第8章 汽车车身材料与结构轻量化

,1.了解轿车车身轻量化的意义2.掌握轿车车身轻量化的主要途径,8.1车身轻量化的意义,汽车开发的五大指标,汽车轻量化：在保证汽车强度和安全性能的前提下，采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料以尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。车身轻量化是车身开发的重要指标之一，轻量化设计理念至始至终贯穿于整个开发历程，并且需要在性能和成本之间取得平衡。,质量占整车的0,安全性、舒适性要求高,材料众多,车身的轻量化对于整车轻量化举足轻重,形状、结构复杂,制造成本占整车的0,车身质量（包括白车身和装备件）对整车质量的影响很大。车身轻量化能使悬架及传动系统的负荷减小，有利于整车轻量化要求，最终达到节能环保要求，同时可提高行驶平稳性和舒适性。,高强度钢,铝合金,塑料,镁合金,复合材料,密度小，强度大，吸能性好,密度小，耐腐性能好,密度、强度人为可控，吸能性更好,可使板厚减薄，强度刚度增加,密度更小，强度大，吸能性好,新材料的应用,轻质替代材料,采用轻量化材料的原则：为保证车身的强度和耐撞性，需确保更换材料后车身零件的强度和吸能能力不会减少。,8.2车身轻量化的实现途径,结构优化：结构拓扑优化、尺寸优化、造型优化,板壳厚度梁截面平面惯性矩,对汽车零部件的精简和整体化、集成化,尺寸优化,应力分布均匀化,减小质量延长寿命,造型优化,向承受高负荷的部位储存材料将承受低负荷的部位去除材料,8.2车身轻量化的实现途径,革新工艺,革新工艺拓宽汽车轻量化的可能性,世界几种典型轿车用材百分比,8.2.1采用新材料实现汽车轻量化,1.普通低碳钢板1）钢板的成形性能冷冲压钢板是以金属的塑性变形为基础的加工方法。伸长率是衡量塑性变形能力的指标冷轧钢板：比热轧钢板冲压加工性能好，表面美观。在汽车上应用较多,广泛采用0.61.0mm板厚热轧钢板：在t800时轧制而成的，加工性不如冷轧钢板，厚度一般为1.66.0mm之间。板厚为1.21.4mm的热轧钢板主要用于车身下部构件、内护板、车门内板等，大于1.6mm以上的用于结构加强板和铰链等。,8.2.1采用新材料实现汽车轻量化,2.高强度钢板高强度钢板（HSS）指屈服强度为210550MPa的钢板，屈服强度大于550MPa的为超高强度钢板（UHSS或AHSS），是在普通碳素钢的基础上加入少量的合金元素制成。生产成本与普通碳素钢板相近，但其抗拉强度比普通钢板高得多，用以制造车身构件，可以明显减轻重量和造价优点1）可减轻零件的重量2）加工硬化率高，吸收更多的冲击能量，用于前后纵梁等处可提高汽车的安全性3）用于车身外部件，具有烘烤硬化性，可增强零件，提高外表面件的抗凹陷性能主要限制：随着钢板强度级别的提高，钢板的成形性变差。,高强度钢板及车身【案例1】ULSAB-AVC项目是通过全面开发两类车型欧洲的C级车型（C-Class）和北美的中级轿车PNGV的概念设计方案目标：满足2004年安全法规，显示钢结构汽车的高安全性亮点利用在2004年可以获得的先进钢材和加工方法适合于大量生产车身结构和闭合件等应是全钢的，钢材的供应没有问题使重量最轻，成本最小化,【案例】高强度钢板及车身ULSAB-AVC项目是通过全面开发两类车型欧洲的C级车型（C-Class）和北美的中级轿车PNGV的概念设计方案（车身结构和闭合件等是全钢的，使重量最轻，成本最小化）（1）平台概念1）C级和PNGV级两种车型共用一个平台2）两种车型共用一种车身结构平台，只是车门型式不同，车身长度尺寸略有不同；强调共用一个车头。,（2）精心设计载荷路径和接头车头的结构设计包括动力总成的布置和前端结构载荷路径布置设计A立柱之前的前端结构是前碰撞的主要吸能部分按照100%正碰和40%偏置碰撞的要求，综合精密考虑结构的载荷路径，设置了斜撑盒形梁，将前围档板与抗碰撞盒上、下和下封闭地板联接在一起，传递纵梁和拐角之间的载荷。,（3）底架前端结构前碰撞能量由两根纵梁传递，每个纵梁由两段钢管拼焊液压成形悬架支承力通过副车架传入车身前碰撞载荷路径是由保险杠梁和抗撞盒传及整个纵梁抗撞盒由两个冲压件组成盒形截面，焊在保险杠和纵梁之间,（4）车身侧围结构没有设置门槛内的和A柱下段的加强板。但为补偿强度，门槛内板与车身侧围外板都是用拼焊板制造前门铰链座插入A柱，且被焊于A柱内板和车身侧围外板。底架的左、右门槛内板之间，用穿透的矩形横梁拉住车身侧围用两根拱形管材构件传递A柱到后纵梁的载荷在前端，载荷是从前纵梁通过前围板碰撞盒传入A立柱。管材液压成形时，管径被扩胀并轴向地伸入定位工具，然后在A柱接头处全面焊接在后端，这个侧围构件安装在作为后纵梁上部零件的后地板上，通过一个支架和后纵梁联接。,（5）车身后端底架结构后端纵梁部分由后地板、后纵梁和门槛内板及轮罩内板组成，都由拼焊板制作。,3.表面镀锌钢板锌具有适应性很强的耐腐蚀性能随着轿车工业的发展，镀锌钢板用量逐年增加多用于容易腐蚀的车身零件，如挡泥板（轮罩），地板等车身底部及车顶，车门板。有些轿车车身几乎全部重要冲压件都采用镀锌钢板。,4.铝合金在轿车上应用,铝合金发动机气缸、离合器壳体,大众甲壳虫,玻璃增强纤维复合材料车身外壳,克莱斯勒CCV复合材料概念车,平均油耗实际为2.99L/100km，轿车自重800kg世界上第一辆批产低油耗轿车,大众3升车Lupo,全铝空间框架车身(ASF)，世界上第一种大批量生产的全铝车身轿车,奥迪A2,以全铝结构件为基础，使用钛，镁和碳纤维等贵重材料,福特P2000,广泛应用轻质材料，自重750kg,Ecobasic“3L”,镁合金和复合材料的车身框架，自重700公斤,丰田ES3,铝质车身,法拉利360Modena/Spider,全铝车身的豪华型轿车,捷豹XJ8,全铝车身的高级跑车,法拉利612-Scaglietti,5.塑料1953年汽车上第一次使用塑料作为汽车车身的内、外饰件的主要材料得到普及应用纤维增强复合材料出现，塑料材料在车身上的应用正在代替钢板，用作车身的板件和结构件塑料分类（按机械性能）通用塑料：用途广、产量大、价格低廉的普通塑料工程塑料：具有一定机械强度和特殊性能的增强塑料如发泡聚丙烯（PP）、尼龙,6.复合材料按性能分类：功能型复合材料结构复合材料按基体分类高分子基（PMC）复合材料金属基（MMC）复合材料陶瓷基（CMC）复合材料按增强相的种类、形状分类颗粒状层状纤维增强复合材料。节能、轻量化：长玻纤增强材料,（1）复合材料特点1）重量轻例：玻璃纤维增强材料（GFRP，玻璃钢），密度为1.62.4g/cm3，制作车身可大大减轻重量2）耐腐蚀，车身寿命长特别是玻璃纤维增强材料，几乎同玻璃一样具有不生锈和耐腐蚀的能力3）具有高韧性和抗冲击能力4）保温隔热性好除碳纤维增强材料外，复合材料导电、导热能力差5）成型性好纤维增强材料流动性和层压性好，使车身表面可制成形状各异的曲面6）车身部件大型化用复合材料可以制造集许多单一零件和功能于一体的多功能部件，或大型整体部件7）着色性好8）材料利用率高,（2）车身用复合材料车身上使用最多的复合材料是玻璃纤维增强材料（GFRP）和碳纤维增强材料（CFRP）1）GFRP的主要特点及其应用质量轻，比强度、比刚度高，耐腐蚀性能好,2）纤维增强材料（CFRP）的特点及其应用CFRP的主要原料与GFRP基本相同，只是增强材料为碳纤维而不是玻璃纤维与GFRP相比，CFRP密度低、抗拉强度高，耐蚀性、耐磨性好，有一定的减振和隔振性能CFRP材料广泛应用于汽车的各类板件、壳体件、各种支架、托架和许多重要的结构件,复合材料在车身上应用的示例,BMWCFRP侧围骨架,复合材料的框架结构,复合材料车身顶盖,复合材料备胎总成,雷诺Avantime车身塑料件,克莱斯勒的CCV车身,通用概念车Ultralite,复合材料在车身上应用的示例,Dodgeviper跑车的碳纤维车架结构,Porsche的碳纤维发动机罩,梅塞德斯奔驰SLR跑车,使用了一体式碳纤维车架的FerrariF50,复合材料在车身上应用的示例,轻质高强、耐撞击，抗断裂韧性好、减振，隔音性能好、可设计性好、电性能好、耐腐蚀性能好、热性能好、工艺性能优良、老化现象是复合材料的特点，尤其是新型碳纤维复合材料性能格外优越，最具发展前景。,8.2.2采用新工艺实现汽车轻量化,轻质材料在减轻车身重量的同时，也对汽车工艺提出了新的要求，例如，用新材料制造的零件进行组装结合时，就遇到了接合技术问题。采用高强度钢后，材料厚度更薄，传统的MAG焊接工艺面临无法解决的焊接难题。车身组装焊接技术主要种类,8.2.2采用新工艺实现汽车轻量化,轻量化成型工艺-精益成型,内高压成形原理图,1）管件液压成型技术也称内高压技术，是一种利用液体作为成形介质，通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零件目的的材料成形工艺。一般用来制造空心轻体构件。,金属板料液压成形原理图,2）热冲压成形工艺将钢板加热到Ac3点以上的A（奥氏体）区域进行冲压成形，然后在冲模中从Ar3相变点以上进行急冷。,热冲压成形零件1.侧门2.支架和梁3.各种突出梁4.B柱加强板5.外门板6.加强板7.纵梁,3）注射成形技术,应用注射成形技术的车门内板及仪表盘,4）发泡铝成形技术,发泡铝是空气与铝复合而成的材料。向铝模具内充气或把将要发生化学反应的小颗粒注入铝模具，形成发泡铝的多孔组织，就能充分吸收能量，缓冲和降噪。,2.结构件优化连接工艺可靠连接,车身制造中常用的焊接方法及典型应用实例,传统工艺和激光拼焊的对比,激光焊,激光焊汽车车架,8.2.3通过合理化结构实现汽车的轻量化,1将车身划分为吸能区和刚性区吸能区能吸收部分碰撞能量，并使用剩余碰撞能量分散性地传到刚性区，而刚性区能确保有足够的刚性和强度保护乘员不受损伤或少受损伤。2.增加焊点焊接总成在适当位置增加焊点点数、布置重要焊点来提高组件强度。以侧围总成为例，前门洞共60个焊点，后门洞共54个焊点。3.车身部件薄壁化、中空化、小型化和复合化，尽可能提高断面效率，减少零件数,4.采用承载式车身,8.2.3通过合理化结构实现汽车的轻量化,超轻车身轻量化实现方法,车身轻量化设计包含的七大要素,8.3车身轻量化设计实例,车身结构的轻量化设计可以分为两种方法：（1）在概念设计阶段就将轻量化的思想融入到车身结构设计中，设计出全新的轻量化车身；（2）对现有车型的轻量化改型设计。,前后两个碰撞吸能区,车身的刚度分配是碰撞安全性的决定因素。安全车身前后部位的刚度应低于中间乘坐舱的刚度。轻微事故时保险杠系统及其碰撞变形元件能吸收冲击能量，减少损失。重大事故时，乘坐舱变形应尽量小，让乘客有足够的生存空间。乘坐舱以外的部件应尽量参与变形并吸收冲击能量。,安全车身,车身结构轻量化设计方法,汽车的轻量化设计流程,车门的轻量化设计示例,车门是车身设计中比较特殊的部件，它在某种程度上说可以独立于车身结构之外，不受整车结构的限制。而它又是车身设计中结构最为复杂的零部件之一，设计要求比较高。故轻质车门设计具有典型性。,轻质车门方案,一般车门结构,优点：,缺点：,零件少、组装方便；刚性好、便于设两道密封条。,压床台面和吨位大、造型受限；刚、强度要求高；难实现轻量化。,内外板结构形式的车门，由薄板冲压的外板和内板翻边焊接或粘结而成。内板是车门的主要零件，冲有各种形状的窝穴、加强筋和孔洞，以便安装附件。,内、外板式车门,轻量化车门结构,提高刚度，降低厚度,框架式车门,轻质车门方案,零件数减少、可采用轻质材料、降低维修费用,模块化车门,从结构上实现车门的轻量化有两种方法：一是降低占车门大部分面积的内板和外板厚度；二是减少车门零件数量。框架式车门带有框架，框架为主要承载件，因此可降低内、外板板厚；模块化车门的零件进行模块化设计和生产，其零件数量可减少。,车门设计评价标准,评价试验,车门锁：开锁和防误锁、耐久性、承受载荷能力、互开率、耐惯性。,车门铰链：运动范围阻力矩、关闭余留角、强度、垂直刚度、耐久性。,摇窗机：操作方便、结构可靠、强度合适、寿命。,限位器：限制车门最大开度、耐久性。,.,侧面防撞杆：力和能量的传递作用。,外后视镜：大小、缓冲件结构、耐气候性能、耐久性能。,车门设计评价标准,轻质车门结构的有限元分析,原车门,下垂刚度应力图,下垂刚度位移图,扭转刚度（上）位移图,扭转刚度（下）位移图,窗框刚度（前）位移图,窗框刚度（后）位移图,检验载荷应