第10章-汽车轻量化总结.ppt

1、汽车发动机、自动变速器、转向、悬架、制动、第1章、第2章、第3章、第4章、第5章、第6章、第7章、汽车NVH、发动机液压悬置、第8章、发动机双质量飞轮、第10章、汽车轻量化评估、10.5、10.6、轻量化技术路线、10.1、概述，随着人们对汽车安全性、舒适性和环保要求的提高。空调、安全气囊、隔热和隔音装置、废物净化装置和卫星导航系统在汽车中越来越受欢迎，这实际上增加了汽车的质量、燃料消耗和消耗品。汽车工业已经成为中国的支柱产业。2007年，中国汽车消耗国家石油。图10-1显示了1990年后中国石油供应结构的变化。从图中可以看出，中国石油需求对进口的依赖程度已经超过。将来会进一步增加。随着汽车产

2、量和拥有量的增加。汽车给人们的出行带来了便利，同时也带来了三大问题：油耗、安全和环保。2020年8月7日，节能和减少环境污染成为世界汽车工业亟待解决的两大问题，而减轻汽车重量是节能和提高燃油经济性的最基本途径之一。因此，汽车轻量化已成为本世纪汽车技术的前沿和热点。轻量化已经成为汽车优化设计和材料选择的主要发展方向。2020/8/7，10.1.1，汽车轻量化是实现节能减排的有效手段，而油耗与汽车重量之间的关系很难用简单的数学关系来表达。但是它们之间的关系可以从理论分析和实验中找到。汽车的行驶阻力可以用以下公式表示：2020/8/7。由公式(10-1)可知，汽车行驶阻力越大，油耗越多。车辆行驶阻力

3、包括滚动阻力、坡道阻力、加速阻力和空气阻力。从公式(10-1)可以看出，空气阻力主要与车身的形状和尺寸有关。其他三项与车辆质量成比例。经验数据表明，空气阻力约占驾驶阻力。目前，减少这部分阻力的措施通常是：流线型车身、全粘合挡风玻璃、隐藏式雨刷和完全封装在地板下。2020/8/7，汽车轻量化是国内外汽车工业发展的一个重要课题。在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，()可以最大限度地降低零部件质量，降低油耗，减少排放污染。()在降低汽车重量、油耗和排放的同时，我们努力追求高输出功率、高响应、低噪音、低振动、良好的机动性、高可靠性和高舒适性。()在减轻汽车重量的同时，汽车价格应该降低或保持在合理的水

4、平。具有商业竞争力。也就是说，汽车的轻量化技术必须是一种兼顾质量、性能和价格的技术。汽车轻量化在汽车技术的不断发展中发挥了重要作用。2020/8/7，10.1.2，根据美国环保局2005年的数据，汽车的轻量化是环保的要求。各行业的温室气体排放量如图10-2所示，交通行业的温室气体排放量仅次于电力行业。这些数据表明，汽车工业的节能减排对一个国家的能源供应和环境保护具有重要意义。2020年8月7日，10.1.3，实现汽车轻量化的主要途径，汽车轻量化技术可分为三个主要方面：结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造技术。其中，结构优化设计包括：汽车结构的尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化，轻

5、质材料的应用包括：高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料。先进的制造技术包括在早期阶段，它与结构设计相结合，以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究和应用。据统计，汽车车身、底盘和发动机占汽车总质量的一半以上。一般来说，全钢白车身可以通过优化设计来减轻重量，从而带来铝合金车身的轻量化效果，而纤维复合材料是减轻更多重量的唯一途径。先进的加工技术是应对材料和结构的变化，并提出新技术。2020/8/7，10.2，结构优化设计，汽车轻量化结构设计主要是在满足设计性能要求的前提下，使汽车零部件的材料尽可能合理地分布在空间中。避免不必要的材料使用，以获得最轻的结构设计。他们大多采用技术优化汽车结构，

6、使零件薄壁、中空、小型化和复合化。结构优化设计分为尺寸优化设计、形状优化设计和拓扑优化设计。其中，拓扑优化设计就是在设计空间中寻找最佳的力传递路径。与其他优化相比，提高汽车零部件综合性能和降低汽车零部件质量的效果更加突出。2020/8/7，10.2.1，尺寸优化设计，结构尺寸优化是最早和最成熟的汽车轻量化技术之一。一般来说，它采用汽车零件的尺寸(如冲压件的壁厚、梁截面的尺寸、发光孔的尺寸等)。)作为设计变量，以满足不同工作条件下刚度、强度、振动和能量吸收的约束。以结构质量最小为目标函数，建立了优化模型。2020/8/7，10.2.2，形状优化设计，形状优化主要是指改变结构的整体或局部形状，使结

7、构的应力更加均匀。从而充分利用材料。有两种形状优化方法。对于具有几何形状的结构，结构的几何形状可以被参数化。从而将形状优化转化为尺寸优化。然而，对于汽车结构来说，它更多的是一种不规则的几何形状，因此很难用参数来描述几何形状。因此，它不能转化为尺寸优化问题。为解决这一问题，目前广泛采用无尺寸参数的非参数形状优化方法。2020/8/7，10.2.3，拓扑优化设计，将预先指定的设计空间中的材料分布作为优化对象。优化算法自动给出最佳传力路径，从而节省了最多的材料。拓扑优化方法被认为是最有潜力的结构优化方法，主要用于结构概念设计阶段。目前，拓扑优化方法很多，其中最重要的是变密度法。拓扑优化将汽车零部件的

8、轻量化设计与汽车结构的优化设计相结合，在零部件设计的初始阶段进行概念设计。它可以在满足零件综合性能要求的情况下，制作出较轻的结构形式，并指导设计人员进行后期设计，这对零件结构形式的创新设计和轻量化设计有很大的帮助。2020年8月7日，2020年10月3日，轻质新材料，目前使用轻质材料的潜力很大。它是汽车轻量化的主流，汽车行业普遍重视开发轻质材料来解决这一问题。在保证汽车综合性能指标的前提下，采用轻质材料制造汽车车身。车身的重量可以大大减轻。目前，国内外汽车广泛使用铝合金、镁合金、高强度钢、塑料和复合材料。表10-1列出了中型汽车主要材料的比例。可以看出，汽车用钢材的比重逐年下降，而铝合金等轻质

9、材料的比重却在增加。然而，高强度钢仍然是一种具有竞争力的汽车用轻质材料，并且在抗碰撞性能、耐腐蚀性、成本和可回收性方面仍然比其他材料具有很大的优势。尤其是零件有些人认为抗拉强度超过了高强度钢。瑞典学者根据采用的术语将钢板的强度等级分为普通强度钢()，高强度钢()和超高强度钢()。屈服强度为210550的钢被定义为具有屈服强度的高强度钢()。有度钢被定义为超高强度钢()，而高级高强度钢()的屈服强度介于和之间。超轻钢体工程强度范围短。该项目由致力于开发超轻钢车身的世界主要钢板制造商发起。图10-3显示了一个使用不同强度(普通、高强度、超高和超高)的钢来提高车身碰撞安全性的典型例子。2020/8/

10、7，2020/8/7，高强度钢可分为传统高强度钢和先进高强度钢。传统的高强度钢包括低碳钢、无间隙原子钢、各向同性钢、烘烤硬化钢、碳锰钢和低合金高强度钢。高级高强度钢是一种金相组织强化的钢。包括相变诱发塑性钢、多相钢、马氏体钢、双相钢等。在提高强度的同时，具有良好的延展性和塑性。图10-4显示了高强度钢在汽车上的应用。2020/8/7)，热成型钢热成型钢是指钢板在高温下左右加热后一次成型。并快速冷却以形成具有超高屈服强度的钢。()极高的材料强度和延展性。普通高强度钢板的抗拉强度为400，450，而热成型钢的抗拉强度在加热前已达到500，800。加热成型后，温度升至1300-1600。是普通钢的两

11、倍。它的硬度仅次于陶瓷。但是它有钢铁般的韧性。因此，由热成型钢板制成的车体大大提高了车体的碰撞能力和整体安全性。在碰撞中，它将起到很好的保护车内人员的作用。2020年8月7日。这方面的一个典型例子是热成型钢板在迈腾汽车上的应用。如图10-5所示，图中红色部分是实际热成型钢板的零件。2020年8月7日，()可有效降低车辆质量和能耗。由于热成型钢板具有极高的材料强度。因此，在设计中，一个热成型零件可以代替几个普通的钢板零件。()具有良好的材料成形精度，消除了材料回弹的影响。可以设计复杂的形状。由于热成型钢板的特殊性能，它是在加热后形成的。因此，普通冷冲压可以在一个过程中完成，以形成需要多个过程的复

12、杂形状。基于以上优点，热成型钢板在汽车车身制造中具有很大的应用潜力。然而，由于生产工艺和成本的限制。目前，中国只有长春和上海两家工厂在生产热成型钢板。2020/8/7，10.3.2，汽车用轻质合金)，铝合金的密度为。/，大约是钢的/，所以它是最广泛使用的汽车轻质材料。汽车铝材都是以铝合金的形式出现的，而铝合金在汽车上的应用。起初，发动机及其零件是通过铸造生产的，然后应用于轮毂和其他部件。它在汽车上的使用呈现出持续增长的趋势。梅赛德斯-奔驰汽车的铝制零件如图10-6所示。2020年8月7日，2020年8月7日。根据合金元素的含量和加工性能特点，传统铝合金可分为铸造铝合金、锻造铝合金和铝基复合材料

13、。()铸造铝合金铸造铝合金是一种通过铸造方法直接铸造或压铸成零件或坯料的铝合金。其中，有重力铸造、低压铸造等，合金元素含量相对较高。合金元素的质量分数为。()变形铝合金变形铝合金中合金元素的含量相对较低。通常使用的锻造铝合金中合金元素的总量少于。但在高强度变形铝合金中可以达到。()铝基复合材料铝基复合材料具有低密度、高比强度和模量以及良好的抗热疲劳性能。然而，它在汽车上的应用受到限制，2020/8/7)，镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度、阻尼、可加工性、导热性好、电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富、易回收、无污染等优点。西方工业化国家镁基金属基复合材料的发展和应用已经达到工业化阶段。见表1

14、0-4。2020年8月7日，具有表面处理技术低、粘接水平低、设计数据缺乏、生产设计周期长等特点。根据加工工艺，镁合金可分为铸造镁合金和锻造镁合金。它们在成分、结构和性能上有很大差异。()铸造镁合金铸造镁合金主要用于压铸工艺。其特点是生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织优良，可生产薄壁复杂形状零件。根据不同汽车零部件对镁合金性能的具体要求，新型镁合金材料的开发一直致力于提高强度、改善成型性和提高高温抗蠕变性。()变形镁合金变形镁合金是指能够通过挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法进行加工的镁合金。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更好的强度、塑性和更多的规格。2020/8/7，3，3，10

15、.3.3，复合材料是指由两种或两种以上不同形式或性质的材料按照一定的复合工艺组成的一种结构。复合材料兼具原材料的特性和性能。因此，复合材料不能被视为简单添加的组成材料。汽车复合材料完全不同于传统的汽车材料，如钢、铁、铝、塑料和橡胶。与传统的均质各向同性材料不同，它们是非均质各向异性的。复合材料是基于一种材料。另一种材料是增强材料的组合，各种材料在性能上相互学习。该复合材料的综合性能优于原复合材料，满足各种要求。2020年8月7日，根据复合材料的性能，它们可以分为普通热塑性复合材料和高性能热塑性复合材料。热塑性塑料和热固性塑料的比较见表10-5。2020年8月7日。这里有一些常用的汽车复合材料(

16、)玻璃纤维增强复合材料()玻璃纤维增强塑料()，俗称“玻璃纤维增强塑料”，它们不仅质量稳定、资源丰富、成本低廉，而且具有良好的冲击能量吸收和耐腐蚀性能。降噪效果好，设计灵活，强度高，工艺性能好，价格低。因此，它是目前汽车中使用最广泛的树脂基复合材料，主要用于发动机、发动机外围部件和车身，也可用于制造保险杠、发动机罩、挡泥板甚至整个车身外壳。玻璃纤维框架如图10-10所示。碳纤维增强复合材料碳纤维增强塑料具有重量轻、强度高、模量高、减摩耐热、高导热、自润滑、耐腐蚀、耐冲击和高疲劳强度等优异性能。它在现代汽车工业中的应用将会越来越广泛。碳纤维增强复合材料是汽车覆盖件最理想的非金属材料。可以在减轻车身重量的同时保持防撞性能。2020/8/7)，复合材料的性质是各向异性和不均匀的。与其他材料相比，复合材料具有以下特点：(1)高比强度和模量，这是其最大的优点：(1)良好的抗疲劳性；(2)良好的减摩性、耐磨性和自润滑性；(3)良好的化学稳定性；(4)良好的耐高温腐蚀性；(5)可制造性和可设计性；(6)其他特殊性能。塑料的机械性能随温度和时间而变化，塑料用于所有组件，如内饰、外饰和功能部件。汽车用塑料制品如图10-12所示。，202