向同性的聚丙烯基材组成的纯聚丙烯片材已经被开发出来并且在轿车底护板上开始应用 这种被称为自增强聚丙烯复合材料 Self ReinforcedPolypropyleneComposite 简称SR PP 是热塑性复合材料的发展方向 SR PP片材的刚性和强度与GMT材料很接近 但较GMT材料轻20 30 SR PP的编织纤维结构使整个零件具有均匀一致的机械性能 而不是GMT材料根据纤维方向和排布方式而呈献的各项异性特征 这样就可以将制品的壁厚进一步减薄 SR PP拥有优异的抗冲击性能 制品综合性能也比GMT制品好 而且可以实现降重目标 这种材料目前尚未在中国生产和应用 相信不久的将来它将成为一种新兴的热门材料在全世界迅速推广 36 天然纤维复合材料由于玻璃纤维对人的身体有害 并且熔融后容易粘结造成回收利用困难 因此考虑采用天然纤维增强塑料 已经开发出来的产品有在线生产的天然纤维产品 工艺类似于LFT 因为直接挤出注塑 塑料只经历了一次加热过程 可以减少天然纤维这类热敏感材料发生热降解 在线注射成型的PP 25 麻纤维制品 丰田麻纤维车门内衬 37 轻量化使塑料使用量 成为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志 目前世界上多数轿车的塑料用量已经超过120千克 辆 欧洲高级轿车塑料使用量达到150 500千克 辆 国内一些轿车的塑料用量也已经达到90千克 辆 无论是外装饰件 内装饰件 还是功能与结构件 都可以看到塑料制件 一般塑料的比重在0 9 1 5 常用塑料有聚丙烯 ABS 尼龙和聚乙烯等 目前国外汽车的内饰件已基本实现塑料化 塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件 车身和结构件扩展 目前国产车的单车塑料平均使用量为78千克 塑料用量仅占汽车自重的5 10 处于较低水平 塑料 38 高性能塑料以塑代钢 聚酰亚胺 PI 是综合性能最佳的有机高分子材料之一 耐高温达400 以上 长期使用温度范围 200 300 无明显熔点 高绝缘性能 聚酰胺 酰亚胺 PAI 和聚醚亚胺 PEI 性能更好 聚醚醚酮 PEEK 是一种性能优异的特种工程塑料 耐高温 机械性能优异 自润滑性好 耐化学品腐蚀 阻燃 耐磨 制造轴承 垫片 密封件 齿轮等 聚砜 PSF 力学性能优异 刚性大 耐磨 高强度 即使在高温下也保持优良的机械性能是其突出的优点 其耐温范围为 100 150 耐水解 尺寸稳定性好 成型收缩率小 有优良的电性能 化学稳定性好 耐紫外线和耐候性较差 耐疲劳强度差 聚芳砜 PASF 和聚醚砜 PES 耐热性更好 在高温下仍保持优良机械性能 聚苯硫醚 PPS 是一种新型高性能热塑性树脂 具有机械强度较高 耐高温 耐化学药品 难燃 热稳定性好 电性能优良等优点 聚邻苯二酰胺 PPA 树脂是以对苯二甲酸或邻苯二甲酸为原料的半芳香族聚酰胺 比脂肪类聚酰胺如尼龙6 66等更结实坚硬 对水分的敏感度更低 热性能更好 蠕变 疲劳和耐化学品性能也好得多 39 高性能塑料以塑代钢 PPA中冷器气室 PA66GF60灯座 PPS格栅支架 PEEK防护罩 PA66车门铰链 PEEK座椅调节涡轮 PEEK空调传动齿轮 40 长玻纤材料代替短玻纤材料 变速手柄采用LFT PP GF40代替PA6GF30 重量降低 天窗前后框架采用LFT PPGF30 代替短玻纤PBTGF30 采用长玻纤PPGF50代替短玻纤PA6GF40 避免吸潮导致力学性能变化 降重10 如果同样材料采用长玻纤材料代替短玻纤材料 可以降低玻纤含量5 20 实现降重目标 41 塑料代替玻璃 沙伯创新PC玻璃 Exatec公司开发的轻质车顶模块 本田附加车窗 42 热塑性代替热固性材料 消音器隔热罩由SMC改为GMT 降重30 支架由SMC改为GMT 降重20 结构件采用LFT D工艺 降重降成本 43 车灯罩采用杜邦强度高的PBT代替PC 减薄 免底涂 降重10 强度高的塑料代替强度低的塑料 44 纳米复合材料改变了热塑性塑料的聚集态及结晶形态 从而使之具有更好的刚性与韧性 大大提高了材料的综合性能 纳米聚丙烯复合材料已经应用于汽车壳体类零件 解决了壳体类PP零件变形和刚性不足等问题 同时减轻重量 填充5 的纳米填料与填充25 的滑石粉能达到相当的刚性 采用纳米填料代替玻纤 滑石粉等 也可以有效降低产品的重量 纳米填料暖风机壳体 纳米填料代替普通填料 纳米材料护板 45 热塑性弹性体在汽车行业应用越来越广泛 主要用于汽车进气管道 密封条 气囊盖板 内外饰件 各种护套等 热塑性弹性体取代橡胶 能够有效地解决橡胶材料的老化问题 降低零件的重量 同时降低成本 而且 热塑性弹性体可以采用注塑 吹塑等热塑性塑料的加工方法成型 可大大提高生产效率 热塑性弹性体代替橡胶 46 塑料代替橡胶 塑料车身堵塞代替橡胶堵塞 双层波纹管代替三层橡胶管 47 发泡PUR缓冲块 发泡代替实体 增强反应注射成型技术 R RIM 可以生产汽车保险杠 导流板 车身护板等汽车外部饰件 聚丙烯等材料发泡可以充当吸能部件 重量轻 环保 超临界CO2发泡聚丙烯片材可取代PUR发泡和隔板 用于