车身轻量化发展趋势

本科课程论文题目__车身轻量化发展趋势学院工程技术学院专业车辆工程年级_______2013__________学号____222013322220002____姓名_______唐志豪________指导教师_______高书娜________成绩_____________________2016年5月11日车身轻量化发展趋势唐志豪车辆1班222013322220002摘要：当今社会正向着绿色发展前进，环境保护，能源危机都是重要话题。而汽车轻量化是提高汽车动力性，实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义。本文分别从结构优化设计、材料应用和先进制造工艺三个方面对车身轻量化的应用现状和发展趋势做了简要介绍，指出了我国目前轻量化技术发展所面临的主要问题及解决途径。关键词：汽车；轻量化；新材料；结构优化0．引言：近年来，随着传统化石能源储量枯竭期的逐渐临近，以及其燃烧排放导致人类生存环境日趋恶化，节能减排已成为全球关注的热门话题。而汽车轻量化对于改善燃油效率，减少排放的作用非同一般。一般来说，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L，汽车重量降低1%，油耗可降低7%。此外，车辆每减重100kg，𝐶𝑂2的排放量可减少5g/km。因此，车身轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。在驾驶方面，轻量化以后，汽车的整体加速性将会得到显著提高，操控的灵敏性随之变高，车辆控制的稳定性、噪声、振动等方面也均有改善。1.轻量化的定义所谓汽车轻量化，是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能多地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗以降低排气污染。2.轻量化技术的分类汽车轻量化技术可以分为：结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等3个主要方面。其中，结构优化设计方面包括：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；轻量化材料的应用方面包括：高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料等；先进制造工艺方面包括：液压成型和激光焊接等。3.基于结构设计的轻量化技术应用从汽车零部件概念设计、初始结构设计、产品工程设计和样车制造过程来做结构轻量化的设计分析。在满足使用性能的前提下.采用优化设计去除零部件的冗余部分、减少零件搭接、改变零件结构、以减少零件数量或减轻质量.继而实现轻量化。3.1优化结构设计国外设计轻结构的研究开发主要有两方面，一是开发新的更适用的设计方法，以优化零件的造型设计;二是设计轻结构形状.力图按实际情况下来优化零件的形状。3.2实体结构设计和布局汽车轻量化的手段之一就是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、轻量化。因而在考虑轻量化时，要协调总成与整车、总成与总成之间可能出现的各种矛盾。利用CAD技术，可以准确地实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的形状、配置、板材厚度的变化进行分析。对于采用轻质材料的零部件，可利用CAE技术作零件的布局干涉分析和运动干涉分析，使轻量化材料能满足车身设计的各项要求。3.3拓扑优化设计拓扑优化开展于概念设计早期，主要研究结构材料布局，由于拓扑优化的结果决定了产品的最优拓扑，即决定了产品的最终形状与性能，因此在车身轻量化设计中大量应用拓扑优化技术，可以在很大程度上保证车身结构设计后续的尺寸和形状优化是在材料分布最优初始拓扑形式下进行的，能够极大地提高材料利用率。在产品设计中结合拓扑优化分析技术，在一定程度上改变了传统设计理念，给设计人员提供了更充分、更精确的设计依据，具有非常重要的意义。结合拓扑优化分析的产品设计具有以下特点:(1)避免内部复杂零件设计的盲目性，克服照抄其他产品设计带来的缺陷;(2)保证最大的材料利用率，减轻制件质量;(3)保证最优的模态、力和力矩特性，提高零件的总体性能;(4)保证零件制造的最佳工艺性，减少不必要的复杂结构，从而降低模具和生产成本。3.4用形状优化实现轻量化形状优化法能达到既减小零件的质量又延长零件寿命的目的。这种方法采用一种建立在生物学增长规律基础上的数值计算方法，它的基础是模拟一种凭借经验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体(如骨骼、树木等)的力学特性。研究发现，生物增长载体会避免应力集中，并始终试图增长为在一种标准载荷作用下表现为均匀表面应力的形状。这就给设计师以启发.即可借助于形状的变异来降低峰值或使应力分布均匀化。具体做法是向承受高负荷的部位贮存材料，而将承受低负荷的部位去除材料，零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计。这种结构设计方法已用于汽车后轴差速器壳体、半轴等零件设计。这种基于生物学增长规律的形状优化方法，可收到既减小零件质量，又避免局部应力高峰的效果。4.基于材料的轻量化技术应用4.1高强度钢高强度钢的强化机理主要有固溶强化、析出强化、组织强化、烘烤硬化和细晶强化按强度可分为高强度钢(HSS，σy210MPa)和超高强度钢(UHSS，σy550MPa)；按冶金学特征可分为普通高强钢(包括C-Mn钢、高强度IF钢、BH钢、IS钢和HSLA钢)和先进高强钢(即AHSS，包括DP、CP、TRIP、M和HF)。AHSS是通过相变来达到高强度的。与深拉钢和传统低合金高强度钢相比，AHSS具有更大的屈服强度，因而可大幅度减少车身结构中的附加支撑件、加强梁和嵌套截面，采用更少的部件和更薄的板料，因而有效减轻车身质量。在抗碰撞性能、耐蚀性能、疲劳性能和成本方面，AHSS较其他材料仍具有较大的优势，因此是今后最主要的汽车轻量化材料。如ULSAB-AVC项目研制的概念车中97%的材料为高强度钢，其中AHSS占80%以上，结合先进的制造工艺，使车身减小质量达20%~30%。目前，AHSS已成为新型汽车轻量化材料的研究热点[43-46]。因此各大钢铁公司纷纷以AHSS作为优先发展的重点方向，国内AHSS的开发也取得较大进展。4.2铝合金在汽车车身上的应用铝的密度约为钢的1/3，具有高的导电性和导热性，塑性好，易成型，易回收利用。可通过铸、锻、冲压工艺用铝合金制造各类汽车零件，是轻量化材料中应用比较广泛、成熟的材料之一。以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg,1982年达到62kg，而1998年则达到了100kg。根据美国铝学会的报告，汽车上每使用0.45kg铝就可减轻车重lkg。理论上铝制汽车可以比钢制汽车减重40%左右。目前，铝合金已广泛应用于汽车车身、底盘零部件以及发动机的某些部件上。近些年来，一些新型铝合金材料也开始在汽车上应用，如铸造铝合金、变形铝合金、铝基复合材料、铝基粉末冶金材料、快速凝固铝合金、铁铝金属间化合物、泡沫铝材和铝拼焊冲压坯材料。铝合金虽然提高了汽车综合性能，但同时也提高了整车成本，铝合金应用的局限是成本问题。所以，如何在保证成本不增加的前提下提高铝合金的使用量是我们应该关注的研究方向之一。4.3镁合金在汽车车身轻量化上的应用镁铸件在汽车上的应用大致分为两大类:一类是非结构铸件，这类镁铸件不需承受巨大的冲击;另一类是结构铸件，这类镁铸件需承受特定的载荷，且能满足一定的抗冲击要求。应用镁铸件的汽车非结构件包括变速器、气阀l凸轮罩盖、离合器壳、电动机l发电机罩、进气歧管和油底壳等。采用AMS和AM60合金镁压铸件的汽车结构件有方向盘、仪表盘、座椅框架、座椅、座椅升降器、制动器/离合器支架、转向柱部件和安全气囊座等。随着材料及成型技术的进一步发展，镁合金的强度得到提高，应用范围将进一步扩大，镁合金在汽车上的应用正从内饰件转向发动机和外车身，镁合金将应用于缸体、缸盖、车顶篷、发动机罩盖和后行李箱盖板等零件。5.基于制造工艺的轻量化技术为了达到进一步减小质量及降低成本的目的，除了开发高强度钢、铝、镁轻合金材料外，近年来，还开发了一系列适应于这些新材料的新制造工艺，如激光焊接、液压成型、半固态金属加、喷射成型技术。5.1激光焊接20世纪90年代中期，世界汽车工业使用的激光加工(切割、焊接、表面处理等)系统已超过5000台套，在激光焊接领域硕果累累。激光焊接工艺使采用各种复合拼焊板生产轿车零件(车身、车架等)成为可能。激光拼焊工艺改善了车身零部件的使用性能，降低了汽车质量，提高了汽车结构可靠性及安全性。车身激光拼焊工艺具有下列优点:减小结构件质量及材料消耗，减少零件数量，特别是减少垫板及其他一些加强元件;提高车身质量稳定性及结构可靠性，因为这种车身能轻松地在静态负荷、冲击负荷及变负荷下保持强度均衡0除此之外，点胶焊、超声波焊、超塑性扩散连接等技术也逐步占据一席之地，使得轻量化进程更加顺利。5.2液压成型技术液压成型主要是指把要成型的管件或板料放在密闭的模具中，再把流体介质(如水)引人管件内腔，增加水的压力，使管件或板料在常温下在模具内变形，最终成为所需的汽车部件形状。液压成型技术是一种先进的生产工艺，目前在欧洲和北美的汽车工业界得到广泛应用。世界各大汽车公司采用这种技术取代传统的生产工艺，以提高产品品质，减少零部件数量，减小汽车质量，降低生产成本。目前，使用液压成型技术生产的汽车零件主要有T型接头、排放系统、发动机支架、后桥和后桥部件以及各种结构样件。美国通用SEVILL车型运用此技术生产了侧门横梁、车顶托架等结构件。而福特的Mondeo的发动机支架采用此技术后，大大减少了零件和工序，质量也从12kg降到了8kg。5.3喷射成型技术喷射成型又称雾化沉积或喷射铸造，是20世纪80年代以来在传统快速凝固/粉末冶金工艺基础上发展起来的一种全新的成型加工技术。其原理是采用高压惰性气体将金属液流雾化破碎成大量细小的液滴，并使其沿喷嘴轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉淀收集到具有一定形状的接收基体上并累，通过合理设计接收基体的形状及控制其运动方式，便可以从液态金属直接制取具有快速凝固组织特征和整体致密的圆锭、管坯、板坯、圆盘等形状的沉积坯件。喷射成型过共晶Al-Si系合金目前在国外主要用于制造发动机中的一些关键零部件。如德国PEAK公司从1997年开始批量生产cp300aunx2500mm过共晶Al-Si系合金圆锭，200(〕年其产量达60001左右;日本1999年过共晶Al-Si系合金的产量达到10001左右。国内喷射成型技术起步较晚，“九五”期间，我国开发了与国外第二代喷射成型设备相当的设备。6.我国汽车车身轻量化技术发展方向在结构优化设计方面：汽车结构的尺寸优化、形状优化和连续体拓扑优化已逐步发展成熟并得到广泛应用，但汽车结构的多学科、多目标优化设计方法，离散杆系结构的拓扑优化方法，还有待进一步研究和完善。在轻量化材料的应用方面：变形镁合金、新型塑料和纤维增强复合材料具有较大的应用潜力；另外，由于单一材料难以最大程度地满足汽车结构的轻量化要求，研究多种材料混合结构的设计理论、方法和相应工艺，不同部位采用不同的材料，充分发挥各种材料的优势，可以实现选材与零部件功能的最优组合，这种多材料一体化设计理论和方法将成为汽车轻量化技术的研究热点。在工艺研究方面：液压成型、激光焊接将得到更为广泛的应用，热成形工艺和变厚度板的应用将得到进一步发展。此外，零部件的轻量化将得到重视。目前汽车轻量化技术的研究多以车身结构为主，而零部件的总质量约占整车整备质量的3/4，具有很大的轻量化潜力；因此，零部件如车桥、悬架、变速箱、发动机等的轻量化研究将会得到进一步重视。而且，各种轻量化技术是相辅相成的，充分发挥不同轻量化手段的优势，研究汽车材料选择、结构设计和工艺设计的系统化和集成化方法，即轻量化技术的系统化和集成化，也是未来汽车结构轻量化技术的发展方向。参考文献：[1]倪晋尚，轻量化技术在现代汽车中的应用.公路与汽运][J],2008(5)[2]鲁春艳，汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径.轻型汽车技术[J]，2007(6)[3]杨沿平，唐杰.我国汽车轻量化技术现状及研发重点.汽车与配件[J]，2006(42)