商用车轻量化和高强度钢板的应用

中国汽车工程研究院中国汽车工程研究院商用车轻量化和高强度钢板的应用马鸣图中国汽车工程研究院中国汽车工程研究院报告的主要内容一、中国汽车工业发展简况二、汽车工业发展带来的三大问题三、汽车轻量化意义重大四、乘用车轻量化的表征参量五、商用车轻量化意义更大六、对汽车轻量化用材和能耗的新的评估方法七、国内某载重车的材料构成八、商用车轻量化手段和方法九、商用车高强度钢板的应用十、汽车典型构件的功能和板材性能的关系十一、有限源分析和计算机模拟是实施轻量化的重要手段十二、结论一、中国汽车工业发展简况从53年建立一汽到2009年中国汽车工业走过了56年里程1953年—1992年100万辆1993年—2000年200万辆2001年—2002年326万辆2003年—445万辆，轿车高达45.4%，比例亦较合理2005年—570万辆，居全世界第四。2006年—728万辆,销量居世界第二,产量居世界第三2007年接近900万辆,如果在加农用车150-180万辆,产销均居世界第二.汽车保有量,超过4000万辆,汽车工业已成为名符其实的支柱产业.2008年汽车产量为938万辆，汽车保有量接近5100万辆2009年全年产量1360万辆2010年全年汽车产量1800万辆，汽车保有量8000万辆从2000年以后中国汽车工业发展进入了快车道。产量的增长情况中国汽车工业发展简况199219941996199820002002200420062008201001002003004005006007008009001000Outputofauto(*104units)Time(year)汽车产量的增长情况中国汽车工业发展简况汽车保有量的增长情况2009年中国汽车产销量为1364万辆，商用车产量340万辆；汽车保有量将近6300万辆；商用车将近1500万辆。18022053238326943159369743585099628078020.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%01000200030004000500060007000800090002001200220032004200520062007200820092010全国汽车保有量（万辆）年增长率二.汽车工业发展带来的三大问题•汽车工业发展、汽车产量增多、汽车保有量的加大带来了三大问题：油耗、环保和安全，针对这三大问题，各国都制定了相应的法规；•20世纪70年代的两次石油危机，促进汽车工业提高了燃油经济性，80年代中期以后，保护人类居住和赖以生存的环境又一次推动汽车工业提高燃油经济性和排放。《BP世界能源统计2008》的数据，2007年全球石油产量为8150万桶，按照这一数字，全球石油储量可满足40年的需求；目前美国53%依赖进口石油，欧洲高达76%，日本几乎全部依赖进口，中国石油对外依存度接近50%。在各行业的石油消耗中，汽车工业是耗油大户。中国汽车工程研究院汽车节油至关重要中国石油供应结构的变化目前美国53%依赖进口，欧洲高达76%进口，日本几乎全部依赖进口，2010年中国石油对外依存度55%。中国汽车消耗燃油的增长情况•2006年，我国汽车用燃油消耗占国内石油消耗总量的27％，其中车用汽油占全国汽油消耗量的86.4％，目前，为95%，车用柴油占全国柴油消耗量的38.5％，农用车对柴油消耗达到11％。我国石油消费中汽车燃油的增长情况中国汽车工程研究院各个行业的排放情况美国各个产业的温室气体排放情况（数据来源美国EPA，2005）按2005年美国环保局（EPA）的数据,各个产业的温室气体排放情况见下图，交通运输的温室气体排放量是仅次于电力工业。这些数据表明：汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应和环境保护都具有重要的意义。百万吨中国汽车工程研究院全球经济活动加速，大气中二氧化碳含量增长，温室气体排放和全球变暖成为人类共同面对的问题。大气中的二氧化碳含量增长情况交通事故死亡人数统计比较中国汽车工程研究院8945580K日本英国德国美国6639329842642中国60K40K20K04949死亡人数中国道路交通死亡状况分析•从1998年到2007的统计数据可以看到，2002年至2004年，每年的死亡人数都超过10万人，道路交通事故形势极为严峻。•从2005年开始，道路交通事故死亡人数呈逐渐下降的趋势，但行人占总死亡人数的比例始终高居两成五以上，没有明显下降。0200004000060000800001000001200001998199920002001200220032004200520062007行人死亡人数全部死亡人数数据来源：《中华人民共和国道路交通事故统计年报（2007年）》年死亡人数中国汽车工程研究院汽车各类安全法规要求日益严格•各类安全法规的要求需要更高强度、更高性能的汽车冲压件。–EURO-NCAP,(64,4km/h,40%)–US-NCAP,(56,3km/h,100%)–Pole(front),(50km/h,middle)-IIHSlowspeed,(8km/h,others)-AZT-front/rear,(15km/h,40%)-FMVSS201-FMVSS208-FMVSS214-Roofhittingtest-Rollover–JAPAN-NCAP,(55km/h,90°)–US-LINCAP,(62km/h)–Pole(side),(29km/h)–IIHSside,(50km/h)–BMWrear,50km/h,40%)–US-FMVSS301,(80km/h,70%)Fig.13:Someofthemostimportantfunctionalsafetyrequirements.中国汽车工程研究院•各类安全法规逐渐提升和严格C-NCAP汽车各类安全法规要求日益严格•日本到2010年实现汽油乘用车燃油效率目标为15公里/升，比1995年提高了22.8%。•欧盟乘用车燃油消耗目标为2009年单车平均排放CO2目标减少到140g/km(相当于耗油量5.7L/100Km)，2012年达到120g/km(相当于耗油量4.9L/100Km)。这使的人们更加关注汽车轻量化。•我国《乘用车燃料消耗量限制标准》规定，2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上，即2010年乘用车平均燃油消耗应为8.5升/100Km以下，大约相当单车平均排放CO2200g/km，与发达国家仍存在明显差距。轻量化是实现节能减排的有效手段1.汽车轻量化是解决汽车工业发展与能源环境之间矛盾的有效途径•研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前，大量研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。美国在欧洲全顺车的实验表明，在满足欧Ⅳ标准条件下，每百公里油耗Y与自重X满足以下关系Y=0.003X+3.3434•对商用车的研究表明，汽车质量每减少1000kg，油耗可降低6%～7%。油耗的下降，意味着CO2、氮氧化物（NOx）等有害气体排放量的下降。据报道，在美国汽车质量如果减少25%，燃油消耗按减少13%计，一年可节省2.7亿桶石油，每消耗1升燃油，将产生CO22～2.5kg。因此燃油消耗的降低，就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。三.汽车轻量化意义重大中国汽车工程研究院2轻量化是提高汽车动力性、舒适性的重要手段汽车质量减少，降低了动力和动力传动系统负荷，明显提高行驶平稳性和舒适性。为提高汽车安全性、舒适性等性能，增加了一些辅助装置，导致汽车的重量增加。这些重量也需通过轻量化予以补偿。在石油价格连续攀升的形势下，汽车用户越来越关注车辆的油耗，这表明高燃油经济性汽车是提高中国汽车工业竞争力的重要因素，也是今后影响我国汽车产量增长的首要因素。三、汽车轻量化意义重大中国汽车工程研究院3汽车轻量化是社会发展的需要2003年中国已成为世界第二大石油消费国，机动车耗油超过6000万吨，2005年中国石油消耗量已达到1.3亿吨。我国曾将2020年的石油消耗从6.3亿吨规划减至4.7亿吨，就计算了汽车轻量化的节油。燃油消耗的节约，就会增加我国石油储备安全和降低石油进口量。汽车轻量化是汽车工业和交通运输业节能降耗、降低污染实现国家的节能减排的重要手段，是促进国民经济可持续发展、构建和谐社会的必然要求。轻量化的实施将产生重大的经济效益，同时亦为我国汽车工业和材料产业的产品结构调整和产品层次提升提供了动力和市场。三、汽车轻量化意义重大2020/1/10三.汽车轻量化意义重大汽车自身质量对燃油消耗的影响轻量化是实现节能减排的有效手段各类车型的燃油效率与车身自重的关系车型的燃油经济性km/L四种轿车产品减轻自重8-10%油耗降低6%以上NCAP碰撞（安全性）达到4星级以上商用车产品减重10%以上质量利用系数达到1.5以上建立共性技术平台：技术规范产品开发数据库近期1.全面提升我国汽车工业的综合实力2.为汽车工业节能减排总目标的实现做出贡献3.带动材料、装备等相关工业的发展远期以5种目标车型为载体，开展7项共性关键技术攻关，辅以4项支撑措施，搭建2个共性技术平台。“十二.五”目标汽车轻量化技术创新战略联盟联盟近期目标实现后预计联盟内整车企业2010～2012年期间到2015年累计轻量化车型产量25万辆230万辆节约标准煤23.9万吨69万吨减少CO2排放54.7万吨157万吨企业新增利润36.6亿元116亿元一汽奔腾B50奇瑞B25吉利NL-1长安CV11东风某商用车联盟目标车型汽车轻量化技术创新战略联盟•宝马公司为评价白车身轻量化效果提出了轻量化系数L的概念。L可用下式表示，单位为kg/(Nm/°×m2)。L=m/Ct·A（1）式中m表示白车身的结构重量（不包括车门和玻璃），单位为Kg；Ct表示静态扭转刚度（包括玻璃），单位为Nm/°;A表示左右轮边宽度与前后轮中心距的乘积所得的面积，单位为m2；有关参量示意图见下图，汽车轻量化效果反应在L值的下降。白车身轻量化系数的相关参量示意图四.轻量化的评价参量轻量化系数•在一般情况下，在进行轻量化设计时，人们更多关心的是轻量化和安全的统一性，因此轻量化系数应该还涵盖有更多的相关内容。虽然轻量化系数具有一定的物理内涵，但对于不同车型、不同公司产品，用L的绝对值难以说明其轻量化效果，通常轻量化是与原标杆相比较所得相对值。因此，为了更直接的反映轻量化的效果，基于式（1）和相关的轻量化设计概念，也为了消除轻量化系数L的量纲，文献[7]提出了轻量化指数Li作为表征轻量化效果的指标，即轻量化的评价参量轻量化指数121/iLLLL将L1、L2带入即可得轻量化指数的表征方程21t11221(m/m)()/()itLCACA中国汽车工程研究院尽管商用车数量比乘用车少，但消耗的能源不可低估美国能源情报署（EnergyInformationAdministration）1998年发表的不同类型汽车日消耗石油产品的统计和预测数据数据表明，1998年美国商用车（1-8级载货汽车）每天消耗石油约占全部汽车消耗量的60％商用车是燃油消耗的主体从增长趋势看，商用车表现为强劲的增长商用车的轻量化对于节约石油资源具有十分重要的战略意义五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院1美国等发达国家十分重视商用车的轻量化和节能美国能源情报署（EnergyInformationAdministration）1998年发表的不同类型汽车日消耗石油产品的统计和预测数据，表明，1998年美国商用车（1-8级载货汽车）每天消耗石油约占全部汽车消耗量的60％，因而商用车是燃油消耗的主体。从增长趋势看，商用车表现为强劲的增长，商用车的轻量化对于节约石油资源具有十分重要的战略意义。因此美国提出了21世纪卡车计划，该计划是美国卡车、客车工业与其支持工业及联邦政府组成联盟，研究和开发商用车实用技术，在提高其安全和性能的同时,显著降低燃油消耗和排放。五、商用车轻量化意义更大中国汽车工程研究院美国商用车21世纪卡车计