车身轻量化设计制造.docx

一、汽车轻量化设计的必要性当今社会高速发展，国民生活水平不断提高，汽车在大家生活中扮演着极其重要的角色。而全球环境日益恶化，国家发改委提出了相关的能源发展战略要求，节能减排已经成为当今汽车研发的必然趋势。我国汽车产销量年年创新高，双双突破2000万辆，位居全球第一。汽车产业的竞争日益白热化，随着顾客节能和环保意识的提高，对车辆的节能减排性能提出了更高的要求，低油耗已经成为顾客选择与购买汽车的一个重要因素。越来越多的汽车企业开始重视车辆的节能性 ，而车身重量直接影响整车的节能性，所以车身轻量化正逐渐演变为重要的整车性能设计指标。欧洲铝协材料表明，汽车重量每降低100公斤，每百公里可节约0.6升燃油。大量使用铝合金的汽车，平均每辆汽车可降低重量300公斤(从1400公斤到1100公斤)，寿命期内排放可降低20%。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低。汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上。因此，必须要减轻自重以提高整车燃料经济性为目的。汽车的轻量化有助于汽车的“行驶、转弯、停车”三大基本性能的提高，并且对环保要求的降低油耗和减少CO2排放发挥重要作用。二、中国汽车轻量化现状与分析目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，以及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。其中结构设计方面，一般是通过更优化的设计，来减小车身骨架及车身钢板的质量，同时对车身强度和刚度进行校核，以确保汽车在满足性能的前提下减重。此外，运动化的结构也是减重的重要手段。比如采用轻量化的悬架，可以使结构更紧凑并且提升了操控性能。或采取发动机后置后驱的方式，达到使整车局部变小，从而实现轻量化的目标。2009年5月，美国总统奥巴马公布了一项汽车节能减排最新计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里油耗不超过6.62升，二氧化碳排放比现在减少1/3。和美国类似的是，欧洲和日本不仅在减耗排放方面推行了相关政策，而且对废旧车辆回收也作出了严格规定。如日本2001年规划由抛弃型进入循环型的社会发展模式，推行全回收或零废弃的观念。其实2001年以前，日本已有相关法令推行绿色设计及绿色采购。事实上，在节能减排上，留给我国汽车企业的时间已经不多。来自中汽协的调查显示，我国国产轿车品牌与国外同类车在高强度钢比例和碰撞安全性方面存在较大差距，我国的自主品牌轿车较国外同类车重8%-10%，碰撞安全性差好几个星级。中汽协发布的关于汽车轻量化意义的报告中指出：对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化；发动机轻量化；变速器轻量化；悬架轻量化；车身轻量化和附件轻量化是当前实现整车轻量化的六个方面。国内外许多企业，对于汽车轻量化的设计，已经融合到了汽车设计的前期。包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等轻质材料在汽车上的应用，与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体，能直接使汽车轻量化并降低油耗。有专家指出，事实上汽车轻量化后，加速性提高，车辆控制稳定性、噪音、振动方面的改善；从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性小，制动距离减小等，都是厂家在追求的目标。车身骨架一般占整车质量的22%25%，车身质量承担着节能降耗的重要职责，车身质量越轻，油耗就越低，车辆经济性越好 实验证明，若汽车整车重量降低10%， 燃油效率可提高6%8%; 汽车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.30.6L; 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。汽车空载情况下，约70%的油耗用在车身重量上，所以汽车瘦身很重要 但汽车轻量化是一个系统工程，它涉及整车设计、使用材料和制作工艺等各个领域。目前，自主品牌汽车轻量化技术手段单一，没有系统的轻量化技术，大部分停留在比较简单的零部件替换和轻质材料使用方面，由于国产零部件和金属材料技术水平的限制，汽车减重幅度也比较有限。同时，国内汽车研发主要侧重于车辆安全，NVH性能，车辆耐久性及操控性，对车身轻量化技术的研发投入不够，缺乏系统性的开展轻量化工作，往往导致车辆油耗较高，造成客户抱怨，影响销售业绩。然而车身轻量化程度越高， 车辆成本就越低，企业利润越高 由此可见，车身轻量化技术的研发与应用势在必行。三、车身轻量化的主要途径车身轻量化的主要途径分两大类：使用轻质材料和结构优化设计。而轻量化材料主要包括以下几种：超高强度钢板、铝及铝合金、镁合金、工程塑料、玻璃增强材料、结构发泡材料。1、 超高强度钢板传统的设计理念是通过提高零件的料厚来获得整车的碰撞性能和耐久性能 ,而现在可以通过选用高强度钢板、减少料厚的办法来获得更好的碰撞性能和耐久性能 ,同时又减少车身重量。普通钢屈服强度在 110180 MPa,烘烤硬化钢屈服强度在 130300 MPa,这两种材料一般用在车身的外覆盖件和地板零件上。高强度钢屈服强度在340550 MPa,一般用作结构加强件。超高强度钢板一般指抗拉强度超过550 MPa,主要有 DP钢和 MS钢 (马氏体钢 )。DP钢的抗拉强度在5001 000 MPa,一般用于需要高抗拉强度、高碰撞吸能且成型较复杂的车身零件 ,如前舱大梁、 B柱内外板等。MS钢抗撞强度有900MPa,1 300MPa,由于 MS钢强度极高 ,所以一般用滚压成型工艺生产 ,主要应用在门槛梁上。例如新 Civic,由于提高了高强钢的比例 ,汽车的安全性由 Euro NCAP 4星提高到 5星 ,车身的动刚度和 NVH性能得到了进一步提高 ,而车身重量却减少了 2 kg。2、 铝及铝合金采用铝合金材料的主要目的是减轻整车质量和节省能源 , 然而无论是材料成本还是生产工艺铝板都比钢材昂贵。铝的价格是钢的34倍 ,但其废料卖出价格也高,同时铝合金再生耗电能也少。尽管铝板的成本高 ,但铝板的用量仍在不断增加。对车身覆盖件来说 , 主要用在发动机罩和行李箱 , 铝合金向全车身的应用进展发展较慢。 80年代后期开始在发动机罩、挡泥板上使用。全铝型无骨架车身用 6000系(Al MgSi)合金和 7000系(AlZnMg) 合金 ,不仅可减少30 %40 %质量 ,其安全性也很强。针对化学合成处理差的问题 , 研究者又开发了可与钢板在同一流水线进行磷酸锌处理的铝板。由于在轻量化方面效果显著 ,目前美国和德国把轧制铝用于车身外板 , 使汽车的铝材化进入实用阶段 ,其用量有不断增加的趋向,特别是现代无骨架车的推出 , 加大了铝材的应用空间。从近年国外出现的概念车来看,在车体结构上大都采用无骨架式结构和空间框架结构 ,而且大都以挤压型铝材为主。挤压型铝材是将铝合金挤压成各种复杂断面形状和中空状型材 ,具有密度小、比强度大、制造成本低的优点。用中空铝型材作保险杠 ,能减轻质量 30 %40 % ,并与钢材件具有同等的抗冲击强度,特别是当汽车发生意外时,还能吸收因碰撞带来的冲击能 ,保护乘客安全。就目前来看 , 因为材料的回弹大和易出现裂纹 , 使铝板在冲压时比钢板难度大 , 目前还没有大批量生产汽车完全采用铝板 , 但使用专为铝板设计的模具 ,这种影响会减少。目前 ,采用全铝车身一般是年产量在几千辆的小批量生产的汽车 , 大批量生产的中型轿车车身中铝结构的比重只占 3 %7 %。运动车、电动车、概念车等对减小质量有特别的要求 ,铝用量较大;一般轿车中 ,铝通常用来制作覆盖件、车轮、空调系统、保险杠、座椅、窗框和换热器扰流板等。铝制车身与钢板车身相比重量大约可减轻40%，可明显降低能耗，碳纤维的效果则更为突出。而且轻量化车身的回收利用率也较高。因此车身的轻量化对提高能源利用率和环保具有重大意义。3、 镁合金镁合金是比铝合金密度更小的轻质材料。其耐热耐压耐腐蚀且易于回收利用。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有 60多种。驶多飞集团与德国大众合作, 准备将其专利产品镁合金MnE21替代某车型白车身上的多个钢板零件,如前后保险杠、车顶横梁和车门防撞杆等。如果替代成功,将大大减轻该车的车身质量。工程塑料汽车车身采用塑料材料具有质量小、易于加工和防锈防腐蚀的特点。目前汽车的保险杠几乎都是塑料件。塑料最先使用在汽车的内饰和外饰件上,如仪表板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩等,为汽车饰件的软饰化、高档化、舒适化起到了一定的作用。近年来,塑料在车身板和发动机周围的零部件上的使用量在不断增大,约占车身质量的 10 %15 % ,尤以美欧的汽车制造商采用为多。如奔驰的 Smart轿车车身覆盖件采用了具有本色的可随时更换的塑料覆盖件,倍受市场关注; 雷诺的 Espace 和莲花的 Elise 轿车也采用塑料车身;戴克公司1998年推出的CCV概念车采用四块热塑车身板,加上板材连接件,白色的车身板总质量95kg ,开创了全热塑车身的里程碑。目前,汽车的尾灯和前大灯的玻璃将从天然材料转向塑料。一般热固性塑料力学性能好、强度高、表面质量好 ,具有良好的表面着色、电镀、植绒、铆接、耐腐蚀等性能 ,多作为外表面件生产使用。用玻璃纤维增强的不饱和聚酯塑料制造车身零件 , 比钢板冲压的轻 40 % ,且耐腐蚀和成型好。采用玻璃纤维增强不饱和聚酯模压复合塑料板直接在压力机上模压成型 , 成型后只需切掉飞边。用复合塑料压制的整体发动机罩,是将翼子板、大灯罩和发动机前罩等联成一体,大大简化了生产工艺。4、 玻璃增强材料玻璃增强材料与金属相比具有比重小、比强度高、耐腐蚀和隔音隔热等特点 ,可以成型复杂形状的零件且制作成本低。因此汽车厂家越来越多地选用玻璃增强材料来替代金属 ,主要由SMC和GMT两种材料。一般这两种材料主要应用在保险杠防撞杆、前翼子板、后备胎罩和后背门上。5、 结构发泡材料车身接头对整车的安全、刚度、强度有着至关重要的影响,如何加强接头是汽车研发单位重点考虑的问题。应用预埋在接头处的高强度的结构发泡材料来提高整车刚度是一种有效途径。高强度结构发泡材料具有质量轻、可以制作复杂形状、加强效果明显等优点,已逐渐被汽车厂商接受并使用,例如法国雪铁龙 Picass o1C4和 OPEL Astra等。6、 结构优化设计结构优化设计方法已经被逐渐引入到汽车结构设计过程中。但大多数的工作主要集中在结构尺寸优化方面。结构优化设计的研究分为三个层次：结构尺寸优化、结构形状优化和结构拓扑优化。结构尺寸优化是在结构布局已经确定的情况下进行的，因此产生的效果是被限定在布局之内。连续体拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式。 因此在工程设计的初始阶段中非常有意义它不涉及具体的结构尺寸设计，但可以提出最佳形状设计方案