汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径

1、轻型汽车技术 2007(6 总 214技术纵横汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径 鲁春艳(武汉理工大学汽车工程学院 摘 要简要介绍了目前汽车轻量化技术的发展状况 , 包括轻量化设计概况 、 各种轻量化材料的性能及运用 , 阐述了汽车轻量化的实施途径 。关键词 :轻量化技术 发展 实施途径有 关 研 究 数 据 表 明 , 若 汽 车 整 备 质 量 降 低 10%, 燃 油 效 率 可 提 高 6%8%; 若 滚 动 阻 力 减 10%, 燃油效率可提高 3%; 若车桥 、 变速器等机构的 传动效率提高 10%, 燃油效率可提高 7%。 由此可 见 , 伴随轻量化而来的突出优点就是油耗的显著

2、降 低 。 尤其汽车车身约占汽车总质量的 30%, 对空载 而言 , 约 70%的油耗是用在车身质量上的 , 因此车 身的轻质化对减轻汽车自重 , 提高整车燃料经济性 至关重要 。 同时 , 轻量化还将带来车辆操控稳定性和 冲撞安全性的提升 :因为车辆行驶时的颠簸会因底 盘重量减轻而减轻 , 整个车身会更加稳定 ; 轻量化材 料对冲撞能量的吸收 , 又可以有效提高冲撞安全性 。 因此汽车轻量化已成为汽车发展产业中的一项关键 性研究课题 。2.1汽车轻量化汽车轻量化的技术内涵是 :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 料在确保汽车综合性能指标的前提下 , 尽可能降低

3、 汽车产品自身重量 , 以达到减重 , 降耗 , 环保 , 安全的 综合指标 。然而 , 汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而 已 。 首先应保持汽车原有的性能不受影响 , 既要有目 标地减轻汽车自身的重量 , 又要保证汽车行驶的安 全性 、 耐撞性 、 抗振性及舒适性 , 同时汽车本身的造 价不被提高 , 以免给客户造成经济上的压力 。 2.2轻量化技术的发展现状汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和 轻量化材料的使用两大方面 。 一方面汽车轻量化与 材料密切相关 。 另一方面 , 优化汽车结构设计也是 实现汽车轻量化的有效途径 。与汽车自身质量下降相对应 , 汽车轻量化技术不 断发展 , 主

4、要表现在 : 轻质材料的比重不断攀升 , 铝 合 金 、 镁 合 金 、 钛 合 金 、 高 强 度 钢 、 塑 料 、 粉 末 冶 金 、 生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多 ; 结 构优化和零部件的模块化设计水平不断提高 , 如采 用前轮驱动 、 高刚性结构和超轻悬架结构等来达到 轻量化的目的 , 计算机辅助集成技术 (CAX 和结构 分析等技术也有所发展 ; 汽车轻量化促使汽车制 造业在成形方法和联接技术上不断创新 。目前 , 国内汽车轻量化材料正在加速发展 , 新型 智能材料逐渐在汽车制造中得到应用 。 车用高性能 钢板 、 镁合金已在汽车上有所应用 。 如上海大众桑 塔纳轿车变速器壳

5、体采用镁合金 。 随着镁合金材料 的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善 , 自动变 速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制 造 。 若曲轴箱有铝改为镁 , 则可减轻 30%左右 。 传统的轿车车身结构是钢车身 , 现今也越来越 多的采用高强度钢 , 精练钢 , 铝合金和夹层钢车身1前言2轻量化技术及其发展现状 22轻型汽车技术 2007(6 总 214技术纵横结构 , 其制造工艺有 :柔性化板材辊轧 , 剪拼焊接工 艺技术 , 薄壁制造技术等 。 不锈钢与强度较高的碳钢 相比 , 若用于制造车身 , 则表现出不少优点 , 例如延 展性更好 , 强度更高 , 更适合形状复杂的覆盖件成 形 。

6、 上世纪 80年代 , 重庆汽车研究所就开展了双相 钢研究 ; 一汽轿车 、 奇瑞汽车公司也在轿车车身上进 行了高强度钢板的初步应用试验 。在结构设计方面可以采用前轮驱动 、 高刚性结 构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的 , 国内已 从主要依靠经验设计逐渐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 。 目前出现了 一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术 , 如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具 设计理论方面开展了较深入的研究 ; 北京航空航天 大学开发了 CAD 系统 CAXA , 并已经开展了客车轻 量化技术的研究 , 利用有限元法和优化设计方法进 行结构分析和结

7、构优化设计 , 以减少车身骨架 、 发动 机和车身蒙皮的重量等 。汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已 , 而 是具有前提条件的 , 即在保证汽车整体质量和性能 不受影响的前提下 , 应最大限度地减轻各零部件的 质量 , 努力谋求高输出功率 、 低噪音 、 低振动和良好 的操纵性 、 高可靠性等 , 降低燃油消耗 , 减少排放污 染 。 通过轻量化技术的内涵可知 , 汽车的轻量化主要 通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实 现 。3.1合理的结构设计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 , 设计已经 融合到了汽车设计的前期 。 轻质材料在汽车上的

8、应 用 , 包括铝 、 镁 、 高强度钢 、 复合材料 、 塑料等 , 并在前 期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 。在现代汽车工业中 , 利用 CAD/CAE/CAM 一体 化技术起着非常重要的作用 , 涵盖了汽车设计和制 造的各个环节 。 运用这些技术可以实现汽车的轻量 化设计 、 制造 。 轻量化的手段之一就是对汽车总体结 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 。 利用 CAD/CAE/CAM 一体化技术 , 可以 准确实现车身实体结构设计和布局设计 , 对各构件 的开头配置 、 板材厚度的变化进行分析 , 并

9、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 , 还可以进行布局进一步分析和运动 干涉分析等 , 使轻量化材料能够满足车身设计的各 项要求 。 此外利用 CAD/CAE/CAM 技术可以用仿真 模拟代替实车进行试验 , 对轻量化设计的车身进行 振动 、 疲劳和碰撞分析 。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的各个环节都真 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

10、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 。具体结构合理设计有以下 3个方面 :1 通过结构优化设计 , 减小车身骨架 , 车身钢 板的质量 , 优化对车身强度和刚度进行校核 , 确保 汽车在满足性能的前提要求下减轻自重 。2 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 。3 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

11、轮驱动的 方式 , 达到使整车局部变小 , 实现轻量化的目标 。 3.2使用新型材料据统计 , 汽车车身 、 底盘 (含悬挂系统 、 发动 机三大件约占一辆轿车总重量的 65%以上 。 其中车 身外 、 内覆盖件的重量又居首位 。 因此减少汽车白 车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量 具有双重的效应 。 为此 , 首先应该在白车身制造材 料方面寻找突破口 。 具体说来可以有如下几种方 案 :1 使用密度小 、 强度高的轻质材料 , 像铝镁轻 合金 、 塑料聚合物材料 、 陶瓷材料等 ;2 使用同密度 、 同弹性模量而且工艺性能好的 截面厚度较薄的高强度钢 ;3实现汽车轻量化的主要途径23

12、轻型汽车技术 2007(6 总 214技术纵横3 使用基于新材料加工技术的轻量化结构用 材, 如连续挤压变截面型材 、 金属基复合材料板 、 激 光焊接板材等 。铝具有良好的机械性能 , 其密度只有钢铁的 1/3, 机械加工性能比铁高 4.5倍 , 耐腐蚀性 、 导热性好 。 其 合金还具有高强度 、 易回收 、 吸能性好等特点 。 汽车 工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金 。 运用 形变铝材制造车身面板的技术已经比较成熟 , 包括 发动机罩 、 行李箱罩 、 车门 、 翼子板等 。 保险杠 、 轮毂 和汽车结构零件 (以发电机为中心的驱动系统零件 , 连接接头 , 增强零件等 也广泛使用

13、铝合金材料 。 运 用铝合金也面临不少问题 。 铝合金加工难度比钢材 高 , 成型性还需继续改善 。 由于铝导热性好 , 导致铝合 金的焊接性能差 , 不能像钢板那样采用磁力搬运等 。 其中 , 关键是成本问题 , 目前铝价还比较高 , 成本控制 对铝合金的运用非常重要 。镁合金具有与铝合金相似的性能 , 但是镁的密 度更低 , 其比重只有 1.8/3, 是当前最理想 、 重量最轻 的金属结构材料 , 因而成汽车减轻自重 , 以提高其节 能性和环保性的首选材料 。 但其铸造性差 , 后处理工 艺复杂 , 成本高 。 我国的镁资源非常丰富 , 储量占世 界首位 。 但是国内用量很少 , 尤其汽车

14、行业用量极少 , 因此前景非常广阔 。 而西方工业发达国家对铝基 、 镁 基的金属基复合材料的开发与应用 , 已达到了产业 化阶段 。 如表 1。表 1欧美采用镁合金制造的部分汽车零件用高强度钢替代原使用材料 , 能适当减小零件 尺寸 。 世界上广泛通过进一步提高合金钢 、 弹簧钢 、 不锈钢等钢种的比强度和比刚度 , 以及粉末冶金配 件具有的多孔密度低 、 精度高 、 成本低等特点 , 来作 为汽车轻量化的措施 。采用高强度钢板在等强度设计条件下可以减少 板厚 , 但是车身零件选定钢板厚度大都以元件刚度 为基准 , 因此实际板厚减少率不一定能达到钢板强 度的增加率 , 不可能大幅度地减轻车重

15、 。 高强度钢板 在汽车上应用的目的主要有 3点 :增加构件的变形 抗力 , 提高能量吸收能力和扩大弹性应变区 。 由于运 用高强度钢板的经济性和相对容易性 , 因此应大力 提倡在汽车上运用高强度钢板 。 现在各国都在加速 高强度钢和超高强度钢在汽车车身 , 底盘 , 悬架 , 转 向等零部件上的运用 。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 (SM C 的进展提供了更多 的潜力 , 在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝 材 , 整体成本又通常更低 。塑料是由非金属为主的有机物组成的 , 具有密度 小 , 成型性

16、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 。 目前 , 塑 料大都使用在汽车的内外饰件上 , 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 。 而后逐渐向结构件和功能件扩展 。 例如发 电机及其相关系统 , 冷却系统等 。 塑料也在向制作 车身覆盖件方向发展 。精细陶瓷是继金属 、 塑料之后发展起来的第 3大类材料 。 其发展史只有 20年左右 , 但具有优良的汽车厂家 用镁合金制造的部分汽车零件通用 (L0 气缸盖、

17、滤油器、 空气滤清器壳、 配电器、 挡泥板支 架、 烟灰盒门、 转向盘柱、 前大灯罩、 前大灯托架、 发 动机罩格栅、进气格栅中心座、前大灯框架 配电 器、 挡泥板支架、 离合器壳、 制动器及离合福 特 克莱斯勒 大 众奔 驰 奥迪 保时捷 器踏板托架、 转向柱定位机构、 分动器壳变速器壳体曲轴箱、 变速器壳体、 增压器壳、 正时齿轮、 离合器壳座椅架仪表板风扇、 风扇 架、 车轮24轻型汽车技术 2007(6 总 214在本文算例中 , 由于桥壳台架试验的模拟计算 结果不能全部满足要求 , 这时需要修改结构参数 , 重 复模拟台架试验 , 直到满足要求 , 然后再进行参质量 最小为设计目标

18、, 定义约束为许可应力 , 把桥壳本体 的厚度和弹簧座下的支撑片宽度定义为设计变量 , 经过 10次迭代后质量的优化结果如图 。优化结果 :支撑片的宽度为 160 , 桥壳厚度为 6.2 , 桥壳的质量为 19.775 , 驱动桥壳的质量减 轻了 13.5%。 当然结合生产实际 , 可将原桥壳厚度从 8mm 降为 7mm , 支撑片的宽度从原来的 100mm 变 为 160mm , 实现轻量化生产 。 在针对不同车型的桥 壳设计时 , 还可根据实际情况 , 设计多个可变参数 , 达到优化设计的目的 。(1 从本文的实例可以看出 , 利用桥壳的现代 设计方法可以实现对桥壳疲劳寿命的预测和对结构参

19、数的优化设计 , 这是传统设计方法不可比拟的 。 (2 由于大多数零件的失效是疲劳破坏 , 所以 驱动桥壳用满足包括垂直弯曲疲劳试验在内的三 个台架试验标准作为设计要求 , 比用传统设计方法 更能设计出满足实际要求的零件 。(3 通过实例验证 , 本文提出的驱动桥壳现代 设计方法的计算是可信的 , 为改进其传统设计方法 提供了思路 。参考文献1刘惟信 . 汽车车桥设计 . 清华大学出版社 , 2004.2郑燕萍 , 羊玢 . 汽车驱动桥壳台架试验的有限 元模拟 . 南京林业大学学报 (自然科学版 , 2004 (73濮良贵 , 纪名刚 . 机械设计 . 高等教育出版社 , 1996.4结论 技术纵横力学性能 (高温强度 、 高硬度