汽车轻量化研究概述

汽车轻量化研究概述,报告人：时间：,汽车轻量化的趋势汽车轻量化途径结构设计优化材料轻量化制造新工艺,内容,研究表明，轿车减重减重100kg与节油效果关系如下所示：,汽车轻量化趋势,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。,整车重量减少100kg,油耗：-0.4L/100kmCO2:-10g/100km,环保和节能的需要轻量化已经成为世界汽车发展的潮流和趋势!,绿色、环境友好型趋势,制造工艺创新,结构设计优化,热压成型、液压成型、激光拼焊内高压成型、电磁成型等,高强钢、镁合金、铝合金、工程塑料及其复合材料和陶瓷材料等,材料轻量化,同时，还有零部件数量集成及功能集成，实现整车轻量化,汽车轻量化的途径,结构优化,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。在现代汽车工业中，利用CAD/CAE/CAM等软件辅助汽车设计已经成为不可或缺的环节，涵盖了汽车设计和制造的各个环节。通过这类软件能够建立数字化模型，准确实现车身的实体结构设计和局部设计，同时可以通过仿真计算来检验汽车结构的刚度，模态等参数，并且能够便捷地对汽车结构进行改造。利用CAD/CAE/CAM一体化技术，可以准确实现各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件，还可以进行布局分析和运动干涉分析等，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。,从模流分析结果看，原方案的玻纤取向略差，经浇口调整后玻纤取向有所改善。CAE计算显示优化后刚度提升了10%。,原方案,新方案,结构优化,结合产品的结构设计，减重方案的开发与应用,高流动材料PP,降低产品壁厚，提高产品刚性，产品减重,1.高刚度保证零件的薄壁化,2.高流动性保证薄壁零件的成形性,结合产品的结构设计，可减轻更多的重量！,通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用各个环节都真正实现节能、环保。通过结合参数反演技术、多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。,通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用各个环节都真正实现节能、环保。,离合器软管,金属管+橡胶管+卡箍+接头,TPU外覆层+钢丝增强+PTFE内管,以少代多典型应用案例一,EPDM胶管+不锈钢管+卡箍,TPV吹塑管与EPDM胶管硫化粘接为一体,中冷器出气管,以少代多典型应用案例二,中冷器出气管,具体结构合理设计主要有以下3个方面：通过结构优化设计，减小车身骨架及车身钢板的质量，对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸。采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等，使结构更紧凑，或采取发动机后置、后轮驱动的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。在汽车结构优化设计方面，我国已经完全从依靠经验设计发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。,材料轻量化应用的现状,随着汽车材料技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成也在不断发生变化。以现代轿车用材为例，按照重量换算，钢材占汽车自重的5560，铸铁占512，有色金属占610，塑料占812，橡胶占4，玻璃占3，其他材料(油漆、各种液体等)占612。,汽车材料在汽车上的应用比例,轻量化汽车材料技术的发展趋势由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越，其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。但高强度钢和超高强度钢的应用，如汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。铝镁合金在汽车上的用量将明显增加。工程塑料、复合材料所占比例将有明显增长。多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减小质量。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。要实现多材料轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”,奥迪A8和英国捷豹XJ两个高级豪华车据守轻金属车身这唯一一块阵地宝马5系列车身前端总成以冲压铝板件，铸铝合金件和铝挤压件焊接而成目前只是在中高档轿车中广泛采用镁，铝，工程塑料和高强度钢的混合车身现代汽车的绝大部分内饰件以翼子板，保险杆外罩和许多乘用车的发动机罩内板都是由工程塑料制成的,高强度钢板,采用高强度钢板可以达到减薄车身用板的厚度和重量的目的,在轻量化的同时，增加了安全性能。据相关资料数据表明，当钢板厚度分别减小0.05mm、0.01mm和0.15mm时，车身减重分别为6%、12%和18%。高强度钢一般是指冷轧340MPa、热轧490MPa以上的钢,这些新型高强度钢板具有较低的屈强比、较好的应变分布能力和较高的应变硬化特性,同时高强度钢板的力学性能更加均匀，从而具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。,汽车用钢板的强化机理现代汽车高强度钢板是采用使其金相组织得到强化的机理，而获得组织强化、复合组织强化、相变强化、热处理强化、冷作硬化和时效强化等现代高强度钢。高强钢可分为传统高强钢（CHSS）和先进高强（AHSS）常用的先进高强度钢主要有复相（CP）钢、双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢和孪生诱发塑性（TWIP）钢等几种。传统的高强钢多是通过固溶处理和晶粒细化达到强化效果的。目前常用的传统高强钢为：高强度IF钢(HSIF)、烘烤硬化（BH）钢、冷轧各向同性(IS)钢、冷轧高强度含P钢和高强度低合金（HSLA）钢。,德国的两款轿车和SUV上所用的高强度钢材料,VWPolo（大众波罗）、PorscheCayanne（保时捷卡宴）、OpeVectra（欧宝维佳）等车型中现代高强度钢的用量分别为60%、36%、45%，用量非常大，而且已经超越了普通钢，成为汽车用钢的主力军，成为未来汽车材料的发展方向之一。,丰田汽车公司在其生产的丰田系列轿车上已经应用高强度钢制作车身及其零部件。车身质量要求越来越轻.,车身重量的变化及高强度钢的使用比例,20世纪90年代，国际钢铁协会的35家主要钢铁公司开展了超轻钢制车身（UltraLightSteelAutoBody）ULSAB项目。其内容是通过大量采用高强度钢板，并应用液压成形、激光拼焊板等技术使汽车减重25%。2004年项目取得成功，整车减轻质量25%，车身静态扭转刚度提高了80%，静态弯曲刚度提高了52%，汽车安全等级达到了欧洲NCAP五星级碰撞标准。ULSAB车体上高强度钢板使用率为90%，其中DP双相钢超过70%，另外还采用了4%左右的抗拉强度为1200MPa的超高强度马氏体钢。,除上述国家外，各大汽车企业和钢铁协会也组成了超轻钢车体计划(ultralightsteelautobody)，目的是研究出新型高强度钢材料，扩大高强度钢材料在汽车工业中的应用，其目标是开发新型轻型钢车体，该型车比现有的车型更安全、更节能、更有利于环境保护、售价不增加。其中材料的开发与优化包括：新型高强度高成形性钢的开发与使用的优化，形成了以高强钢、超高强钢、双相钢和TRIP钢为主的新型汽车用钢系列；以激光拼焊板、液压成形管件和夹层板为特色的新型钢材系列。,表1为欧洲车身会议（ECB）发布的部分车型白车身轻量化系数与上一代车型的比较。,从表1看出，排除结构优化的因素，新一代车型轻量化系数的优化效果与高强度钢板的应用比例的提高有着很强的对应关系。,2014款凯迪拉克ATS,整车大量使用高强钢和超高强钢，这些钢材的强度是普通钢材的48倍，提升整车强度的同时也均衡地控制了质量；全铝前副车架及镁铝合金悬挂构件比钢制冲压副车架减重近50；全铝发动机减轻了车头质量，实现了50：50的重量分配，改善了操纵性；镁合金发动机支架及铝合金发动机罩比铸铁支架、冲压钢板减重50；,东风日产-奇骏,我国已有武钢、宝钢、鞍钢、上汽集团、上海大学、重庆汽车研究所等单位对汽车高强度钢材料开展了研究，特别是宝钢、武钢、上汽集团等单位在高强度钢领域有突出地位。国家科技部已将“500MPa以上高强度钢的先进制造技术”列为了863重点支持项目。,铝及铝合金,铝合金的特点：铝的密度小（2.7g/cm），约为钢（7.8g/cm）的1/3。用铝合金代钢铁可减重50%左右,由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜（钝化），所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形状的零件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa。导热率和导电率是钢的3倍。在汽车上的应用范围铸造铝合金与变形铝合金都在汽车中获得了应用，但是以前者为主。当前铝合金的铸件主要用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。变形铝合金适合压力加工，通过冷变形和热处理可使其强度进一步提高。可制成板材、管材、棒材以及各种形状的型材。变形铝合金主要用于汽车车身。包括：发动机罩、车顶棚、车门、翼子板、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件。过去用于轿车车身的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)anAl-Mg-Si(6000系)三大系列。,铝合金车身板的应用及减重效果,在美国，95%以上的油罐车用铝材料制造,美国生产的全铝自卸车,美铝与宇通合作研发的新一代节能环保大巴的铝合金挤压框架结构。,全铝公用全铝公共汽车铝件的减重效果标示图。与钢结构相比，框架、轮毂。车身钣金件、内饰件分别减重800kg、170kg、550kg、400kg，合计减重量近2吨。减重近46%。,美铝公司和宇通公司合作研发的全铝公共汽车用铝部位图,沃尔沃S70的车门外板,宝马M3的发动机盖板,使用NovelisFusionAF350生产的汽车车门内板,全铝轿车车身空间框架示意图,奥迪的空间框架铝合金车身结构技术,铝合金车身结构,沃尔沃越野车纵梁,宝马汽车后车架,奥迪公司的油底壳,奥迪公司的侧面车架,国外品牌汽车铝合金防撞梁、吸能盒,美国通用公司的IMPACT牌轿车车身是铝材制造的。整个车身零件仅168种（原型为225种，最少的也有200种以上）冲压件占40%,车身有2000个焊点,120个铆接点,质量仅134kg。IMPACT的基本结构是一个被挤压的铝制模型，其大部分由高强度胶粘剂和常规焊接来粘合。,2011年奥迪A8整个白车车身300.7kg，相当于普通B级车身质量的80%。车身铝合金板钣金件47.6%；车身挤压型材结构件18.5%；车身铸造铝合金连接件27%；其他6.9%；铝合金板钣金件155件；挤压铝型材件30件；铸铝件25件。,在全新一代A8上，ASF车身也经过了改良，部分铝合金的厚度比老款的更薄，车身重量也因此降低了6.5kg。此外，新奥迪A8的车身在更轻的同时，整体刚性也比老款提升了25%左右。,ASF车身在构造上遵循了仿生学原理，从自然界中吸取灵感。车身骨架由铝质的挤压型材和压铸零件构成。,由铝挤压成型的多种盒形断面的梁构成空间框架,称为ASF。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一倍。ASF全铝车身的各部件通过冲压铆接、自攻螺钉和粘结等方式连接，组装自动化水平已达80%,日本：日本的NSX超级跑车NSX于1991款车型正式发售，首批量产车型配置全铝底盘和车身，在保持和钢制车身同等强度下，自重却减轻了200kg。,镁及镁合金,镁合金是一种轻合金,熔点为650,体积密度为1.74g/cm3。镁晶格具有密排六方体点阵,其滑移系数较小,冷变形较困难。当温度升高到250以上时,镁合金的变形较容易,同时具有较好的可塑性，被称之为“21世纪绿色结构材料”。镁及其合金是最轻的结构材料之一,由于镁合金具有优良的导电性、导热性、电磁屏蔽性能、高的比度、比刚度、减震性、加工工艺性能和易回收、有利于环保等特性,因此早已引起航空工业和汽车工业注意。,常用金属中最轻的金属,欧美采用镁合金制造的部分汽车零件,目前，铸造镁合金产品在用量最大,一、国内部分情况简介1、镁合金在一汽汽车上的应用一汽启动镁合金前导工程项目，购置了力劲集团生产的630吨镁合金压铸成套设备，前期试制了气门室罩盖、变速箱上盖、发动机油封镁合金压铸件，气门室罩盖已经装车试验。目前完成了至少三套模具制造，另外几种零件正进行产品设计，即将全面进入批量生产阶段。,2、镁合金在东风汽车上的应用东风汽车公司以镁合金变速箱上盖的产业化应用为重点突破对象，现已实现了变速箱上盖批量压铸生产。在此基础上初步制订了压铸镁合金材料技术条件和镁合金变速箱上盖零件技术标准，构成了产品质量体系的重要基础。,3、泛亚欧宝（深圳）金属制品有限公司泛亚欧宝金属制造（深圳）有限公司是由三家外资公司投资的全资外资企业，于2002年8月份筹建公司，2003年3月份正式投产。主要生产产品为安全带导扣、安全气囊壳体、曲轴箱壳体、汽车点火钥匙支座、油门支架等等。,镁合金的研究开发概况目前镁合金应用发展势头最大的国家和地区是:北美和欧洲、日本、韩国和中国台湾地区。在北美、欧洲，镁合金主要应用领域是汽车行业;镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减重基础上再减轻1520。尽管镁在当前汽车用材中所占的比例不到1，但是在轻量化的驱动下，镁材料技术开发的力度不断加大，它已步入快速发展阶段。到目前为止，汽车上采用镁合金的零部件至少超过60多种。,轻质材料变速器壳体变速器壳体、离合器壳体、操纵盖以及换档拨叉等零件目前已经广泛应用铝、镁合金，镁合金的密度为1.8g/cm3，是铝合金的2/3，不足钢的1/4，大众汽车公司和奥迪汽车公司启动了使用镁合金的战略，福特汽车公司也在其轻型载货车的离合器壳体中使用了镁合金。,镁铝变速器壳体,以塑代钢材料的发展,轻量化应对思路,以轻代重,以塑代钢,以少代多,金属零件塑料化,零件集成化,非金属材料轻质化,塑料等非金属,经济,国内某商用车用材统计,相关资料显示，商用汽车每减重10%，可提高燃油效率5%7%、减少CO2排放量4.5%左右。,以塑代钢背景及应对技术思路,工程塑料在商用车上的应用潜力有待发掘工程塑料的高性能化为其拓展应用提供了可能,与相同结构性能的钢材相比，塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多的潜力，在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，整体成本通常更低。塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。塑料材料在汽车行业中的应用前景广泛看好，目前世界上不少轿车上塑料的使用量已经超过了120kg/辆，奔驰的高级轿车上的塑料用量甚至超过了150kg/辆，国内一些轿车的塑料用量也达到了90kg/辆。汽车轻量化设计中，塑料材料在汽车内装件和外装件中被广泛应用，汽车塑料用量多少，已经成为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标准。,塑料应用的最大优势在于轻，其比重不超过2.0，而轻量化中常用的铝材质的比重为2.7。“以塑代钢”是外装饰件材料选择的一大趋势，主要部件有保险杠，挡泥板，车轮罩，导流板等；而汽车的内饰件上塑料应用更多，如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。此外部分高性能塑料还被应用于结构件和功能件，例如油箱，散热器水室，空气过滤器罩和发电机及其相关系统、风扇叶片等。,塑料在汽车上的应用,汽车用塑料零部件分为三类：内饰件、外饰件和功能件,以塑代钢高性能技术应用,塑料翼子板-2.5kg,发动机下护板-2.5kg,轮罩衬板-3.2kg,前端模块-3kg,前碰横梁-2.4kg,前碰吸能块-0.5kg,电池盒-4kg,脚踏板-1kg,后碰横梁-2.5kg,备胎盒-3.5kg,塑料背掀门模块-5.0kg,车身底部护板-4kg,车窗系统-18kg,综合各主机厂根据车型选用的以塑代钢轻量化技术可带来60kg以上的轻量化效果（外饰）。,塑料油箱-5kg,外饰新型技术应用总览,全景天窗-4kg,仪表板模块-0.5kg,门模块-2.0kg,座椅骨架-5kg,搁物版（衣帽架）-1kg,行李箱地板-2.5kg,仪表板支架-2.5kg,顶棚模块-2.0kg,储物盒-1kg,中控面板模块-1kg,综合各主机厂根据车型选用的以塑代钢轻量化技术可带来15kg以上的轻量化效果（内饰）。,方向盘模块-1kg,以塑代钢高性能技术应用,内饰新型技术应用总览,大众甲壳虫系列,雷诺CLIO（sports）,标致307,塑料翼子板优势,目前塑料翼子板设计主要关注问题：1.塑料翼子板材料膨胀系数相对金属材料较大，设计时需对间隙断差、尺寸公差进行重点控制；2.模具设计及制造工艺控制；3.喷涂方式与总装线设计的结合；4.根据成本分析，5万量产量以下塑料翼子板有系统成本优势，5万量以上则较金属有更大的成本压力。,典型以塑代钢技术介绍1.塑料翼子板（fender）,传统材料：金属替换材料：PPO+PA,金属重量：2.45kg塑料重量：1.15kg（单件）,本田Civic,雷诺MganeR26R,减重=50%,设计自由度=独一无二的造型,零件集成=降低复杂性,以塑代钢技术介绍2.塑料车窗玻璃,传统材料：玻璃替换材料：PC,玻璃重量：5kg塑料重量：2.5kg,福特kuga,设计：设计自由度高，成型工序简单节能：减轻重量约30%安全：提高防撞能力集成：后窗整合，减少装配工序,典型以塑代钢技术介绍3.塑料背门系统,传统材料：金属替换材料：PP+LGFPPO+PA,金属重量：20kg塑料重量：13-14kg,典型以塑代钢技术介绍4.塑料方向盘,优势：1.轻量化：可减重0.5-0.7kg2.零件集成化:可集成部分电器件安装固定结构3.工艺多样化：可实现多种工艺效果（水转印、IMD）4.环境友好：易回收,在我国，塑料件约占汽车自重的7%10%，举例来说，在轿车和轻型车中，CA7220小红旗轿车中的塑料用量为88.33kg，上海桑塔纳为67.2kg，奥迪为89.98kg，富康为81.5kg，依维柯0041则为144.5kg；在重型车中，斯太尔1491为82.25kg，斯太尔王为120.5kg。据有关部门统计，我国汽车用塑料的品种按用量排列依次为PP，PVC，PU，不饱和树脂，ABS，PF，PE，PA，PC，复合材料。,复合材料在汽车上的应用,复合材料即纤维增强塑料，是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外，还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料作为汽车材料具有很多优点：密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛，尤其在欧美车系中。其中尤以SMC（片状模塑料）和GMT（玻璃纤维增强型热塑性塑料）的应用最为广泛。曼、雷诺、沃尔沃、奔驰、依维柯、达夫等欧洲重型卡车制造商的驾驶室材料中，都大量选用了SMC。在国内，SMC材料在汽车领域也得到了广泛的应用，尤其是商用汽车领域。中国重汽、陕西重汽、福田欧曼、重庆红岩等主要重型卡车制造商，其驾驶室的制造都不同程度地采用了SMC材料。,塑料复合材料替代传统金属,塑料复合材料越来越多的用来替代传统金属材料，成为实现汽车轻量化用材主要趋势之一。,各种材料车身质量对比,各种材料能量吸收性能比较,数据来源,据最新统计，汽车行业的纤维增强塑料复合材料消耗量约占其世界总消耗量的80%。其中欧美消耗量大约占95%(欧洲占80%，美国占15%)。,在复合材料价值链中，原材料、浸渍、结构件制造等中间产品加工成本占50%以上。其原材料和浸渍成本具有相对稳定性，降低结构件的制造成本成为关键。,与整车价位有关的材料轻量化设计技术路线1、低价位车型（10万）：以钢为主+玻纤增强材料的应用；2、中等价位车型（10-20万）：以钢为主+少量的铝合金+玻纤增强材料的应用；3、高价位车型（20-80万）：以钢为主+多量的铝合金+玻纤增强材料的应用；4、高端车型（80万）：以铝合金为主+玻纤增强材料和碳纤复合材料的应用；,复合材料典型应用案例,SMC材料的应用,不锈钢或铝合金,SMC,牵引车工作台,采用由环氧树脂与甲基丙烯酸通过开环加成反应制得的乙烯基酯树脂，它保留了环氧树脂的基本链段，具有较高综合强度、高温性能。,发动机气门室罩盖,复合材料典型应用案例,前顶盖板,侧围护板,相比PP麻纤板，在性能相当基础上轻质GMT可以减重20%50%；强度更高。轻质GMT的拉伸强度和刚性模量都高于PP麻纤板一倍以上；耐热性更好。相对比的热变形温度，轻质GMT远高于PP麻纤板；更环保。轻质GMT相比PP麻纤板都是一种更低VOC、更环保的材料；,轻质GMT内饰板,复合材料典型应用案例,典型塑料复合材料汽车零部件：,涉及前端模块、侧门模块、后尾门骨架、备胎舱、座椅骨架、仪表板骨架、顶棚、底护板和发动机罩盖等部件,以前端模块为例，传统前端模块采用10-20个钢板冲压件焊接而成，为此，需要开发多达65套以上的模具，最终产品的重量为5.5Kg。,选用长玻纤增强热塑性聚丙烯（PP-LGF30）制作前端模块，其材料性能要求如下表所示，应用模压成形技术可以将20多个冲压件进行有效地组合集成化，且只需开发一套模具，就可完成整个产品的一次性成形。,相对金属冲压件，玻纤复合材料(PP-LGF30)制作的前端模块部件，其产品重量仅为3.5Kg，实现部件减重30%。同时，还减少150万元的前期模具投入费用，减少了焊接、涂装等生产工序。,碳纤维复合材料在汽车上的应用,由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量4060，相当于钢结构重的1/31/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车重量仅为172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50。并且当生产量在2万辆以下时，采用RTM工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。主要在豪华轿车、跑车上、赛车上应用如宝马、雷克萨斯、兰博基尼等,该车的整个车身采用了碳纤维材质打造，而底盘则由蜂窝式结构的铝合金制成，使得整车在保证刚度的同时，底盘量仅为70kg，车重仅有1330kg，是超级跑车领域中最轻的车型。,最轻量化的超级跑车柯尼塞格AgeraR,碳纤维还因为其环保、耐磨的特点而应用在刹车片上，碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，而且具有非常优秀的制动稳定性和热稳定性。应用于F1赛车。,碳纤维一体式车架最早出现在F1赛场，当今F1车身上90%为合成材料，这些合成物中90%都是碳纤维。碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，其轴向强度和模量非常高，通用型碳纤维强度为100MPa，模量100GPa左右，无蠕变，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好。根据力学性能，碳纤维又分为通用型和高性能型，高性能型碳纤维主要有高强性（强度2000MPa，模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上），而当今航天航空工业中使用的超高强型碳纤维强度已经高于4000MPa，高模型碳纤维模量已经大于450GPa。,碳纤维符合材料的应用优势,碳纤维符合材料在汽车制造中的应用领域,碳纤维符合材料在汽车制造中的实际应用,碳纤维符合材料在汽车中的实际应用,碳纤维符合材料在汽车制造中的实际应用,宝马M3碳纤维车顶车重降低5KG,市场售价110.5万，普通钢制车顶售价110万,本田御用改装厂无限推出碳纤维材质牌照架版改装飞度,雷克萨斯FLA优质跑车60%车身采用碳纤维符合材料不仅加强车身坚固性较铝制车身减重100KG,陶瓷材料,继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。发展只有20年左右，但具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等）和化学性能（耐热冲击、耐氧化、蠕变等）。作为轻量化材料用于汽车零件，不仅直接起到轻量化的作用，更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件，使功率提高，油耗大大下降，从节能角度看则间接地起到轻量化效果。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料，其最大特点是刚性高、比强度高、密度低。目前应用在汽车上的实例还不多，但应用研究在不断前进，将来会较多地得到运用。,卧铺板,蜂窝夹芯板,菱镁复合板,面层和衬条采用五合板,陶瓷材料典型应用案例,液压成形就是利用流体介质来代替模具传递力以实现金属塑性加工称为液压成形。液压成形分为两种:一种是所谓内高压成形,即在金属管内充满高压液体,并利用模具施压使其成形;此外就是金属板料的液压成形,它利用高压液体代替一半模具,使板料成形,获得工件。液压成形,尤其是金属管件内高压成形,不但简化了模具结构,缩短了产品的生产周期,而且可以制造出其它方法所不能制造的复杂工件,这对提高汽车性能、减少零件数量和减少汽车自重有十分重要的意义,已经得到广泛应用。,汽车轻量化新工艺液压成型,液压成型的应用,液压成形技术早在20世纪40年代就被用于汽车制造业。20世纪90年代以来，受到汽车轻量化及安全性要求的推动，汽车中越来越多的结构件采用圆管作为成形毛坯，利用充液成形技术来完成制造，如汽车传动轴、轿车发动机支架、排气管、装配式凸轮轴等。在德国、美国的汽车制造业中得到了广泛的应用，目前，包括丰田、奥迪在内的众多著名的汽车制造商已将此技术应用于汽车覆盖件的生产上。,液压成形件在车身结构中的应用,可用液压成形生产的汽车零部件,内高压成形工艺的典型应用,采用内高压成形技术，可制造各种沿轴线变化的圆形、矩形或异性截面的空心结构汽车零件。例如：美国福特公司的Mondeo轿车的发动机支架采用液压胀形技术后，与传统的加工技术相比，具有显著的优势：零件数由6个减少为1个；制造工序由32道减少为3道；构件的质量由12kg减少为8kg；每件的成本由20英镑减少为10英镑。典型零件如图所示。,采用液压胀形工艺制造的车身纵梁和发动机支架,板料液压成形工艺的典型应用,液压成形技术是近10年被广泛关注的一种近净成形技术，且由于板料液压成形技术具有如上显著优点，已广泛应用于制造汽车零部件。下图是Audi公司生产的侧面车架和油底壳，采用液压成形技术后，减少了原先的组装和焊接工序。其次，模具成本大约为传统工艺的1/3。,abAudi公司生产产品a侧面车架b油底壳,2013款福特Fusion的A柱、B柱将采用液压成型技术，据福特车身工程师称该技术为业界首创。他使用液压成技术代替原有的热压印焊接薄板来制造车顶柱结构，既减轻了重量，又节约了成本和材料，最重要的一点是防撞性能更出色。“液压成型技术使得汽车的车身有更好的结构连续性。”,汽车轻量化新工艺热压成型,热成形技术是将热冲压高强度钢板料在防氧化加热炉中加热到奧氏体再结晶温度以上，其微观组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体，并且保温一段时间使其充分均勾奧氏体化，再通过机械手等设备将高温板料转移到具有冷却水道的热冲压模具中，最后完成板料的冲压成形和保压洋火。板料在高温下冲压成形可以保证其成形性能和成形精度，热冲压成形后板料的微观组织由奥氏体转变为板条状马氏体，抗拉强度可以达到500MPa左右，最终获得兼具高强度和高精度的热冲压零件。热成型工艺原理如下图所示。,东丽公司将碳纤维定位为“战略性扩大业务”，汽车是最有望大量应用这种材料的领域。计划通过概念车扩大汽车厂商对碳纤维的应用。,图为冷冲压和热成形方案下B柱单件示例。下表为参照前期车型B柱单件分别在冷冲压和热成型工艺下的质量分析。,热压成型在欧洲车企中的应用,热压成型板在车身上的具体的应用,热压成型板在5系宝马上的具体的应用,热压成型板在国内车企中的应用,热压成型板在国内车型上的应用,2014全新明锐所采用的热成型钢板分别用在前保横梁、左右前纵梁、左右A柱加强钣、中央通道、以及前后门防撞杆等车身核心关键位置，占整体车身的比例高达20%，与原先的车辆相比减轻了23KG，在提升车身强度的同时，有效降低油耗。,汽车轻量化新工艺电磁成型,电磁成形是使金属在极短的时间内受到高强度的电磁力的冲击而产生塑性变形，属于高能快速成形。电磁成形技术具有加工能量易于精确控制、成形速度快、工装简单、成形精度高、可提高某些材料的塑性等特点。现已广泛应用于诸多领域，例如机械、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等。在利用电磁成形技术做复合冲压成形件方面，美国的俄亥俄州立大学以及以色列的PULSAR公司作了大量的研究,并做出了6011Al材料的汽车车门实验样品,外观和强度都基本达到了使用要求。电磁成形工艺作为一种无污染、高能效的绿色加工技术必将得到越来越广泛的应用。,电磁复合冲压成形在汽车制造中的应用,实现汽车轻量化,以提高燃油经济性和减少环境污染是当前汽车工业发展的主要方向,汽车轻量化的主要有效途径是提高铝化程度,即采用高强度铝合金在汽车结构件方面替代钢,据估算,车身全部为铝材,则整体质量将减轻50%。而在制造技术方面,铝合金存在成形性能较差、焊接困难等不少难点,从而导致模具费用投入多,车身生产过程延长,成本升高,很大程度上制约了铝合金在汽车制造中的广泛应用。而电磁成形这种先进制造技术为在批量生产的汽车上使用铝合金提供了可能。美国俄亥俄州立大学的Vohnout等人对汽车铝合金门内衬板电磁复合冲压成形进行了研究,如图所示,利用电磁成形线圈及模具校形(放电能量40kJ)后汽车内门板的凹槽底部圆角基本消失,出现了清晰的棱线,完全达到了钢板成形的效果。所以利用电磁成形的方法能使铝合金板克服成形极限差的缺陷。电磁复合冲压成形一次成形周期可控制在5s钟以内,可以适用于汽车制造业的批量生产。,a)预成形b)电磁校形,铝合金汽车内门板的电磁复合冲压成形,汽车用铝合金传统成形件以及电磁复合成形件实例,电磁焊接在汽车制造中的应用,电磁焊接对于同种材料以及焊接性能差异大的异种材料的连接是一种有效的方法,并且可以焊接常规方法难以焊合的材料,如Al7075,可用于管与板之间的焊接、管与管之间的焊接以及薄板与厚板之间的焊接等。以色列PULSAR焊接公司以及美国的DANA公司对电磁焊接在汽车工业中的应用有比较深入的研究。下面是电磁焊接在汽车制造方面的具体研究成果