汽车轻量化技术学员三PPT课件

1、1-294在小型化发动机的研究领域，国外跨国汽车企业和发动机制造商已经走在前列德国大众公司2004年，大众公司首次在其旗下的奥迪A3跑车上推出了装用排量为2L的4缸直喷、涡轮增压TFSI汽油机 ，其油耗并不比同等排量的传统汽油机多，可是功率却比后者多1倍。奥迪A3小型化汽油机第1页/共80页2-294大众公司开发的、已装于高尔夫和途安MPV车上，排量为1.4L的TSI 小型化汽油发动机，替代1.6L2.0L汽油发动机。它真正实现了在传统B级车上装上小排量A级车的发动机，在使用性能不变的情况下，实现了小型化 途安MPV大众Golf1.4LTSI汽油机第2页/共80页3-2942005年，为使第六

2、代帕萨特B6轿车跨越中级车界限，各项性能达到高级轿车的水平，开发出排量为3.2L(面向欧洲市场)和3.6L(面向北美市场)，集多项先进技术于一身的VR系列横置机型的小型化汽油机，加上帕萨特B6的车身采用了防撞超轻结构，所以整车的各项性能指标非常接近于E或F级车。此即实现了轻量化要求下的小型化。大众的VR6发动机帕萨特B6轿车第3页/共80页4-2942009年推出了全新的高效能低排放1.6L、2.0L福特EcoBoost四缸汽油发动机。实现了发动机的小型化。该系统融合了三大关键技术的优势：燃油高压直燃油高压直喷喷、先进涡轮增压器先进涡轮增压器和双独立可变气门正时系统双独立可变气门正时系统。福特

3、EcoBoost发动机设计理念的主要优势包括：（1）优化的发动机效率燃油经济性和二氧化碳排放至多可优化20%（2）小型发动机的优势获得大型发动机的驾驶性能，却享有小型发动机的尺寸、重量和燃油经济性（3）更丰富的驾驶乐趣低转速下的强劲扭矩和宽转速范围内的优异性能响应美国福特公司第4页/共80页5-294福特EcoBoost四缸汽油机福特Focus福特蒙迪欧-制胜第5页/共80页6-294通用汽车研发的涡轮增压汽油发动机 (运动版OpelCorsa、Astra) 分别在2009年投入中国市场，这是通用在全球汽车轻量化发展战略中在中国市场的第一款小型化 发动机。将搭载于雪弗兰科鲁兹和别克君威。将使中

4、国用户享受到更加出色的动力性能，同时也拥有出色的燃油经济性。涡轮增压汽油发动机雪弗兰科鲁兹别克君威美国通用公司第6页/共80页7-294其他已经或即将提供小型化发动机的生产商制造商制造商原发动机原发动机小型化发动机小型化发动机应用车型应用车型菲亚特菲亚特 2缸、0.9L汽油和柴油发动机 菲亚特500Panda 1.6L1.8L汽油发动机 1.4LT-Jet 博悦（Bravo） Linea 雷诺雷诺 1.5L柴油发动机 1.2L汽油涡轮发动机雷诺Laguna 雷诺Twingo 雪铁龙雪铁龙 1.6L柴油发动机 雪铁龙C5AVL 2.0L、149kWDGI-tc概念款汽油发动机 宝马宝马 2.0L

5、双涡轮柴油发动机 BMW 1系列 V8柴油发动机 双涡轮柴油发动机I6 BMW X5 第7页/共80页8-2942 汽车其他零部件的小型化德国舍弗勒集团是全球汽车制造业中极富声誉的供应商之一。通过三个知名品牌:INA，FAG和LUK，积极活跃在汽车制造、工业制造和航空航天领域。 该公司一直在向日本的富士重工集团的汽车上供应CVT链条，富士重工对这种部件的外观品质要求比其他欧洲汽车厂商更高且更加严格。2009年，舍弗勒集团研发出一种新型的CVT变速器链条，装载在斯巴鲁新款力狮上，具有传动效率高于传统主流金属带的特点，具有传动效率高于传统主流金属带的特点，在提高效率的前提下实现系统的小型化，从而直

6、接减小CVT变速箱的体积。但耐用度更强，达到机械最小化的理想造车水平。第8页/共80页9-294斯巴鲁力狮链条式无级变速器舍弗勒集团CVT链条通过装配CVT链条减小CVT变速箱的体积，与改进之前相比，体积小，创新性的链条传动方式，结构简单、换挡连续自然、燃油经济性好，在车辆高速巡航时，能使发动机保持较低转速，而需要紧急提速时又能迅速降挡以提供充足扭矩。 第9页/共80页10-294汽车轻量化之第三章 汽车轻量化的主要途径第10页/共80页11-294非承载式车身 现在接触的非承载式车身车型比较少，多数是卡车、专业越野车之类。非承载式车身的汽车有刚性车架，又称底盘大梁架。这种车架一般都是矩形或者

7、梯形的，布置在车身的最底部。第11页/共80页12-294 车架承载着整个车体，发动机、悬挂和车身都安装在车架上。我们从图片中可以看到车架上有用于固定车身的螺孔以及固定弹簧的基座。所以从理论上说，即使没有车身，单是一个车架“裸奔”也是没有什么问题的。那么车身的作用是什么呢？显而易见，为了给驾驶者和乘客提供一个舒适安全的环境，以及为了美观。 第12页/共80页13-294 这种结构的最大优点就是车身强度高，钢架能够提供很强的车身刚性，也有利于提高安高安全性，对于载重车和越野车来说这一点非常重要。另外驾驶过这种车的人应该有所体会，悬挂对路面颠簸的反馈在车内的感觉要轻微很多，这是因为有些车的车身和底

8、盘之间采用降低振动的方法连接在一起，所以在走颠簸路面时更平稳舒适一些。 第13页/共80页14-294 在早期几乎所有汽车都采用这种结构。一百多年以前，当时的汽车还是定制车的时代，人们买车时会先选择底盘，然后在底盘的基础上再选去择不同的车身制造商定制不同样式的车身。 第14页/共80页15-294 但是随着时代的发展，非承载式车身非承载式车身的缺点暴露出来，其中之一是重量大，车架本身就很重，而车身和车架又是两个独立的部件，所以整体重量就更大了，用的钢材多，成本也会相对较高。非承载式车身非承载式车身还有另外一个问题就是车辆重心比承载式更高。我们可以想象一下，车架在底部，而车身是安装在车架上，那么

9、车身的地板无论如何也要在车架之上。如果各位有坐过非承载式车非承载式车身身结构的专业越野车可能会有这样的感觉：整辆车看上去非常高大，可是坐进去感觉却没有想象中那么大，因为地板也很高。 第15页/共80页16-294 承载式车身 对于家用车来说，非承载式车身非承载式车身最大的问题就是车身重量太大，因而随着汽车技术的发展，人们取消了非承载式结构中独立的刚性车架，整个车身成为一个单体结构，这就是承承载式车身载式车身。第16页/共80页17-294第17页/共80页18-294承载式车身的外壳、车顶和地板以及通常我们所说的A、B、C三根柱都是连接在一起的。在冲压阶段，钢板先被冲压成不同的形状，然后焊接成

10、一个完整的车身。其实这些部件按照功能可以大致分为两种：和第18页/共80页19-294 所谓覆盖件就是覆盖在车身表面的部件，基本上从车外看到的部分都属于覆盖件，如车门、车顶、翼子板等等，通常起到美观和遮风挡雨的作用，一般都用厚度不超过1毫米的钢板冲压而成。平时所说的某辆车钢板的薄厚就是指这些部位。实际上这些部位对于车身强度的影响很有限，所以不能从车身覆盖件的薄厚来判断一辆车的碰撞安全性了。 当然，较厚的钢板在抵御轻度刮蹭方面还是要更强一些。 第19页/共80页20-294 承载式车身结构承载式车身结构件隐藏在车身覆盖件之下，对车身起到支撑和抗冲击的作用，分布在车身各处的钢梁是车身结构车身结构件

11、的一种。由钢板围成一个闭合断面结构，钢板的厚度和材质规格都要比车身覆盖件高很多，而且为了在碰撞时有效吸收撞击能量，这些钢梁还会将不同强度的钢材焊接在一起，形成有效的溃缩吸能区。还有一些钢梁不一定是闭合断面结构，它们在尽量轻量化的原则下被设计成各种不同形状以承受特定方向上的力。 第20页/共80页21-294 承载式车身承载式车身最大优点莫过于重量轻，而且重心较低，车内空间利用率也比非承载式车身非承载式车身结构更高，所以在家用轿车领域已经取代了非承载式车身非承载式车身结构。但承载式车身承载式车身的抗扭刚性和承载能力相对较弱，所以在越野车和载重货车领域还是非承载式车身非承载式车身的天下 第21页/

12、共80页22-294汽车轻量化之第三章 汽车轻量化的主要途径第22页/共80页23-294第23页/共80页24-294 内高压成形（Hydroforming）也叫或，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。 适用材料和应用范围：具备优良的可延伸性为液压成形法的特性，原则上适用于冷成形加工的材料均适用于管件液压成形技术，目前主要以碳钢、特殊钢、不锈钢、铝合金、铜合金等为主。 第24页/共80页25-294通过和补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需要的工件，如下图所示。对于轴线为曲线的零件，需要把管坯预弯成接近零件形状，然后加压成形。 内高压成

13、形原理第25页/共80页26-294内高压成形过程第26页/共80页27-294内高压成形技术优势 内高压成形的构件质量轻，产品质量好，并且产品设计灵活，工艺过程简捷，同时又具有近净成形与绿色制造等特点，因此在汽车轻量化领域获得了广泛的应用。通过有效的截面设计与壁厚设计，许多汽车零部件都能用标准管材，通过内高压成形制成结构复杂的单一整体构件。这显然在产品质量，生产工艺简捷性等方面比传统的冲压焊接方式优越得多。 大多数液压成形工序只需一个与零件形状一致的凸模（或液压成形冲头），液压成形机上的橡胶隔膜起到通常凹模的作用，因而模具成本比传统模具少约50 与传统的需多道工序的冲压成形相比，液压成形只需

14、一步就可成形相同零件第27页/共80页28-294 管材液压成形的优点是:节约材料 ,减轻重量 ,一般结构件可减重 20 %30 % ,轴类零件可减重 30 %50 %：如轿车副车架 ,一般冲压件重为 12 kg,内高压成形件为 79 kg,减重 34 % ,散热器支架 ,一般冲压件重 16 . 5 kg,内高压成形件为11 . 5 kg,减重 24 %; 可减少后续的机加工量和组焊工作量; 提高构件的强度与刚度 ,由于焊点减少而提高疲劳强度。 材料利用率为 95 %98 %; 降低生产成本和模具费用30 %。 目前 ,北美的新车型有近50 %的结构件采用液压成形。今后 ,新设计的新型轿车 5

15、0 %的结构件将由冲压件改为液压成形件 ,广泛用于轿车的副车架、 散热器支架、 底盘构件、 车身框架、 排气系统异型管件。目前北美需求量为3600万件 /年 ,欧洲需求量为 2000万件 /年。 我国一汽已和哈工大合作试制自主品牌轿车的副车架 ,并进行疲劳试验;上海宝钢也引进了一条液压成形生产线 ,并试制了专用管材。Posco已建有 1 600 t的排气系统零件的专用生产线 ,并拥有 2条全自动的生产线 (分别 5 000 t和 3 500 t)。第28页/共80页29-294对形状和轮廓复杂的成形具有柔性对形状和轮廓复杂的成形具有柔性可以成形不规则形状可以成形不规则形状换模快换模快： 因为模

16、具的简化，上模非常快速简便后加工成本减少：后加工成本减少：隔膜的“包裹效应”几乎消除了传统模具产生的拉痕，大 大减少了后加工成本可保持紧密的公差配合，可保持紧密的公差配合，而不需要昂贵的二次操作材料变薄最小材料变薄最小 ：材料可流动，故材料变薄减小内高压成形特点第29页/共80页30-294 汽车工业应用管材内高压成形技术（THF）是近年来汽车制造技术重要的里程碑之一，一般而言，THF技术在汽车零件的应用如下表：汽车系统名称汽车系统名称应用产品应用产品 排气系统 (Exhaust system parts)考虑耐热及腐蚀环境，大多使用不锈钢材料，产品：engine tubes， catalyt

17、ic converters， pressure tubes， tail pipes， connectors and manifolds。 底盘系统 (Chassis parts)材料：低碳钢及中碳钢，少部分使用铝合金材料，产品： Frame rails， engine cradles， roof rails and bows， rear axle frames and radiator frames。 引擎与动力系统 (Engine /power train components)产品：Suspension cross members， hollow camshafts， drive shaf

18、ts and gear shafts。 车身及安全部件 (Body and safety parts)主要产品有Windshield headers， A/B/C pillars， space frame components， instrument panels， seat frames and shock absorber housings。内高压在汽车工业中的应用第30页/共80页31-294液压成形零部件液压成形零部件第31页/共80页32-294从 地 区 来 看 ,目前德、美、日、韩汽车大厂均已引入该项技术，北美的使用量已逐步超过欧洲而成为液压成形零组件最大消耗地区Volvo 85

19、0铝制前端BMW M3之排气系统Ford CDW27 引擎支架总成引擎支架总成DaimlerChryster 侧框侧框第32页/共80页33-294 内高压成形主要悬挂构件：引擎支架，前A A梁，前梁集成，副车架，转向节集成. .排气系统传统生产工艺和内高压生产工艺比较排气系统传统生产工艺和内高压生产工艺比较第33页/共80页34-294前纵梁B形支架第34页/共80页35-294 内高压成形设备主要由合模液压机、水平推缸、高压源、液压系统、水压系统及计算机控制系统组成。合模液压机可以提供合模力 ,在加压成形期间将上下模具闭合锁死。内高压成形专用设备第35页/共80页36-294美国美国Wil

20、liam White公司公司4000T内高压成形机内高压成形机ITC公司小吨位内高压成形机公司小吨位内高压成形机第36页/共80页37-294内高压模具内高压模具第37页/共80页38-294瑞风SUV汽车前梁实物图基于UG造型的三维模型江汽项目内高压成形典型轻体空心构件的研究第38页/共80页39-294汽车前梁内高压成形数值模汽车前梁内高压成形数值模拟拟弯曲工序有限元模型下模上模管坯下模管坯上模内高压成形过程有限元模型第39页/共80页40-294成形极限图厚度分布云图第40页/共80页41-294 本研究所的工作人员针对汽车前梁设计了专门的内高压成形模具并成功的研制了内高压成形汽车前梁样

21、件模具模具试制样件试制样件工装及产品工装及产品管料（防锈铝）管料（防锈铝）第41页/共80页42-2941000吨液压成形设备TWAZ-1.3型高压泵BZ-4型快速接头压机及配套压机及配套第42页/共80页43-294 该类零件广泛地应用于汽车排气系统零件，是典型内高压成形件延伸研究支管类零件内高压成形左侧推杆右侧推杆模具非对称三通管有限元模型第43页/共80页44-294延伸研究汽车桥壳内高压成形平板毛坯冲压成形桥壳部件焊接成形桥壳本中心目前与合肥车桥厂合作开展的汽车桥壳整体液压成形工艺研究项目第44页/共80页45-294初始管坯缩径管坯液压成形件桥壳本体液压成形数值模拟第45页/共80页

22、46-294第46页/共80页47-294 热冲压成形 在高强度下，冲压构件的回弹以及模具的磨损等都难以解决，在这种情况下产生了热成形高强度马氏体钢及相应的工艺成形技术，其应用也取得了进一步的发展。 热冲压成形技术是将钢板（初始强度为500600MPa）加热至奥氏体状态，然后进行冲压并同时以20300/s的冷却速度进行淬火处理，（保压一段时间以保证淬透）以获得具有均匀马氏体组织的高强钢构件的成形方式。 目前热成形用钢有4种：Mn-B系列,Mn-Mo-B系列, Mn-Cr-B系列,Mn-W-Ti-B系列(B钢的应用主要是为了提高钢板的淬透性)。 第47页/共80页48-294BORON钢板下料和

23、冲孔成形性评估是否需要预成形加热到AC3左右变位奥氏体钢板或预成形件快速移动到压机快速合模、成形，保压冷却至组织全部为马氏体抗拉强度为600MPa左右预成形随室温冷却，若采用裸板则进行喷丸处理以去除表面氧化皮激光（模具）切边、冲孔最后得到抗拉强度为1500MPa左右的零件第48页/共80页49-294 得到超高强度(1000MPa以上)的车身零件； 减轻车身重量； 提高车身安全性、舒适性； 改善冲压成形性； 控制回弹，提高零件尺寸精度； 提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蚀性； 降低压机吨位要求；第49页/共80页50-294u 为避免热成形过程中的氧化，在钢板的表面通常进行镀铝、镀铝硅合金或

24、者镀锌等各种涂层。（为保证涂层的结合力和抗氧化性，韩国POSCO正在开发纳米涂层）u 加热时，炉子中通常通有保护气体（也有在热成形后进一步清除表面氧化的措施）第50页/共80页51-294屈服强度 / MPa抗拉强度 / MPa延伸率 / %热成形前41759223热成形后102215376第51页/共80页52-294 德国大众速腾车身上，采用了超过60%的超高强度和高强度车身材料，具有极高的机械安全性。其中热成形钢板主要应用于前、后保险杠骨架以及A柱、B柱等重点部位，在发生撞击时，尤其在正面和侧面撞击时，可有效减少驾驶舱变形，保护驾乘人员的安全。下图中箭头指向的红色部分为迈腾车身采用热成形

25、钢材的部分，凭借热成形钢材的高强度特质减少驾驶舱变形。迈腾车身采用热成形钢材实图第52页/共80页53-2941.前、后门左右防撞杆（梁）2. 前、后保险杠3. A柱4. B柱加强板 5. 中通道 6. 车顶加强梁 7. 其它车身、底盘结构件、加强件第53页/共80页54-294第54页/共80页55-2941985年，蒂森钢铁为Audi100地板开发了全球第一块激光拼焊板；2003年全球生产了160，000，000件激光拼焊件激光拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求，也可以把相同材质的等厚材料焊接到一起冲压，以提高材料利用率。第5

26、5页/共80页56-294 拼焊工艺的优势在于拼焊工艺的优势在于： 减轻重量减轻重量减少部件减少部件提高性能提高性能减少搭接减少搭接 降低降低材料损耗材料损耗材料物流成本材料物流成本降低整车制造和降低整车制造和 装配成装配成本本降低油耗降低油耗 降低降低 模具成本模具成本 工夹具成本工夹具成本 冲压成本冲压成本 组装成本组装成本 材料成本材料成本 物流成本物流成本 增强增强改善抗疲劳性能改善抗疲劳性能增强抗冲击性能增强抗冲击性能增强整车防撞性能增强整车防撞性能充份发挥各部件的充份发挥各部件的设计性能设计性能提高装配一致性提高装配一致性 增强增强减少焊缝材料搭接减少焊缝材料搭接提高焊缝强度提高焊

27、缝强度改善焊缝成形性能改善焊缝成形性能增强焊缝的抗腐蚀增强焊缝的抗腐蚀性能性能第56页/共80页57-294目前，中国的激光拼焊板生产线已超过10条，posco的全自动激光拼焊板线有7条，其中2条可加工曲线，年总产量可达到670万片第57页/共80页58-294可以实行拼焊的汽车零部件可以实行拼焊的汽车零部件在汽车中在汽车中采用激光采用激光拼焊板材拼焊板材后，可使后，可使零件重量零件重量减轻减轻24%，零件数量零件数量减少减少19%，焊点下降焊点下降49%，生，生产时间缩产时间缩短短21%第58页/共80页59-294第59页/共80页60-294 （1）电阻焊 是通过施加在电焊电极上的电流将

28、零件的接触表面溶化，然后在压力作用下连接在一起。炮弹外壳炮弹外壳滚压缝焊机滚压缝焊机平面多点焊机平面多点焊机第60页/共80页61-294 （2）激光焊。它是采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，当焦点靠近工件，工件就会在几毫秒内溶化和蒸发，从而将不同厚度、不同材质及不同表面状态的钢板焊接在一起。激光焊汽车轮毂激光焊汽车轮毂激光焊汽车车架激光焊汽车车架第61页/共80页62-294第62页/共80页63-294楔横轧技术（Cross-wedge Rolling） 楔横轧工艺是阶梯轴类零件塑性成形的新工艺，在该工艺中，楔形模具作相向运动，扎入圆形截面的毛坯，迫使毛坯

29、回转并沿着模具的型面作相应地减径和延伸。 楔横轧设备楔横轧设备 汽车轴类零件汽车轴类零件第63页/共80页64-294楔横轧大致可以分为两大类：辊式楔横轧和板式楔横轧辊式楔横轧辊式楔横轧板式楔横轧板式楔横轧第64页/共80页65-294生产效率高，可比其他工艺提高3l0倍材料利用率高，可节约材料20 35 产品质量好，楔横轧件金属纤维流线沿轴线保持连续，而且变形时金属外层的硬化使得疲劳强度和耐磨性都有所提高所需设备吨位小，模具寿命高，平均寿命可达2O30万件由于楔横轧成形过程无冲击，噪音小。使工作环境大为改善，加之易于实现机械化自动化，使劳动强度大大降低传统的楔横轧技术只能生产圆截面的轴类件模

30、具特别复杂而且尺寸大，故该工艺适合于生产批量大的轴类零件楔横轧不能轧制大型件，轧制棒料的长度也受到限制第65页/共80页66-294楔横轧二次楔扎制的汽楔横轧二次楔扎制的汽 车中间轴与主动轴车中间轴与主动轴 国产的楔横轧五金工具毛坯国产的楔横轧五金工具毛坯原料第66页/共80页67-294 过度滑移过度滑移 缩颈缩颈 中空中空第67页/共80页68-294 传统的楔横轧件都是实心的，截面为圆形的同心阶梯轴类件，同时是在热状态下成形的。 为扩大楔横轧的应用范围，进行了空心件，偏心件，非圆截面的楔横轧及冷楔横轧的研究。例如采用楔横轧，可以由钢管制造各种阶梯轴，如齿轮轴、凸轮轴等 ，一般可减重30%

31、。 空心件空心件实心件实心件第68页/共80页69-294第69页/共80页70-294注射成形 随着塑料制品应用日益广泛，人们对塑料制品的精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求，传统的注射成形工艺已难以适应这种要求，主要表现在： 生产大面积结构制件时，高的熔体粘度需要高的注塑压力，高的注塑压力要求大的锁模力，从而增加了机器和模具的费用 生产厚壁制件时，难以避免表面缩痕和内部缩孔，塑料件尺寸精度差 加工纤维增加复合材料时，缺乏对纤维取向的控制能力，基体中纤维分布随机，增强作用不能充分发挥 为了解决上述问题在传统注射成形技术的基础上，又发展了一些新的注射成形工艺，如、层状注射、熔芯注射、剪切控制取向注射等，以满足不同应用领域的需求。气体辅助注射、低压注射气体辅助注射、低压注射第70页/共80页71-294气体辅助注射 通过高压气体在注塑制件内部产生中空截面，利用气体积压，减少制品残余内应力，消除制品表面缩痕，减少用料，显示出传统注射成形无法比拟的优越性。可以成形传统注射成形难以加工的厚、薄壁复合塑件,减少装配结构中的零件数量,从而缩减模具、装配线和劳动力需求,节约生产成本所需注射压力小,一方面可利用小型号注射机成形大