重交大汽车新能源与节能技术教案05汽车车身节能技术

第五章汽车车身节能技术教学目的和要求：了解车身造型发展的历史、车身结构轻量化设计TWB，以及优化车身结构轻量化设计和车身结构轻量化材料的发展趋势。掌握汽车空气阻力分析方法，熟悉降低空气阻力系数CD的途径。本章重点：掌握汽车空气阻力分析方法，降低空气阻力系数CD的主要措施和途径。本章难点：汽车空气阻力分析方法。教学时数：4学时教学内容要点：第一节车身造型一、车身造型的发展马车状汽车厢型车甲壳虫型船型鱼型楔型子弹头型二、车身造型设计的空气动力学概念

1.汽车空气阻力系数汽车所受到的气动力和气动力矩主要包括相互垂直的三个分力和三个绕轴的力矩。即：车身纵向气动阻力(x轴方向）；车身侧向气动阻力(y轴方向）；车身垂直方向的气动阻力（z轴方向）；纵倾力矩（绕y轴）；侧倾力矩（绕x轴）；横摆力矩（绕z轴）。2.汽车阻力特性空气阻力所消耗的功率与车速的三次方成正比，就是说在车速低的时候，空气阻力功率消耗所占比例不大，在车速高的时候，空气阻力将是主要的阻力。1）汽车阻力分类气动阻力可分为外部阻力和内部阻力。2）压差阻力与表面摩擦阻力压差阻力和表面摩擦阻力的本质来自于气流的粘性。3）诱导阻力诱导阻力是伴随升力而产生的阻力成分，表示为：式中：—诱导阻力系数；λ—宽长比（总宽／总长）；β—修正系数。3.降低空气阻力系数CD的措施

改善轿车前端形状

改善后窗倾角和车顶拱度

正确选择离地间隙

放置扰流板

优化发动机舱内流场三、车身造型设计的发展趋势目前世界上较为普遍的改善汽车造型的空气动力性能方法主要有：

车身造型进一步强调空气动力化。

发动机的布置形式。

设置前、后扰流板等气动力学附加装置，改善气流的流动状况。

车身乘员舱仍要处于前后轮之间，地板要尽量降低，以获得较大的室内空间及开阔的视野，保证乘员的舒适性和安全性。

优化车身细部外形，以减少车身表面的凹凸面和突起物。第二节车身结构轻量化一、车身轻量化技术概述当整车质量减轻10%时，汽车的燃油经济性可提高3.8%。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。在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构、超轻悬架结构、部件薄壁化、中空化，小型化及复合化等来达到轻量化的目的。在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的。目前主要是采用高强度钢材、铝镁合金，工程塑料和各种复合材料进行汽车轻量化设计。二、车身结构轻量化的途径

（一）车身结构轻量化设计

1.变截面薄板及其在车身制造中的应用激光拼焊板（TailorWeldedBlanks，TWB）的含义：TWB是根据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压。连续变截面板（TailorRollingBlanks，TRB）的含义：TRB通过一种新的轧制工艺―柔性轧制技术而获得的连续变截面薄板。TRB连续变化的截面提供了有利于后续成型加工的可能性。2.TWB与TRB的比较1）减重效果均较好2）机械性能和应用效果TWB在沿长度方向上的硬度有跳跃式的变化,使后续的成型加工不便；焊缝无法彻底掩盖，不适宜用作车身外覆盖件材料，一般只用来制作内覆盖件或支承结构件。TRB具有较好的机械性能，沿长度方向硬度变化平缓，具有更佳的成型性能；零部件厚度可以连续变化，以适应车身各部位的承载要求；其表面变化是连续、光滑，可制作车身外覆盖件。3）工艺复杂程度TWB可通过激光焊接工艺进行任意拼接；焊缝及其附近会产生局部硬化，需要一道热处理工艺来消除硬化效应，从而加大了工艺复杂程度。TRB不存在TWB的焊缝问题，但受轧制工艺和轧机设备的限制，其厚度变化只能发生在板料的初始轧制方向上；此外，无法把不同金属材料的板料“轧制”在一块整板上。3.TRB应用中尚需解决的问题

车身覆盖件压模具的设计

变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动性

板料回弹问题：（二）车身结构轻量化材料的选择

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；

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；

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。三、车身结构轻量化的发展趋势

（一）我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题

轻量化技术涉及众多学科的研究领域，需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发，很少开展各技术间的交叉与融合；

汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术，其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成，必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署，而目前此类机构尚未建立；

产、学、研结合不够紧密，没有明确定位、合理分工，基础研究和技术开发研究的有机衔接不够，企业规模小而分散，轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺，工艺水平落后。（二）我国汽车轻量化技术研发重点

汽车轻量化技术发展战略研究

汽车轻量化结构优化设计研究

汽车轻量化材料冲压理论与工艺技术研究

汽车轻量化激光加工技术与装备研究（三）汽车轻量化先进材料开发研究

高强度钢板：高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的2～3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。

铝合金：具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。

镁合金：镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35%，铝材密度的66%。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。

泡沫合金板：密度小，仅为0.4～0.7g／cm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。

蜂窝夹芯复合板：轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃。

工程塑料：具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。

高强度纤维复合材料：质量轻，而且具有高强度、高刚度，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，是很有前途