汽车轻量化研究概述

汽车轻量化研究概述报告人：时间：汽车轻量化的趋势汽车轻量化途径结构设计优化材料轻量化制造新工艺内容车辆类型使用条件重量平均油耗减重节油全寿命周期里程减重全寿命节油tL/100kmL/100km1000kmL小型轿车长途为主160.36200720小型轿车市区为主18.50.55150829中型轿车长途为主1.690.28300844中型轿车出租1.6110.525002578豪华轿车长途为主2120.30100300研究表明，轿车减重减重100kg与节油效果关系如下所示：汽车轻量化趋势在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性能，减少燃料消耗，降低排气污染。整车重量减少100kg油耗：-0.4L/100kmCO2:-10g/100km环保和节能的需要…轻量化已经成为世界汽车发展的潮流和趋势!绿色、环境友好型趋势＝制造工艺创新结构设计优化热压成型、液压成型、激光拼焊内高压成型、电磁成型等高强钢、镁合金、铝合金、工程塑料及其复合材料和陶瓷材料等材料轻量化同时，还有零部件数量集成及功能集成，实现整车轻量化汽车轻量化的途径结构优化对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。在现代汽车工业中，利用CAD/CAE/CAM等软件辅助汽车设计已经成为不可或缺的环节，涵盖了汽车设计和制造的各个环节。通过这类软件能够建立数字化模型，准确实现车身的实体结构设计和局部设计，同时可以通过仿真计算来检验汽车结构的刚度，模态等参数，并且能够便捷地对汽车结构进行改造。利用CAD/CAE/CAM一体化技术，可以准确实现各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件，还可以进行布局分析和运动干涉分析等，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。从模流分析结果看，原方案的玻纤取向略差，经浇口调整后玻纤取向有所改善。CAE计算显示优化后刚度提升了10%。前罩锁区域Z方向刚度分析原始方案优化方案变形1.53mm1.39mm刚度100%110%原方案新方案结构优化结合产品的结构设计，减重方案的开发与应用高流动材料PP,降低产品壁厚，提高产品刚性，产品减重单位普通材料最新材料填充物比例%1523熔融指数（230℃）g/10min1846密度（比重）g/cm31.0351.08拉伸强度MPa21.117弯曲模量MPa19502400冲击强度（23℃）KJ/m234±328±3实例（前保险杠壁厚变化）mm3.02.51.高刚度保证零件的薄壁化2.高流动性保证薄壁零件的成形性结合产品的结构设计，可减轻更多的重量！•通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用各个环节都真正实现节能、环保。•通过结合参数反演技术、多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。•通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用各个环节都真正实现节能、环保。项目主要性能容积膨胀量——6.9MPa≤0.6cm3/m10.3MPa≤1.0cm3/m制动液相容性试验143±℃×5h爆破压力≥60MPa拉伸强度试验≥1446N臭氧试验100mPa±10mPa/40℃±3℃/48h±10h外覆层无龟裂或裂纹低温弯曲试验（弯曲半径R60）﹣45℃～﹣48℃×72h外覆层无龟裂或裂纹项目原管路系统集成管路减重率50%零件数36件6件重量1325g657g离合器软管金属管+橡胶管+卡箍+接头TPU外覆层+钢丝增强+PTFE内管以少代多典型应用案例一EPDM胶管+不锈钢管+卡箍TPV吹塑管与EPDM胶管硫化粘接为一体项目原管路系统集成管路减重率37%零件数7件3件重量1.2kg0.75kg测试项目集成管主要性能爆破压力常温1.4(MPa)80℃≥0.6(MPa)剥离强度≥3KN/m中冷器出气管以少代多典型应用案例二项目原管路系统集成管路减重率37%零件数7件3件重量1.2kg0.75kg中冷器出气管具体结构合理设计主要有以下3个方面：通过结构优化设计，减小车身骨架及车身钢板的质量，对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸。采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等，使结构更紧凑，或采取发动机后置、后轮驱动的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。在汽车结构优化设计方面，我国已经完全从依靠经验设计发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。材料轻量化应用的现状随着汽车材料技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成也在不断发生变化。以现代轿车用材为例，按照重量换算，钢材占汽车自重的55％～60％，铸铁占5％～12％，有色金属占6％～10％，塑料占8％～12％，橡胶占4％，玻璃占3％，其他材料(油漆、各种液体等)占6％～12％。汽车材料在汽车上的应用比例轻量化汽车材料技术的发展趋势由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越，其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。但高强度钢和超高强度钢的应用，如汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。铝镁合金在汽车上的用量将明显增加。工程塑料、复合材料所占比例将有明显增长。多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减小质量。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。要实现多材料轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”奥迪A8和英国捷豹XJ两个高级豪华车据守轻金属车身这唯一一块阵地宝马5系列车身前端总成以冲压铝板件，铸铝合金件和铝挤压件焊接而成目前只是在中高档轿车中广泛采用镁，铝，工程塑料和高强度钢的混合车身现代汽车的绝大部分内饰件以翼子板，保险杆外罩和许多乘用车的发动机罩内板都是由工程塑料制成的高强度钢板采用高强度钢板可以达到减薄车身用板的厚度和重量的目的,在轻量化的同时，增加了安全性能。据相关资料数据表明，当钢板厚度分别减小0.05mm、0.01mm和0.15mm时，车身减重分别为6%、12%和18%。高强度钢一般是指冷轧340MPa、热轧490MPa以上的钢,这些新型高强度钢板具有较低的屈强比、较好的应变分布能力和较高的应变硬化特性,同时高强度钢板的力学性能更加均匀，从而具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。汽车用钢板的强化机理现代汽车高强度钢板是采用使其金相组织得到强化的机理，而获得组织强化、复合组织强化、相变强化、热处理强化、冷作硬化和时效强化等现代高强度钢。高强钢可分为传统高强钢（CHSS）和先进高强（AHSS）常用的先进高强度钢主要有复相（CP）钢、双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢和孪生诱发塑性（TWIP）钢等几种。传统的高强钢多是通过固溶处理和晶粒细化达到强化效果的。目前常用的传统高强钢为：高强度IF钢(HSIF)、烘烤硬化（BH）钢、冷轧各向同性(IS)钢、冷轧高强度含P钢和高强度低合金（HSLA）钢。德国的两款轿车和SUV上所用的高强度钢材料VWPolo（大众波罗）、PorscheCayanne（保时捷卡宴）、OpeVectra（欧宝维佳）等车型中现代高强度钢的用量分别为60%、36%、45%，用量非常大，而且已经超越了普通钢，成为汽车用钢的主力军，成为未来汽车材料的发展方向之一。丰田汽车公司在其生产的丰田系列轿车上已经应用高强度钢制作车身及其零部件。车身质量要求越来越轻.车身重量的变化及高强度钢的使用比例20世纪90年代，国际钢铁协会的35家主要钢铁公司开展了超轻钢制车身（UltraLightSteelAutoBody）ULSAB项目。其内容是通过大量采用高强度钢板，并应用液压成形、激光拼焊板等技术使汽车减重25%。2004年项目取得成功，整车减轻质量25%，车身静态扭转刚度提高了80%，静态弯曲刚度提高了52%，汽车安全等级达到了欧洲NCAP五星级碰撞标准。ULSAB车体上高强度钢板使用率为90%，其中DP双相钢超过70%，另外还采用了4%左右的抗拉强度为1200MPa的超高强度马氏体钢。除上述国家外，各大汽车企业和钢铁协会也组成了超轻钢车体计划(ultralightsteelautobody)，目的是研究出新型高强度钢材料，扩大高强度钢材料在汽车工业中的应用，其目标是开发新型轻型钢车体，该型车比现有的车型更安全、更节能、更有利于环境保护、售价不增加。其中材料的开发与优化包括：新型高强度高成形性钢的开发与使用的优化，形成了以高强钢、超高强钢、双相钢和TRIP钢为主的新型汽车用钢系列；以激光拼焊板、液压成形管件和夹层板为特色的新型钢材系列。表1为欧洲车身会议（ECB）发布的部分车型白车身轻量化系数与上一代车型的比较。从表1看出，排除结构优化的因素，新一代车型轻量化系数的优化效果与高强度钢板的应用比例的提高有着很强的对应关系。2014款凯迪拉克ATS整车大量使用高强钢和超高强钢，这些钢材的强度是普通钢材的4—8倍，提升整车强度的同时也均衡地控制了质量；全铝前副车架及镁铝合金悬挂构件比钢制冲压副车架减重近50％；全铝发动机减轻了车头质量，实现了50：50的重量分配，改善了操纵性；镁合金发动机支架及铝合金发动机罩比铸铁支架、冲压钢板减重50％；东风日产-奇骏我国已有武钢、宝钢、鞍钢、上汽集团、上海大学、重庆汽车研究所等单位对汽车高强度钢材料开展了研究，特别是宝钢、武钢、上汽集团等单位在高强度钢领域有突出地位。国家科技部已将“500MPa以上高强度钢的先进制造技术”列为了863重点支持项目。铝及铝合金铝合金的特点：铝的密度小（2.7g/cm³），约为钢（7.8g/cm³）的1/3。用铝合金代钢铁可减重50%左右,由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜（钝化），所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形状的零件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa。导热率和导电率是钢的3倍。在汽车上的应用范围铸造铝合金与变形铝合金都在汽车中获得了应用，但是以前者为主。当前铝合金的铸件主要用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。变形铝合金适合压力加工，通过冷变形和热处理可使其强度进一步提高。可制成板材、管材、棒材以及各种形状的型材。变形铝合金主要用于汽车车身。包括：发动机罩、车顶棚、车门、翼子板、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件。过去用于轿车车身的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)anAl-Mg-Si(6000系)三大系列。铝合金车身板的应用及减重效果在美国，95%以上的油罐车用铝材料制造美国生产的全铝自卸车美铝与宇通合作研发的新一代节能环保大巴的铝合金挤压框架结构。全铝公用全铝公共汽车铝件的减重效果标示图。与钢结构相比，框架、轮毂。车身钣金件、内饰件分别减重800kg、170kg、550kg、400kg，合计减重量近2吨。减重近46%。美铝公司和宇通公司合作研发的全铝公共汽车用铝部位图沃尔沃S70的车门外板宝马M3的发动机盖板使用NovelisFusionAF350生产的汽车车门内板全铝轿车车身空间框架示意图奥迪的空间框架铝合金车身结构技术铝合金车身结构沃尔沃越野车纵梁宝马汽车后车架奥迪公司的油底壳奥迪公司的侧面车架国外品牌汽车铝合金防撞梁、吸能盒•美国通用公司的IMPACT牌轿车车身是