汽车轻量化的发展与应用

汽车轻量化的发展与应用

轻量化是在不影响整个车辆的质量和性能的前提下，为了确保车辆产品的整体质量，尽可能减少车辆产品的自身质量，实现高输出、低噪声、低振动、良好的操纵和高可靠性等目标。目前实现汽车轻量化主要有两条途径:一是采用轻量化材料,如高强度钢材、铝合金以及其他强度更高、质量更轻的新材料;二是利用CAE技术优化汽车零部件的结构,使之薄壁化、中空化、小型化和复合化等,从而最大限度地减轻零部件的质量。当然,汽车轻量化必须在保证汽车整体性能(安全、耐撞、舒适、抗振等)的前提下进行。随着国内正面碰撞和侧面碰撞法规的相继出台以及公众对汽车安全性认识的逐步加深,汽车结构的耐撞性和安全性已经成为汽车轻量化设计的首要考虑因素。复合材料作为汽车工业的主要原材料之一,其优势在于优秀的材料特性、良好的经济性和大量供应的可能性,特别是热塑性复合材料具有可回收再利用的特点。纤维增强热塑性复合材料具有密度小、设计灵活、易设计成整体结构、耐腐蚀、耐热/隔电、耐冲击、抗振等优点,在汽车上的应用范围越来越广泛,“以塑代钢”正在成为推动汽车向轻量化发展的主要手段。下面主要介绍纤维增强热塑性复合材料在前端模块上的应用情况。1tf/lft复合材料汽车部件汽车上应用最广泛的热塑性复合材料是SMC(SheetMoldingCompound)、LFT(LongFiberreinforcedThermoplastics)和GMT(GlassMatreinforcedThermoplastics),热塑性复合材料的汽车部件目前已在梅德赛斯-奔驰、宝马、大众、标致-雪铁龙、沃尔沃、菲亚特、莲花和曼恩等欧洲汽车厂生产的轿车、客车和载货车等各种车型中获得大量应用。有数据表明,80%以上的GMT和LFT产品用于汽车部件制造,如梅德赛斯-奔驰轿车的S系列后保险杠支架(GMT/LFT)等,BMW系列后保险杠支架(GMT/LFT)等,标致607备胎箱(LFT)和标致405保险杠支架(LFT),雪铁龙系列BerlngoXantian前端支架(LFT)、AX尾部底板总成(GMT)等,上海通用别克凯悦、君悦后靠背骨架总成(GMT),上海大众帕萨特B5底部防护板(GMT)等。另外,下面一些新型的汽车热塑性复合材料也值得关注。(1)复合材料基复合材料TwintexR复合纤维是一种由玻璃纤维和热塑性塑料纤维复合而成的干态预浸料,适于注射成型保险杠、后车门、内饰件和仪表板等零部件,兼具很高的冲击强度和拉伸强度。(2)聚丙烯材料的组成SR-PP是一种由高定向性的聚丙烯纤维和各向同性的聚丙烯基材组成的100%聚丙烯片材。SR-PP是国外继GMT和LFT之后最新开发并应用的一种热塑性复合材料,目前主要用于车底护板的生产。(3)模块载体材料LGFPP是倍受关注的新品种之一,是LFT的一种。该材料作为汽车模块载体材料,不仅能有效地提高制品的刚性、抗冲击强度、抗蠕变性能和尺寸稳定性,而且可以做出复杂的汽车模块制品。如采用该材料的全世界首创无金属支架全塑整体前端组件,为宝马MiniCooper车配套。2为热材料前模块开发2.1建设过程热塑性复合材料前端模块的开发流程为:材料配方设计→产品结构设计→模拟测试→模具设计制作→工艺试验→样品试制→批量化产品。2.2前端模块化设计拟采用长纤维增强聚丙烯复合材料(LFT材料的一种)。该种复合材料质量轻、韧性好、工艺性能好,可成型形状较复杂的部件,目前广泛用于多种车型(如PASSAT领驭、奥迪A6L等)的前端框架的制作,在现行中/高级轿车中,采用LFT前端框架的车型远超过半数。依据原普通钢板拼焊而成的前端模块进行设计,以前端模块的厚度限制和车灯、空调、保险杠、水箱、纵梁等安装定位孔位限制为约束条件,参考其他车型上的成熟应用案例,结合钢制件的强度要求,进行热塑性复合材料前端模块产品结构的调整和设计。主要技术性能要求如下。a.以水箱挂点为受力点,在前端模块正上面加载集中力250N(5g重力加速度),复合材料前端模块的最大位移不大于3mm。b.以水箱挂点为受力点,在前端模块正上面加载集中力250N(1g重力加速度),复合材料前端模块的最大位移不大于1mm。2.4分析由于前端模块产品基本为左、右对称结构,因此以产品的一半为计算模型。2.4.1材料的性能参数拟采用的LFT材料的性能参数见表1。2.4.2计算前模块压力的限制因素以左/右支架4个连接孔和上支架两端为铰支,对模型进行有限元划分。2.4.3前端模块应力、位移变化本次分析只对部件进行静态受力分析,对于碰撞受力暂不作分析。受力情况包括对部件施加的作用力的位置、大小及方式等。复合材料前端模块受力情况与原钢铁前端模块一致,根据产品实际工作中受力情况,本次分析设定以下两种受力情况。a.前端模块受集中力250N、5g加速度的作用(见图1)。b.前端模块受集中力250N、1g加速度的作用(见图2)。集中力是相对于均布力而言的,如安装、撞击等情况下产生的力均视为集中力,而风阻等则视为均布力。2.4.4前端模块的应力、位移计算结果(1)在前端模块的正上面加载集中力250N、1g重力加速度,前端模块的应力、位移计算云图见图3和图4。由图3和图4可见,前端模块在单独受到集中力250N、1g加速度的作用时,最大应力为1.31MPa、最大变形为0.21mm,最大应力和最大变形均出现在上支架中间部位后边缘处,最大应力1.31MPa远远小于LFT材料的测试强度值90MPa,材料本身满足要求;最大变形0.21mm小于允许变形量1mm,因此也满足产品性能要求。(2)在前端模块的正上面加载250N、5g重力加速度,前端模块的应力、应变计算云图见图5和图6。由图5和图6可见,前端模块在受集中力250N、5g加速度的作用时,最大应力为33MPa、最大变形为2mm,最大应力和最大变形均出现在上支架中间部位后边缘处,最大应力33MPa小于LFT材料的测试强度值90MPa,材料本身满足要求;前端模块最大变形2mm小于允许变形量3mm,因此也满足产品性能要求。(3)在原钢板前端模块的正上面加载250N、5g重力加速度作用下,应力、应变计算云图见图7和图8。钢板的性能参数如下:a.弯曲模量为205GPa。b.弯曲强度为270MPa。c.剪切模量为80GPa。d.泊松比为0.29。e.密度为7.85g/cm3。由图7和图8知道,钢制前端模块在5g加速度作用下受250N的集中力作用时,最大应力为109.1MPa,出现在左/右支架中间部位,小于弯曲强度270MPa;最大变形为1.27mm,出现在上支架中间部位后边缘处,小于允许变形量3mm。对比复合材料前端模块和钢制前端模块在5g加速度下受250N的集中力作用时的应力、应变情况(最大应力均小于材料的弯曲强度,最大应变不大于技术要求的数值3mm),都符合设计要求。2.5模具的预压包工艺采用LFT热压工艺。该工艺的成型过程是:将原材料板材按所需质量称量好,置于加热设备中预热;达到预期温度后,迅速移至模具中,按预先设计的形状和区域辅放好,快速合模加压;待温度降低、定型后取出,形成产品毛坯;再经过简单的去边等后期处理,形成最终产品。本工艺的优点是:原理简单,制造成本较低;成型快;可重复压制,成品率高。2.6模具钢材的加工复合材料前端模块采用金属模具制造。根据工艺设计要求,模腔压力需达到15MPa以上,因此必需采用性能较好的专用模具钢材,通过CNC数控