汽车新能源与节能技术（第二版）课件：汽车车身节能技术

汽车车身节能技术汽车新能源与节能技术车身造型车身结构轻量化第一节第二节第一节车身造型车身造型的发展11、马车型汽车2、厢型车3、甲壳虫型4、船型5、鱼型6、楔形7、子弹头型车身造型设计的空气动力学概念21、汽车空气阻力系数汽车所受到的气动力和气动力矩如图5-1所示，分为相互垂直的三个分力和三个绕轴的力矩，图5-1所示坐标系中，坐标原点位于前、后轴中心所在平面上x、y轴表示路面，在对称流(横摆角β＝0°)时，阻力D和升力Ｌ同时存在，另外还有纵倾力矩PM(相对于y轴)，三个分量D、L、PM完全决定了产生气动力的矢量，已知的重心位置，常被作为纵倾力矩的参考点，在有侧风的情况下，汽车的绕流是一个不对称的流场，在这种情况下，除上述力和力矩外，汽车还受到侧向力S的作用，另外，它还受到绕纵向轴(x轴)的侧倾力矩RM及绕垂直轴(z轴)的横摆力矩YM的作用，因此，由六分量L、D、S和PM、RM、YM决定了总的气动力矢量。图5-1

汽车受到的气动力和力矩示意图

2、汽动阻力特性空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动阻力，这种阻力与车速的平方成正比，为了克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急剧增加的，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）气动阻力分类气动阻力可分为外部阻力和内部阻力(图5-2)。图5-2

气动阻力组成

3、降低空气阻力系数ＣＤ的措施(以轿车为例)（1）改善轿车前端形状；（2）改善后窗倾角和车顶拱度；（3）正确选择离地间隙；（4）放置扰流板；（5）优化发动机舱内流场。车身造型设计的发展趋势3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：①车身造型进一步强调空气动力化，通常的做法是将车身设计成楔形或斜背式，车头的前部造型应尽量降低，其俯视图最好呈半圆形，前挡风窗与发动机引擎罩与侧面的过渡部分衔接要圆滑、平顺ꎬ前挡风窗与水平面的夹角最好控制在25°-30°之间，而后挡风窗的角度恰好应在这个区间之外；②发动机的布置形式，考虑到横风稳定性，即重心位置仍需采用前置前驱动，如果发动机体本身能够缩小体积可考虑采用中置或后置形式，采用后轮驱动；③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，加设光滑平整的底板，保持车身底盘平滑性，以降低车身的阻力和升力；④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，车轮仍是橡胶轮胎布置在接近车身的四个边角处；⑤优化车身细部外形，以减少车身表面的凹凸面和突起物，如门拉手平滑化，窗玻璃、门玻璃尽可能采用外偏置技术与边框平齐、泻水槽隐蔽化，后视镜设计成流线状，以降低空气阻力。第二节车身结构轻量化车身轻量化技术概述1车身轻量化是现代车身设计的主流方向，而这一导向最充足的理由就是汽车节能。汽车轻量化不但可以提高车速，还能降低油耗、减少废气排放量和改善安全性，由于车身惯性的减少，不仅可提高加速性能，碰撞时还可以减少制动距离和入侵量。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，实际上这两方面的内容是紧密结合在一起的，很多时候往往是轻量化结构设计结合轻量化材料从而实现了在整车刚度、性能不降低的前提下的轻量化。车身轻量化评价参数2

3、支撑结构的比刚度对于车身单个零件或整体装配结构，可以通过控制单位质量的刚度(比刚度)进行方案比较及优化，相当于同时考虑质量最小和刚度最大两个条件，当然，对于整车还必须满足其他约束条件，如碰撞安全、NVH(NVH是指噪声Noise、振动Vibration和声振粗糙度Harshness)和强度等。4、吸能结构的比吸能对于车身碰撞变形区的吸能结构，可使用单位质量的吸能量(比吸能)来衡量其吸能效率。车身结构轻量化的途径31、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用于车身制造的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板(TailorWeldedBlanks,TWB),另一种是通过柔性轧制生产工艺得到的连续变截面板(TailorRollingBlanks,TRB)。（2）TWB和TRB的比较1）减重效果TWB和TRB的应用都是为了达到汽车轻量化的目的，基于工程力学中薄壁梁承载性能的基本理论，若由等厚度板、TWB及TRB三种板材制成的结构件具有同样的刚度，TRB之所以具有极佳的减重效果归功于它的连续变化的截面形状，也就是说，用最小质量的TRB材料制成的车身结构件能达到其他两种板料一样的刚度。2）机械性能和应用效果由于TWB存在厚度突变和焊缝的影响，且焊接添加金属材料与被焊接基材在材料特性上必然有一定差异，致使TWB在沿长度方向上的硬度也会发生跳跃式的变化。

这将为后续的成型加工带来极为不利的影响，再者，TWB的焊缝从外观上来说即使采用任何涂装措施也无法彻底掩盖，因此它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，相比之下，TRB具有较好的机械性能，其在沿长度方向上的硬度变化比较平缓，没有TWB那样的硬度和应力波峰，具有更佳的成型性能，TRB所制成的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、光滑的，因而可以制作各种车身外覆盖件。3）工艺复杂程度TWB可以通过激光焊接工艺进行任意拼接，具有很大的灵活性，但由于它用不同厚度板材的对接或搭接，拼接处板料厚度有突变，此外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则是靠柔性轧制工艺在不同厚度的板料之间形成一个连续的、缓变的过渡区，不存在TWB的焊缝问题，但它的不足之处是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，现有的轧制工艺还无法把不同金属材料的板料“轧制”在一块整板上，即在灵活性上不如TWB。（3）TRB应用中尚需解决的问题1)车身覆盖件压模具的设计；2）变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动性；3）板料回弹问题。2、车身结构轻量化材料的选择据统计，汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总质量的65％以上，其中车身外、内覆盖件的质量又居首位，因此减少汽车白车身质量对降低发动机的功耗和减少汽车总质量具有双重的效应，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。车身结构轻量化的发展趋势51、我国汽车轻量化技术研发重点：（1）汽车