汽车轻量化材料工艺成本水平技术路线

汽车轻量化材料、工艺、成本、水平、技术路线一、材料应用乘用车白车身包括下部车身、上部车身骨架、车门、发动机罩盖、行李箱盖、翼子板等部件，是发动机、变速器、传动系统、制动系统、悬架系统、排气系统、电气系统及内饰件的安装基础，并通过其相应的结构设计满足成员的安全性要求。车身轻量化的目的在于保证车身结构抗撞性、刚度、强度以及NVH性能前提下，减轻身上骨架质量，同时不提高汽车车身制造成本来增强整车产品的市场竞争力。车身上应用的不断扩大的高强、轻质材料主要为高强度钢与超高强度钢、铝合金、镁合金工程塑料以及符合材料等。高强度钢高强度钢与其他轻质材料比，价格低、经济性好，广泛的应用可提高车的安全性。高强度钢可以减薄材料，所以与普通钢板相比可以做大成本不大幅增加，约为普通钢板的1.5倍。高强度钢主要应用在车上内外板以及车上结构件，如前防撞梁，A、B、C柱加强件，门槛梁，车门防撞梁和车顶横梁等关键部位，并且应用比例逐渐扩大。高强度钢可以有效提升车身被动安全性，先进刚度刚在汽车超轻钢车身、先进概念车上应用，在减重、节能、提高安全性、降低排放发面应用前景良好。虽然在成型中面临回弹等问题挑战，但相比于其他替代材料，高强度钢还是性价比最好、最具吸引力的材料。欧美部分车身车身高强度钢应用比例已超过60%，如奥迪A3、宝马♦3系、凯迪拉克 ATS、福特心蒙迪欧等；日系车型高强度钢占比也超过50%，如英菲尼迪Q50、本田指三9思域等；铝合金铝合金密度2.68g/cm，仅为钢板的1/3。考虑到使用铝材需要增加厚度及截面，可以减重30%〜50%,与钢板相比，一般铝板件成本将增加2-5倍。铝合金已由发动机罩向翼子板、行李厢盖及车门上逐渐延伸，部分高端车已实现全部铝合金车身；铝合金的应用始于20世纪90年代，以奥迪汽车推推出的全铝空间框架车身为代表。提出了奥迪全铝车身框架概念（ASF），推出相应车身Audi100、第一代AudiA8、A2.除奥迪其他公司也推出了全铝车身，如捷豹XJ、新路虎揽胜、奔驰S级车等如图所示。变形铝合金在车身零件级结构件的应用方面发展比较快，如应用日益广发的铝合金行李箱盖、发动机舱罩盖、后背门、保险杠横梁等，随着凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发应用，未来铝合金在汽车应用范围将进一步扩大，并将呈现铸件、型材、板材并举的局面，预计未来铝将成为仅次于钢的第二大汽车用材料。奥迪A8全铝车身碳纤维碳纤维复合材料密度1.5g/cm，不及钢的1/5。碳纤维复合材料应用到车门、发动机舱罩盖、行李箱盖能够减重50%以上，其材料成本相对钢板增加5倍以上。镁合金镁合金已经从方向盘骨架、座椅骨架向转向支撑、传动系壳体零件上发展；目前镁合金在车身上主要集中在方向盘骨架。仪表盘骨架、座椅骨架等零部件上，在白车身结构件上还没有量产应用。目前仅有克莱斯勒某车型上做过尝试，如图。由于镁合金耐腐性和成型方面限制，目前尚未得到广泛应用。纤维增强复合材料纤维增强复合材料已开始应用于前段模块、后尾门、进气歧管等零部件；碳纤维复合材料已由跑车、豪华车向中高端车和电动车应用扩展。如图某轿车带四门两盖的车身结构。汽车工业复合材料技术首先应用于保险杠，而后用与生产变截面弹簧钢板以代替钢板，之后又用与生产四门两盖。复合材料大规模应用是在20世纪80年代中期以后。1990年福特、克莱斯勒相继开发出复合材料。复合材料具有许多金属材料无法比拟的优点：密度低、比强高、比模高；材料性能具有可设计性；制品结构设计自由度大，易实现集成化、模块化设计；抗腐蚀性好、耐久性能好，隔声降噪；可采用多种成型工艺，模具成本低；A级表面，可免喷涂等工序；投资少，生产周期短。目前，汽车轻量化发展需求迫切，从成本性能发展综合考虑，可用于车身结构件的复合材料以树脂基碳纤维增强复合材料为首选。可以应用于发动机舱罩盖、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘灯结构件中。随着车用复合材料技术的发展，现已广发的应用在跑车、豪华车上，于铝合金构件比，复合材料可以减重50%左右，目前车上碳纤维已从单向丝、双向编制物，发展到多轴中空的碳纤维预制体，可获得多种形状结构的汽车部件，如图宝马I3电动汽车复合材料应用。6.结构优化设计在结构优化设计方面，车型开发前期，对车身结构做出更合理的设计规划更为重要。目前多材料车身结构轻量化设计正在向着搭建参数化设计平台（如图），应用拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、多目标优化以及结构-材料-性能一体化优化设计方向发展。二、 制造工艺1、 热成形精度高、成形性能好，广泛应用于生产高强度汽车保险杠，车门防撞杆，A、B、C柱加强件，车顶框架，中通道等安全件和结构件。目前该技术在国外发展很快，美国通用、福特德国大众等在用该项技术制造高强度冲压件。中国一汽红旗H7车身下部也规模化使用热成形技术，如图：2、 激光拼焊1985年奥迪成功采用全球第一块激光拼焊板。20世纪90年代，欧美、日本各大汽车企业开始大规模使用激光拼焊技术。近年来该项技术在全球新型钢制车身设计和制造商应用广泛。如图中国一汽H7车身使用激光焊接的典型结构件。利用激光焊接技术可以减少汽车零部件数量、减轻车身重量、提高原材料利用率、提高结构功能、增加产品设计灵活性。3、 差厚板差厚板是在激光焊接之后，为解决激光拼焊板存在的问题而出现的，生产过程如图。差厚板可以代替激光拼焊板，从而更好的实现轻量化。但不完全代替激光拼焊板，因为激光拼焊除了焊接不同厚度板料还可以焊接不同材料、强度的板焊接在一起，差厚板不能实现这一功能。三、 轻量化水平国内汽车轻量化产业未形成规模，产业链不够完整，与国外差距较大。国际主流车型高强度钢车身占比60%以上，强度级别780MPa、980MPa的钢在车身构件上已相当普遍。高强度钢可以在不降低安全性与舒适性前提下，零件减重20~30%。国外或者国内合资高端车型部分零部件应用轻质材料，工程塑料零部件相对钢制部件可以减重30%〜35%，铝合金零部件相对钢制零部件也减重30%〜50%，镁合金零部件相对钢制零部件可以减重40%〜55%，碳纤维复合材料零部件相对钢制零部件可减重40%〜60%。五、车身轻量化技术路径国外车身轻量化路径如下图所示借鉴国外技术可以探索我国车身轻量化技术发展路线1、 短期目标：加大刚强度钢和超高强度钢应用比例，合理减薄钢板厚度，广泛应用先进成形技术和链接技术，达到预计的轻量化目标。途径：采用高强度钢、超高强度钢、工程塑料，适量应用镁铝合金及复合材料，进行车身结构参数优化设计，欧皇钢板厚度断面形状、尺寸，广泛应用激光焊接、热成形工艺及先进连接技术。2、 中期目标：掌握铝镁合金、复合材料特性及连接技术，结构-材料-性能一体化轻量化多目标协同优化设计方法，所需与国外技术水平差距。路径：扩大铝镁合金、复合材料在车身上的应用比例、零部件数量，根据材料性能优化设计铝镁合金与纤维增强复合材料零部件结构，充分发挥材料本身性