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学习目标1.了解轿车车身轻量化的意义2.掌握轿车车身轻量化的主要途径学习要求知识要点能力要求相关知识轿车车身轻量化的概念、意义1.车身轻量化概念2.车身轻量化意义车身轻量化轿车车身轻量化途径1.车身轻量化途径-新材料2.车身轻量化途径-工艺3.车身轻量化途径-结构车身壳体、结构件、覆盖件、车身附件8.1车身结构轻量化的意义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。洁净化安全化轻量化舒适化信息化汽车设计和制造的五大方向质量占整车的４0～６０％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１５～３0％车身结构轻量化设计包含的七大要素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。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8.2车身轻量化的实现途径结构优化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8.2车身轻量化的实现途径革新工艺液压成型工艺激光焊接工艺定制板材技术金属板固态成型技术真空压铸成型技术无孔压铸成型技术与轻质结构设计要求相符的创新制造工艺革新工艺拓宽汽车轻量化的可能性（一）采用新材料实现汽车轻量化世界几种典型轿车用材百分比车名钢铁轻金属塑料其它大众路波牌轿车50.516.414.019.1奔驰E系列轿车63.06.08.023.0奥迪A2型轿车34.028.824.612.6奥迪A6型轿车58.312.817.111.8福特新型P2000轿车24.037.0—39.0福特Taurus牌轿车66.09.0—25.0BMW公司3系轿车56.711.514.5—（一）采用新材料实现汽车轻量化铝合金在轿车上应用铝合金发动机气缸、离合器壳体大众甲壳虫玻璃增强纤维复合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（一）采用新材料实现汽车轻量化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750kgEcobasic“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（一）采用新材料实现汽车轻量化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-Scaglietti（一）采用新材料实现汽车轻量化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（一）采用新材料实现汽车轻量化（一）采用新材料实现汽车轻量化1.普通低碳钢板1）钢板的成形性能冷冲压钢板是以金属的塑性变形为基础的加工方法。伸长率是衡量塑性变形能力的指标冷轧钢板：比热轧钢板冲压加工性能好，表面美观。在汽车上应用较多,广泛采用0.6~1.0mm板厚热轧钢板：是在t＞800℃时轧制而成的，加工性不如冷轧钢板，厚度一般为1.6~6.0mm之间。板厚为1.2~1.4mm的热轧钢板主要用于车身下部构件、内护板、车门内板等，大于1.6mm以上的用于结构加强板和铰链等。2.高强度钢板高强度钢板（HSS）指屈服强度为210~550MPa的钢板，屈服强度大于550MPa的为超高强度钢板（UHSS或AHSS），是在普通碳素钢的基础上加入少量的合金元素制成。生产成本与普通碳素钢板相近，但其抗拉强度比普通钢板高得多，用以制造车身构件，可以明显减轻重量和造价优点1）可减轻零件的重量2）加工硬化率高，吸收更多的冲击能量，用于前后纵梁等处可提高汽车的安全性3）用于车身外部件，具有烘烤硬化性，可增强零件，提高外表面件的抗凹陷性能主要限制：随着钢板强度级别的提高，钢板的成形性变差。高强度钢板及车身【案例1】ULSAB-AVC项目是通过全面开发两类车型——欧洲的C级车型（C-Class）和北美的中级轿车PNGV的概念设计方案目标：满足2004年安全法规，显示钢结构汽车的高安全性亮点利用在2004年可以获得的先进钢材和加工方法适合于大量生产车身结构和闭合件等应是全钢的，钢材的供应没有问题使重量最轻，成本最小化高强度钢板及车身【案例2】（1）平台概念1）C级和PNGV级两种车型共用一个平台2）两种车型共用一种车身结构平台，只是车门型式不同，车身长度尺寸略有不同；强调共用一个车头。（2）精心设计载荷路径和接头车头的结构设计包括动力总成的布置和前端结构载荷路径布置设计A立柱之前的前端结构是前碰撞的主要吸能部分按照100%正碰和40%偏置碰撞的要求，综合精密考虑结构的载荷路径，设置了斜撑盒形梁，将前围档板与抗碰撞盒上、下和下封闭地板联接在一起，传递纵梁和拐角之间的载荷（3）底架前端结构前碰撞能量由两根纵梁传递，每个纵梁由两段钢管拼焊液压成形悬架支承力通过副车架传入车身前碰撞载荷路径是由保险杠梁和抗撞盒传及整个纵梁抗撞盒由两个冲压件组成盒形截面，焊在保险杠和纵梁之间（4）车身侧围结构没有设置门槛内的和A柱下段的加强板。但为补偿强度，门槛内板与车身侧围外板都是用拼焊板制造前门铰链座插入A柱，且被焊于A柱内板和车身侧围外板。底架的左、右门槛内板之间，用穿透的矩形横梁拉住车身侧围用两根拱形管材构件传递A柱到后纵梁的载荷在前端，载荷是从前纵梁通过前围板碰撞盒传入A立柱。管材液压成形时，管径被扩胀并轴向地伸入定位工具，然后在A柱接头处全面焊接在后端，这个侧围构件安装在作为后纵梁上部零件的后地板上，通过一个支架和后纵梁联接。（5）车身后端底架结构后端纵梁部分由后地板、后纵梁和门槛内板及轮罩内板组成，都由拼焊板制作。3.表面镀锌钢板锌具有适应性很强的耐腐蚀性能随着轿车工业的发展，镀锌钢板用量逐年增加多用于容易腐蚀的车身零件，如挡泥板（轮罩），地板等车身底部及车顶，车门板。有些轿车车身几乎全部重要冲压件都采用镀锌钢板。4.塑料1953年汽车上第一次使用塑料作为汽车车身的内、外饰件的主要材料得到普及应用纤维增强复合材料出现，塑料材料在车身上的应用正在代替钢板，用作车身的板件和结构件塑料分类（按机械性能）通用塑料：用途广、产量大、价格低廉的普通塑料工程塑料：具有一定机械强度和特殊性能的增强塑料5.复合材料按性能分类：功能型复合材料结构复合材料按基体分类高分子基（PMC）复合材料金属基（MMC）复合材料陶瓷基（CMC）复合材料按增强相的种类、形状分类颗粒状层状纤维增强复合材料。应用最多（1）复合材料车身特点1）重量轻例：玻璃纤维增强材料（GFRP，玻璃钢），密度为1.6~2.4g/cm3，制作车身可大大减轻重量2）耐腐蚀，车身寿命长特别是玻璃纤维增强材料，几乎同玻璃一样具有不生锈和耐腐蚀的能力3）具有高韧性和抗冲击能力4）保温隔热性好除碳纤维增强材料外，复合材料导电、导热能力差5）成型性好纤维增强材料流动性和层压性好，使车身表面可制成形状各异的曲面6）车身部件大型化用复合材料可以制造集许多单一零件和功能于一体的多功能部件，或大型整体部件7）着色性好8）材料利用率高（2）车身用复合材料车身上使用最多的复合材料是玻璃纤维增强材料（GFRP）和碳纤维增强材料（CFRP）1）GFRP的主要特点及其应用质量轻，比强度、比刚度高，耐腐蚀性能好2）纤维增强材料（CFRP）的特点及其应用CFRP的主要原料与GFRP基本相同，只是增强材料为碳纤维而不是玻璃纤维与GFRP相比，CFRP密度低、抗拉强度高，耐蚀性、耐磨性好，有一定的减振和隔振性能CFRP材料广泛应用于汽车的各类板件、壳体件、各种支架、托架和许多重要的结构件复合材料在车身上应用的示例BMWCFRP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下端板块NorylGTX964重量:2,1kgTopspoilerNorylGTX964重量:1,0kg玻璃重量:4,4kg举升门总成门板内饰PP/Dilour重量:0,8kg结构GMTPPGF40重量:7,0kg雷诺Avantime车身塑料件克莱斯勒的CCV车身通用概念车Ultralite复合材料在车身上应用的示例Dodgeviper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FerrariF50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。复合材料在车身上应用的示例（二）采用新工艺实现汽车轻量化轻质材料在减轻车身重量的同时，也对汽车工艺提出了新的要求，例如，用新材料制造的零件进行组装结合时，就遇到了接合技术问题。采用高强度钢后，材料厚度更薄，传统的MAG焊接工艺面临无法解决的焊接难题。车身组装焊接技术主要种类种类接合技术熔融接合MIG、MAG、CO2电弧焊、等离子焊、激光焊、缝焊、电子束焊固态接合摩擦搅拌接合、摩擦搅拌点接合机械接合铆钉连接、铆钉铆接、压力铆接、翻边咬合钎焊激光钎焊、钎焊粘接化学粘接混合接合粘接点焊、粘接铆接、激光电弧（二）采用新工艺实现汽车轻量化1.轻量化成型工艺-精益成型内高压成形原理图1）管件液压成型技术也称内高压技术，是一种利用液体作为成形介质，通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零件目的的材料成形工艺。一般用来制造空心轻体构件。金属板料液压成形原理图（二）采用新工艺实现汽车轻量化2）热冲压成形工艺将钢板加热到Ac3点以上的A（奥氏体）区域进行冲压成形，然后在冲模中从Ar3相变点以上进行急冷。（二）采用新工艺实现汽车轻量化热冲压成形零件1.侧门2.支架和梁3.各种突出梁4.B柱加强板5.外门板6.加强板7.纵梁（二）采用新工艺实现汽车轻量化3）注射成形技术应用注射成形技术的车门内板及仪表盘4）发泡铝成形技术发泡铝是空气与铝复合而成的材料。向铝模具内充气或把将要发生化学反应的小颗粒注入铝模具，形成发泡铝的多孔组织，就能充分吸收能量，缓冲和降噪。2.结构件优化连接工艺—可靠连接车身制造中常用的焊接方法及典型应用实例焊接方法典型应用实例电阻焊点焊单点焊悬挂式点焊机车身总成、车身侧围等分总成固定式点焊机小型板类零件多点焊压床式多点焊机车身底板总成C形多点焊接车门、发动机盖总成缝焊悬挂式缝焊机车身顶盖流水槽固定式缝焊机油箱总成凸焊螺母、小支架电弧焊CO2气体保护焊车身总成亚弧焊车身顶盖后两侧接缝手工电弧焊厚料零部件气焊氧—乙炔焊车身总成补焊钎焊锡钎焊水箱特种焊微弧等离子焊车身顶盖后角板激光焊车身底板（二）采用新工艺实现汽车轻量化传统方法激光拼焊落料落料个体成形焊接激光焊接整体成行传统工艺和激光拼焊的对比（二）采用新工艺实现汽车轻量化激光焊激光焊汽车车架（三）通过合理化结构实现汽车的轻量化1．将车身划分为吸能区和刚性区吸能区能吸收部分碰撞能量，并使用剩余碰撞能量分散性地传到刚性区，而刚性区能确保有足够的刚性和强度保护乘员不受损伤或少受损伤。2.增加焊