汽车车身轻量化结构与轻质材料.ppt

1、,汽 车 车 身 轻量化结构与轻质材料,同济大学 汽车学院 王宏雁 陈君毅 编 著,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第一章 绪论,全世界汽车工业界已清楚地认识到，节省资源和减少对环境的污染是汽车可持续发展迫切需要解决的两大问题。要使汽车更省油、更环保，目前一个可行的重要措施就是汽车轻量化，广泛和更多地使用轻质材料。,汽车设计和制造的五大方向,1.1 汽车轻量化的紧迫性,节能的需求,车重与行驶阻力的关系,车重与定速燃料效率的关系,W汽车重量 0滚动阻力系数 斜率 a加速度 等价旋转重量比 空气阻力系数 A迎风

2、面积 V车速,1.1 汽车轻量化的紧迫性,1.2,1.3,1.4,1.5,轻量化有助于减小行驶阻力,轻量化有助于降低油耗,1.1 汽车轻量化的紧迫性,美国的排放法规,欧洲的排放法规,日本的排放法规,我国的排放法规,环保的需求,日益严格的排放法规要求车辆自重降低,1.1 汽车轻量化的紧迫性,方法,可行,在保证动力性和安全性的前提下实现轻量化,1.2 汽车轻量化研究的方法,高强度钢,铝合金,塑料,镁合金,复合材料,密度小，强度大，吸能性好,密度小，耐腐性能好,密度、强度人为可控，吸能性更好,可使板厚减薄，强度刚度增加,密度更小，强度大，吸能性好,新材料的应用,1.2 汽车轻量化研究的方法,结构优化

3、设计,板壳厚度 梁截面 平面惯性矩,对汽车零部件的精简和整体化、集成化,尺寸优化,应力分布均匀化,减小质量延长寿命,形状优化,向承受高负荷的部位储存材料 将承受低负荷的部位去除材料,1.2 汽车轻量化研究的方法,革新工艺,革新工艺拓宽汽车轻量化的可能性,1.3 车身零件的轻量化对整车轻量化的贡献,1.2,1.3 车身轻量化对整车轻量化的贡献,1.4,1.5,1.1,质量占整车的0,安全性、舒适性要求高,结构复杂 材料众多,车身的轻量化对于整车轻量化举足轻重,形状复杂 美观、防腐要求高,制造成本占整车的0,铝合金发动机气缸、离合器壳体,大众甲壳虫,1.4 车身结构轻量化设计发展,玻璃增强纤维复合

4、材料车身外壳,克莱斯勒CCV复合材料概念车,平均油耗实际为2.99L/100km，轿车自重800kg 世界上第一辆批产低油耗轿车,大众3升车Lupo,全铝空间框架车身(ASF)，世界上第一种大批量生产的全铝车身轿车,奥迪A2,1.4 车身结构轻量化设计发展,以全铝结构件为基础，使用钛，镁和碳纤维等贵重材料,福特P2000,广泛应用轻质材料，自重750kg,Ecobasic“3L”,镁合金和复合材料的车身框架，自重700公斤,丰田ES3,铝质车身,法拉利360Modena /Spider,1.4 车身结构轻量化设计发展,全铝车身的豪华型轿车,捷豹XJ8,全铝车身的高级跑车,法拉利612-Scag

5、lietti,资源丰富，体系完善 ； 我国汽车用铝与国际水平差距较大 ； 使用潜力大。,1.5 我国汽车的轻量化现状,1.高强度钢,2.铝合金,镁合金的时代已经到来； 我国是镁资源大国； 目前国内用量很少。,3.镁合金,已经起步，逐年上升； 多元化发展； 品种较少，与国外差距大 。,4.复合材料,与国际先进水平差距大； 可生产低级别的双相钢； 冷轧超高强度钢可生产一部分； 先进的高强度钢板在研发阶段。,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第二章 车身用轻质材料,由于不断推广使用各种性能优异的轻质材料，汽车轻量化

6、成绩显著。高强度钢比例稳步攀升，复合材料比例也呈上升态势，而全塑车身的出现也显出了复合材料在未来汽车工业中的巨大潜力。除此以外，铝合金、镁合金、高强度钢、钛合金等轻质材料也越来越多地应用于汽车。,2.1高强度钢,汽车用高强度钢板的开发进程,1975 1980 1985 1990 1995 2000,2.1.1 高强度钢的发展历史,高强钢的应用越来越广，我国在这方面起步较晚,2.1高强度钢,北美轿车高强度钢的应用趋势,价格低，经济性好； 性能优越，能保证大零件的刚性； 利用现有的汽车生产线，节约设备投资。,2.1.2 高强度钢在车身轻量化发展中的地位和作用,目前，钢材乃车身主要用材。未来，高强钢

7、的比例会大幅增加,2.1高强度钢,2.1.3 高强度钢在车身上应用的示例,车身结构减重 抗扭抗弯提高 造价降低 90%高强钢板,减重32% 无框架车门结构 高强钢车门外板 超高强钢车门杆件,减重约30% 制造成本降低 成本低于铝材30%,五星碰撞标准 生产成本被接受 油耗降低 钢铁高回收性,2.1高强度钢,ULSAC,ULSAC项目试制车门的结构及装配过程,ULSAB,2020/7/3,2.1高强度钢,ULSAB-AVC,ULSAB-AVC项目中采用的材料强度和加工工艺,ULSAB-AVC项目中采用的各种高强度钢板,PNGV项目的研究成果表明：高强钢是目前轻质车身用材的首选,2.1高强度钢,2

8、020/7/3,2.1.4 高强度钢在车身上应用的基础,车身用高强钢的分类,2.1高强度钢,屈服强度小于210MPa的钢为软钢 210-550MPa的为高强度钢(HSS) 高于550MPa的为超高强度钢(UHSS)。,汽车用钢屈服强度和伸长率的关系,590MPa级残留奥氏体热、冷轧钢板的机械性能,2.1高强度钢,2020/7/3,材料结构方式,变截面技术对于车辆的轻量化、安全性和其结构本身的承载适应性都有显著提高,各种结构板料的减重效果比较,2.1高强度钢,各种结构板料的机械性质比较,综合新方案,连续变截面板技术，轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整变化，从而使轧制出的薄板沿轧制方向上具有预先

9、定制的变截面形状。,2.1高强度钢,TRB的应用实例,运用TRB技术的宝马后横梁,2.1高强度钢,2020/7/3,高强钢拼焊应用于车身,欧洲激光拼焊板历年使用量,激光拼焊板，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。,2.1高强度钢,2020/7/3,空心变截面钢管技术，实现进一步的轻量化，而且与传统的矩形截面相比，具有同样的抗拉压和突出的抗扭力学性能。,TRT在NSB项目中的应用,TRT在Scalight项目中的应用,2.1高强度钢,对不同部位，起不同作用的部件，使用不同强度的高强钢,车身用高强钢的结构与性能,2.2铝合金,“四门两盖”阶段

10、,“壳式支撑结构”车身,比较昂贵的权宜之计，对车身承载性影响不大,带加强筋钢结构的一种替代品,2.2.1铝合金的发展历史,“空间框架结构”车身,实现了全铝车身设计制造,铝合金在汽车车身上的应用主要经历三个阶段,2.2铝合金,2.2.2铝合金在车身轻量化发展中的地位和作用,北美、欧洲、日本轿车用铝合金占车身质量比例,铝合金比强度高，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截面的构件，从结构上补偿了部件的刚度；吸能性好，碰撞安全性优势明显，而且由于车身质量减轻，在碰撞时产生的动能减小。,2.2铝合金,2.2.3铝合金在车身中应用的示例,奥迪A8 第一代铝合金ASF车身,奥迪 A2第二代铝合金A

11、SF车身,新奥迪A8第二代铝合金ASF车身,2.2铝合金,铸造铝合金 直接用铸造方法浇注或压铸成零件或毛坯的铝合金。,2.2.4车身用铝合金的特点,变形铝合金 是经熔炼铸成铸锭后，在经过热挤压加工形成各种型材、棒材、管材和板材。,离合器壳体、变速箱壳体等壳体类零件； 发动机部件； 保险杠、轮辋、制动钳等非发动机结构件。,制造保险杠、发动机罩、车门行李箱等车身面板、车轮的轮辐、轮罩、轮外饰罩等结构件 仪表板等装饰件。,2.2铝合金,.,密度低,耐蚀性好,柔性的强度设计,高的导热性能,表面美观,铸造性好,是钢的1/3,不易生锈,在常温下的强度不低于铸铁,约比铝高三倍,无色透明的氧化膜,溶化温度低，

12、易成复杂形状,切削性好,耐磨性好,是铸铁的4-5倍，工具磨损小,2.2铝合金,主要铝合金板的机械性能,奥迪铝车身空间框架结构中的材料,2.3镁合金,2.3.1镁合金在车身上应用的示例,近年来世界汽车用镁合金压铸件统计表,镁合金压铸件对减轻质量和提高性能的影响十分显著，故障车身上应用的发展极其迅猛,2.3镁合金,2.3.2镁合金在车身上应用的出发点,铸造镁合金多用于压铸工艺生产。生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织优良、可生产薄壁及形状复杂的构件。,变形镁合金可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工。具有更高的强度、更好的塑性和更多的样式规格。,按化学成分分类,按是否含变质剂锆分类,

13、按成型工艺分类,2.3镁合金,镁合金的力学性能,2.3镁合金,.,质量轻,比强度高,稳定性高,阻尼系数良好,点此屏蔽性好,可回收性好,是钢的1/5,是铝合金的1.8倍,工件尺寸精度高,减振降噪,防电磁干扰,符合环保要求,切削性好,铸造成型性好,易加工,壁薄，并生产效率高,镁合金压性能非常优越，在工艺技术支持下应用前景广泛,2.4复合材料,复合材料应满足的条件 由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组成；用人工方法制造的；性能优于各组分单独存在时的性能，具有协同增强的特点。,2.4.1 复合材料的发展历史,玻璃纤维增强材料,碳纤维增强树脂基复合材料,有机纤维复合材料,金属基 复合材料,陶瓷基

14、复合材料,复合材料性能人为可造、可控，是二十一世纪新兴材料,2.4复合材料,2.4.2 复合材料在车身轻量化发展中的地位和作用,在汽车用材料中复合材料正占有越来越重要的地位,改善性能、赋予功能性、改善加工性、降低成本是开发复合材料的目的,2.4复合材料,2.4.3 复合材料在车身上应用的示例,BMW CFRP 侧围骨架,复合材料的框架结构,复合材料车身顶盖,复合材料备胎总成,2.4复合材料,雷诺 Avantime 车身塑料件,克莱斯勒的CCV车身,通用概念车Ultralite,2.4复合材料,2.4.4 复合材料在汽车车身上应用的出发点,聚合物基体 分为热固性和热塑性两大类，以热固性树脂为主，

15、主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等。,增强材料 复合材料中的增强用纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和金属纤维等，其中应用最广泛的是玻璃纤维。,玻璃纤维对乙烯基酯树脂的增强作用,2.4复合材料,热塑性 热固性,金属与金属复合材料 非金属与金属复合材料 非金属与非金属复合材料,按其组成分类,按其结构特点分类,纤维复合材料 夹层复合材料 细粒复合材料 混杂复合材料,按其基体材料分类,正是因为复合材料的人为性导致了材料的复杂性和性能多样性。,2.4复合材料,2.4.5 车身用复合材料的特征及其与汽车性能的关联,2.4复合材料,各种碳纤维的特性,碳纤维复合材料与常用工程材料

16、比性能比较,各种材料吸收性能的比较,2.4复合材料,Dodge viper 跑车的碳纤维车架结构,Porsche 的碳纤维发动机罩,梅塞德斯奔驰SLR 跑车,使用了一体式碳纤维车架的Ferrari F50,轻质高强、耐撞击，抗断裂韧性好、减振，隔音性能好、可设计性好、电性能好、耐腐蚀性能好、热性能好、工艺性能优良、老化现象是复合材料的特点，尤其是新型碳纤维复合材料性能格外优越，最具发展前景。,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第三章 轻质车身结构的成型工艺,从车身生产技术的角度出发，材料和加工成本、成型性以及

17、连接性等因素都是选择材料的基准，各种应用于车身的轻质材料都存在着不同于目前普通低碳钢的成型工艺问题，这些材料的应用过程中也成就了很多新的成型技术，例如内高压成型、拼焊板液压成型等。这些技术的应用必将进一步提高轻质车身材料的性能。,3.1 车身用高强钢的成型工艺,3.1.1 冲压技术,汽车覆盖件不同部位的受力和变形特征,易出现的质量问题： 破裂、面畸变、表面凸凹及划伤、偏移线、尺寸精度不良、形状精度不良、刚度不足等。,车身薄壁件的 冲压过程既不是简单的拉伸变形，也不是简单的胀形变形，而是两种变形同时存在的复合变形。,可能解决的途径： 破裂与成形极限图的应用，起皱和面畸变问题的防止与控制 ，尺寸精

18、度和覆盖件刚度的控制等,3.1.2 激光拼焊板技术,专用拼焊钢板: 普通拼焊板(TB)、 工程拼焊板(TEB) 补片型拼焊板,3.1 车身用高强钢的成型工艺,拼焊板整体侧围成型与原分块冲压成型的比较,3.1 车身用高强钢的成型工艺,减少零件数量、减少结构件质量、提高结构件质量和可靠性是自由组合激光拼焊板材技术的特点。,激光拼焊板在车身上的典型应用,激光拼焊板在前纵梁上的应用,3.1 车身用高强钢的成型工艺,3.1.3 液压成型技术,板材液压成型,管材液压成型,3.1 车身用高强钢的成型工艺,周边径向加压充液拉延成型,充液拉延与与翻边的复合工艺拉延成型,有反向预胀形的充液拉延,充液变薄拉延,黏性

19、介质压力成型,3.1 车身用高强钢的成型工艺,管材成型工艺过程大致分四歩：管材制作预弯预成型成型,液压成型采用液态的水、油作传力介质，代替刚性的凹模或凸模，使坯料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模成型。它在板材、管材加工方面能克服常规工艺的不足，具有制模简单、周期短、成本低而产品质量好、形状和尺寸精度高等特点，尤其适于在一道工序内成型具有复杂形状的零件。它不仅可提高成型极限，实现轻量化设计及辅助工序与成型工序的集成。而且模具具有通用性，不同厚度、材质的坯料可用同一副模具成型，大大节省成本的优点。,3.2 车身用铝合金的成型工艺,3.2.1 挤压成型,热挤压成型,冷挤压成型,有利于金属塑性变形

20、；但摩擦力大，变形性很不均匀；可获得挤压效应。,少（或无）切屑加工，能提高零件的力学性能并节省材料，生产周期短,3.2 车身用铝合金的成型工艺,3.2.2 压铸成型,流变铸造,触变铸造,在液态金属的凝固过程中进行强烈的搅拌,得到固- 液混合浆料。,在螺旋压射成型机中，使金属颗粒变成浆料后压铸成型。,3.2 车身用铝合金的成型工艺,3.2.3 电磁成型,电磁冲压机的工作原理,复合式冲压示意图,利用瞬间的高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形，需要整套充、放电设备，成型速度快，效率高,3.2 车身用铝合金的成型工艺,3.2.4 新兴加热吹塑成型,将加热后的铝板放入加热的金属模具中，利用高压空气挤压成型。

21、适合加工形状复杂的零件，效率高，时间短。,3.2 车身用铝合金的成型工艺,3.2.5 其他,车身的铝合金零部件的冲压，其技术原理与钢制零部件相同，只是铝制零件的成型要特别注意以下几点： 1.在成型模具的设计及成型条件的选定上，要控制延展部位到最小，深冲部位能达到最大成型； 2.由于铝合金板总延伸率小，变形分布不均，因此要尽可能地使加工变形分散开，以防深冲裂纹的产生； 3.加工时要适当涂润滑油，以防卡模、粘附等； 4.由于铝合金板的弹性模量是钢板的三分之一，弹性回复量大，故要防止模具过量而造成的形状不良。,因回弹增加和出现裂缝，铝合金板的冲压加工比钢板难度大。如使用专用模具，这种影响会减少，但成

22、本很高。此外，采用铝板冲压的生产率比钢板低，因为铝板易损伤，模具需频繁清洗，从而也增加了制造成本。,3.3 车身用镁合金的成型工艺,62,3.3.1 铸造成型,挤压铸造过程示意图,喷射沉积制模工艺,镁合金压铸过程,不同铸造方法产生的AZ91镁合金的拉深性能对比,3.3 车身用镁合金的成型工艺,63,不同铸造方法产生的镁合金铸件的循环时间和质量指标对比,镁合金铸造成型有压铸、半固态铸造、挤压铸造、低压铸造、消失模铸造、喷射沉积成型等方法，各有其优缺点。,3.3 车身用镁合金的成型工艺,64,3.3.2 变形成型,镁合金的变形加工技术主要有挤压成型和热冲压成型等。,镁合金的挤压条件,镁合金板材热拉

23、深成型时主要工艺参数有拉深力、成型速度、坯料温度、模具预热温度、润滑方式、模具圆角、模具间隙、压边力等，这些因素对坯料的拉深成型结果均有不同程度的影响。,1搅拌器；2料罐；3循环泵；4热交换器；5计量泵；6混合头；7模具,3.4 复合材料的成型工艺,65,3.4.1 热固性复合材料的成型工艺,喷射成型,层压成型,RTM成型,反应注射成型,热固性复合材料的成型工艺有喷射、层压、模压、拉挤、RTM、反应注射等。,3.4 复合材料的成型工艺,66,3.4.2 热塑性复合材料的成型工艺,由单纤维到部件,热塑性复合材料的成型工艺有冲压、挤压、模压等。,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车

24、身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第四章 轻质车身结构的连接工艺,汽车制造过程中采用的连接工艺主要有热装配、机械装配和粘接三大类。关于轻质材料的连接工艺主要采用点焊、激光焊、胶接、铆接等技术。,4.1 传统焊接技术,传统焊接技术,熔化焊接,固相焊接,熔化固相焊接,钎焊,焊接既是一个装配工艺过程，又是一个复杂的冶金过程、热处理过程以及焊接变形与应力的产生过程。,4.2 点焊,点焊通常分双面点焊和单面点焊两大类。电极、工艺参数、材料厚度和属性、接头设计是影响连接质量的关键。,点焊机专用电极,接头的设计,4.3 激光焊接,几种用于激光拼焊板工艺的焊接方法比较,YAG

25、固体激光器,CO2气体激光器,快速激光焊接接头凝固裂纹的形成,4.3 激光焊接,激光焊接热循环，焊接裂纹，焊接接头的软化是激光焊应用需要进一步研究的方向 。,4.4 胶焊,粘合剂在汽车上的应用主要部位,4.4 胶焊,粘合剂在越来越多的汽车上应用,与老款相比： 一阶弯曲刚度提高34 扭转刚度增加20 质量减少7kg,4.4 胶焊,新、老奥迪A6应用粘接剂前后的比较,从功能来分，车用胶可分为结构胶、半结构胶、密封胶和修补胶；从使用的部位来看，其又可分为车身、内饰、发动机和底盘零部件等工艺用胶。,4.5 电弧焊,熔化极惰性气体保护电弧焊,熔化极氩弧焊,钨极惰性气体保护焊,激光MIC复合焊接机头,电弧

26、复合焊接的原理图,铝合金的连接多采用熔化极惰性气体保护电弧焊和激光电弧焊，其焊接电流大，焊接速度快，热影响区小，生产效率高，可焊接厚件，工业上应用广泛。,4.6 胶接,胶接剂,4.6 胶接,胶接接头,胶接接头受力方式为剪切、拉伸、剥离和不均匀扯离。,胶接接头的基本形式是搭接,铝合金表面上的氧化膜，增强了与合适的金属胶粘剂牢固和持久的支持。故连接容易及比强度高是广泛用胶粘剂连接铝组合件的原因。,4.7自冲铆接,全铝车身连接技术和生产成本的关系,工艺简单，连接可靠，抗振，耐冲击，不会引起热变形，质量易检查，成本低是铆接的特点。它是铝合金或镁合金车身使用上最多的连接方式。,4.8复合材料的连接工艺,

27、胶接,焊接,成型连接,在结合处铺上浸有树脂的玻璃布或其他材料的垫片，然后将它固化，而使零件与垫片连接起来。,连续连接,4.8复合材料的连接工艺,复合材料的 机械连接,螺纹连接,铆接,螺纹-螺栓连接,自楔紧连接,机械连接,4.8复合材料的连接工艺,金属同复合材料的胶-铆接头,复合材料结构连接方法中，螺纹连接、胶接、铆接和螺栓连接得到了广泛应用。,凸缘连接,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第五章 应用多种材料的轻质车身设计,随着新技术，新工艺的不断应用，传统钢结构车身正在被新材料所取代。铝、镁合金制成的车身几乎

28、要比传统车身轻50%，而高强度的碳纤维复合材料要比传统钢制件大约轻60%。采用新型材料尤其是碳纤维复合材料对于减轻汽车自重量和降低制造成本具有不同寻常的作用。,不同材料车身的自质量对比,5.1 轿车车身结构,白车身由覆盖件、梁或支柱以及结构加强件组成,车身前部结构设计结构,是敞开的发动机舱，承受比较大的集中力，主要由前纵梁支撑，并尽可能吸收纵向碰撞能量。,5.1.1 车身构造,5.1 轿车车身结构,车身中部结构设计结构,是乘坐舱，结构强度要求很高，主要起到承受侧面撞击力，保护乘员生存空间的作用。,是行李箱舱，主要承受燃油箱、备胎和行李的重力。后纵梁承担和吸收纵向撞击载荷。,轻质车身结构设计的新

29、观点： “将合适的材料应用于合适的部位” 。,5.1 轿车车身结构,5.1.2 车身结构特点,优点：,缺点：,提高车身寿命；提高舒适性； 提高安全性；便于协作生产。,不利于轻量化；不利于上下车； 制造、装配技术需提高。,适用于大、中型，批量小的车型,适用于中、小型批量大的车型,5.1 轿车车身结构,优点：,缺点：,减重量、降成本；有效空间增大； 上下车方便；装配问题减少。,影响舒适性；影响车身强度； 改变车身制造变形车困难。,5.1 轿车车身结构,一定程度上改善乘坐舒适性,优点：隔振、隔音、轻量、底板较低、空间利用率高。,5.1 轿车车身结构,车身结构的革新所带来的好处不言而喻，但整体式车身结

30、构给汽车设计与制造带来的却是整个设计理念、制造方法和消费方式的巨大变革。 。,模块化车身结构,5.2 车身结构设计要求,5.2.1 结构强度与刚度要求,车身结构刚度和动力学性能设计的过程,分析具有竞争力的同类车型的性能指标,对新设计提出具体的目标要求,实施车身拓扑构造技术，选择结构方案,建立CAE模型进行结构强度分析计算,结构优化 ，得到最佳方案,试验验证,产品设计的全面评估,不断完善,车身在各种行驶条件下承受各种载荷时，要求既不许变形也不许损坏，对可变动载荷也不能产生裂纹等疲劳破坏。,结构强度与刚度设计应满足的条件,没有物理学上或理论力学上的“平面性”承载结构,由骨架构件连接成的承载及传力结

31、构,承载结构任何地方受力，应通过承载结构“网络”，迅速传递至整个车身,尽量避免存在不会受力的非承载构件,车身承载结构必须有足够的刚性 .,所有机组必须尽量悬置于车身承载结构的几何节点处,不允许车身薄板有较大的振幅,5.2 车身结构设计要求,5.2 车身结构设计要求,5.2.2 振动与噪声要求,噪声的产生,（1）轿车驱动系统噪声 （2）轮胎与路面接触噪声 （3）环绕车身的气流噪声,噪声的传递,（1）空气传声 （2）固体传声,降噪的措施,（1）连接处隔绝 （2）有目的的增加车身刚度 （3）适当部位设置隔音件 （4）多级密封,汽车上的振动主要包括由路面不平度引起的车身垂直方向的振动、发动机不平衡往复

32、惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转振动等。振动特性与车身刚度密切相关。高刚度车身不仅有利于悬架的支持，使汽车系统正常工作，而且有利于改进振动特性，降低噪声。,5.2 车身结构设计要求,5.2.3 耐久性要求,疲劳的产生,汽车在行驶过程中，由于路面不平整及路面使用过程中造成的缺陷等因素的影响，车身结构会受到交变载荷的作用,疲劳破坏,在交变载荷重复作用下，应力值没有超过材料的强度极限，材料或结构所发生的破坏现象,影响疲劳强度的因素,材料本身的性质、零件几何形状、表面质量、工作条件、表面处理及参与内应力等,材料或构件疲劳性能用疲劳强度来衡量，它指材料或构件在交变载荷作用下的强度，采用在

33、一定循环特征下，材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力和疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数作为疲劳极限评价指标。疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。,5.2 车身结构设计要求,5.2.4 安全性要求,考虑乘客最优化的碰撞保护的安全性设计基本要求,有安全带等保护装置,高强度的乘坐舱,车身前后部有大的碰撞变形区域,地板及车门具有碰撞承载结构,车身前部有高强度的横向连接件 .,车门有极坚固的防撞梁,乘座舱内构件表面光滑及柔软,顶盖有加强结构,纵向结构从前至后变形阻力逐大,碰撞后起火燃烧的可能性最小,承受速度为50km/h的碰撞，乘员无伤害,雨刮器应几乎完全被发动机

34、罩遮盖,白车身外的零件修理价格合宜,车身刚度合理分级,5.2 车身结构设计要求,前后两个碰撞吸能区,车身的刚度分配是碰撞安全性的决定因素。安全车身前后部位的刚度应低于中间乘坐舱的刚度。轻微事故时保险杠系统及其碰撞变形元件能吸收冲击能量，减少损失。重大事故时，乘坐舱变形应尽量小，让乘客有足够的生存空间。乘坐舱以外的部件应尽量参与变形并吸收冲击能量。,安全车身,5.2 车身结构设计要求,5.2.5 轻量化要求,轻量化的前提,保证安全性,结构合理化,（1）减薄板厚 （2）形状合理 （3）刚度最佳,轻量化的途径,(1)缩小车身尺寸 (2)采用前置前驱布置型式 (3)车身结构合理化 (4)使用高强度钢板

35、或其他轻质材料,轻质替代材料,（1）高强钢 （2）铝、镁合金 （3）复合材料,车身质量（包括白车身和装备件）对整车质量的影响很大。车身轻量化能有效地减轻簧上质量，使得悬架及传动系统的负荷减小，从而亦可相应地减轻该部分的质量，有利整车轻量化要求，最终达到节能环保要求。,5.2 车身结构设计要求,5.2.6 密封性要求,固定可靠、易装、美观、耐用，接触平稳、振动小，不漏雨、不积水,罩盖密封,升降玻璃密封,动态密封,静态密封,5.2 车身结构设计要求,5.2.7 通风性要求,布置通风装置应考虑车身结构和行驶中车身的表面压力分布特性,5.2 车身结构设计要求,5.2.8 防腐性要求,达到车身外板穿孔腐

36、蚀为10年，表面锈蚀为5年，发动机罩内和地板下表面锈蚀为2年的 “10-5-2”车身防腐蚀目标,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.1 车身结构轻量化设计特点,轻质车身结构分析系统集成框图,5.3 车身结构轻量化的技术路线,车身轻量化结构设计需要满足车身刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命和NVH特性等诸多方面的性能要求和相关的法律、法规及标准，结构优化分析是根本手段,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.2 车身结构轻量化设计方法,5.3 车身结构轻量化的技术路线,轻量化结构设计就是以强度高、抗振性好、弹性模量高的材料为基础，高强度的连接、优化的部件几何结构为条件，实现车身强度、刚度、

37、稳定性以及振动和声学性能的保证。,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.3 结构轻量化的途径,结构轻量化,5.3 车身结构轻量化的技术路线,a）分散型结构(焊接的冲压件) b）混合型结构(金属与复合材料的混合) c）整体型结构(压铸的泡沫铝合金) 应用轻质结构的车门,a）分散型结构（AUDI A2） b）整体型结构（VW LUPO） 应用轻质结构的车身,选择密度较小 力学性能接近于钢材的材料,5.3 车身结构轻量化的技术路线,材料轻量化,5.3 车身结构轻量化的技术路线,目前尚未发现具备所有要求品质的材料,EP-玻璃,EP-聚酰胺,EP-碳纤维,特定的刚度,特定强度,5.3 车身结构轻量化

38、的技术路线,采用材料的轻量化参数为零部件选择最优材料提供有效帮助.综合极限长度和线性应变，可以对不同材料进行轻量化效果分析。,极限长度：体现质量和抗拉强度之间的相互作用。,线性应变：将部件的质量和结构的拉应力变形结合起来。,5.3 车身结构轻量化的技术路线,线性应变,极限长度,极限长度lR/km,线性应变lE/km,5.3 车身结构轻量化的技术路线,典型的基于多种材料设计的车身,宝马6系Coupe的白车身材料成分,5.3 车身结构轻量化的技术路线,合适的材料应用于合适的部位是由零件的特性决定的：要求满足刚度的零件，弹性模量刚性参数和E A或者E I的比例最为关键；要求满足强度的零件，静力学中的

39、ReH或者Rm，或者动力学中的A（耐久性）是具有决定性意义的；要求具有临界损坏值的零件，撕裂阶段中取决于可持续受力值Ni = F(ai)，裂纹扩展阶段中取决于裂纹扩展的速度da/dn = F(Kc)；对于有吸能要求的零件，起决定性作用的是材料变形过程内部吸收的弹/塑性变形能。,5.3 车身结构轻量化的技术路线,5.3.4 结构轻量化的技术难点,5.3 车身结构轻量化的技术路线,轻量化设计的难点真正还在于，它的设计过程的复杂性，以及结构、材料、工艺之间的相关性，只有在三者间找到交集的集合，才能完成轻量化设计。,成本 生产 运营 维护保养 维修 废弃物处理,设计 减法/加法/混合 造型自由度 功能

40、集成（传感器/执行机构） 表面设计,质量 使用寿命 尺寸稳定性/相容性 抗腐蚀性 舒适性（声、视觉、触觉）,制造 批量生产/单件生产 成型加工 连接/分割 表面处理 质保,设计制造过程仿真验证,德累斯顿模型 功能集成的多材料的系统化轻量化设计,迭代的过程,安全 强度 刚度 稳定性 运行强度 冲击/碰撞,环境 环境相容性 能耗 噪音 材料回收利用 生命周期分析,5.4 车身结构轻量化技术经济性分析,5.4 车身结构轻量化技术经济性分析,5.4 车身结构轻量化技术经济性分析,待解决的矛盾：经济性 安全性 负载能力 质量 个性化 成本 多样化 制造,最有智慧的轻量化，是“以合适的价格把合适的材料运用到合适的位置”。轻量化的成本控制中必须解决四大矛盾：经济性与安全性之间、负载能力与重量之间、个性化与成本之间、多样化制造之间的矛盾，最终达到成本利润重量权衡的统一。,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第六章 车门的轻量化设计示例,车门是车身设计中比较特殊的部件，它在某种程度上说可以独立于车身结构之外，