第10章 汽车轻量化分析

QICHEXINJISHU汽车新技术（第二版）史文库普通高等教育规划教材编著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9章第10章第11章车身汽车轻量化智能汽车第10章汽车轻量化概述结构优化设计轻量化新材料轻量化设计的先进成型技术10.110.210.310.4汽车轻量化评价10.510.6轻量化技术路线10.1概述随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性能要求的提高。汽车安装空调、安全气囊、隔热隔声装置、废弃净化装置、卫星导航系统越来越普及，这无形中增加了汽车的质量、耗油量和耗材量。汽车工业已成为我国的支柱产业。2007年我国汽车消耗全国石油的６０％。图10-1所示是1990年以后我国石油供应结构的变化。从图中可以看出我国石油需求量对进口的依赖度已超过５０％。今后还将进一步加大。随着汽车产量和保有量的增加。汽车在给人们的出行带来方便的同时也同时产生了油耗、安全和环保三大问题。2020/1/24节约能源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题，而减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。因此汽车轻量化成为２１世纪汽车技术的前沿和热点。轻量化已成为汽车优化设计和选材的主要发展方向。2020/1/2410.1.1汽车轻量化是实现节能减排的有效手段汽车的燃油消耗与车重的关系很难用简单的数学关系是表达。但可以从理论分析和试验两个方面找到它们之间的关系。汽车行驶的阻力Ｆ可由下式表达:2020/1/24由式(10-1)可知，汽车行驶阻力越大，耗油越多。汽车行驶阻力包括滚动阻力、坡道阻力、加速阻力和空气阻力等四部分从式(10-1)可以看出ꎬ除了空气阻力主要与车身形状大小有关外。其他三项均与整车质量成正比经验数据显示空气阻力约占行驶阻力的２５％。目前，减少这部分阻力的措施通常由:流线型车身、全黏结风窗玻璃、隐蔽式刮水器、下地板全封装等。2020/1/24汽车轻量化是当代国内外汽车工业发展的一个重要课题:(１)在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量降低燃耗减少排放污染。(２)在使汽车减轻质量、降低油耗、减少排放的同时ꎬ努力谋求高输出功率、高响应性、低噪声、低振动、良好操纵性、高可靠性和高舒适性等。(３)在汽车轻量化的同时ꎬ汽车的价格应当下降或保持在合理水平。具有商业竞争能力。即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用。2020/1/2410.1.2汽车轻量化是环保的要求按2005年美国环保局的数据。各个产业的温室气体排放情况如图10-2所示，交通运输的温室气体排放量仅次于电力工业。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。2020/1/2410.1.3实现汽车轻量化的主要途径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。(１)轻量化的结构设计和分析。而且这种设计已经融合到了汽车的前期概念计阶段优化结构的主要途径是利用有限元和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少零部件的质量和数量。2020/1/24(２)轻质材料在汽车上的应用。包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等。并在前期与结构设计融为一体，以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用。据统计汽车车身、底盘、发动机三大件占一辆轿车总质量的６５％以上。一般全钢结构白车身通过优化设计可以减重７％左右采用铝合金的车身可以带来３０％~５０％的轻量化效果而想减轻更多的质量就只能求助于纤维复合材料。而先进的加工工艺是为了应对材料和结构的变更，而提出新的工艺。2020/1/2410.2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，尽可能使汽车零部件的材料在空间合理分布。避免不必要的材料利用，以获得最轻的结构设计。大多采用ＣＡＥ技术对汽车的结构进行优化ꎬ使零件薄壁化、中空化、小型化、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，拓扑优设计是在设计空间内寻求结构最佳的传力路径。对提高汽车零部件综合性能和减少汽车零部件质量的效果较其他优化更突出。2020/1/2410.2.1尺寸优化设计结构尺寸优化是应用最早、也是应用最成熟的一种汽车轻量化技术。它一般以汽车零部件的尺寸(如冲压件的壁厚、梁截面尺寸、减重孔的尺寸等)参数为设计变量，以满足不同工况下的刚度、强度、振动、吸能等约束条件。以结构质量最小为目标函数构建优化模型。2020/1/2410.2.2形状优化设计形状优化主要是指改变结构的整体或者局部外形，使得结构受力更加均匀。从而更加充分地利用材料。形状优化方法有两种。对于具有几何外形的结构，可以将结构的几何外形参数化。从而将形状优化转变为尺寸优化问题。但是对于汽车结构来说，更多的是具有不规则的几何外形，此时难以采用参数来描述几何外形。因此无法将其转化为尺寸优化问题。针对这种问题，目前广泛采用不需要尺寸参数的无参形状优化方法。2020/1/2410.2.3拓扑优化设计拓扑优化以事先指定的设计空间的材料分布为优化对象。通过优化算法自动给出最佳传力路径，从而节省最多的材料。拓扑优化方法被认为是最具有潜力的结构优化方法，主要应用在结构概念设计阶段。目前提出的拓扑优化方法有多种，其中最主要的一种方法是变密度法。拓扑优化将汽车零部件减重设计和汽车结构优化设计结合起来进行零部件设计初期的概念设计。可以使得在满足零件综合性能要求的情况下获得较轻的结构形式，指导设计者后期的设计，对于零部件结构形式的创新性设计和减重设计有着重要的帮助。2020/1/2410.3轻量化新材料采用轻质材料在目前看来具有更巨大的潜力。是汽车轻量化的主流，汽车行业普遍注重于开发轻量化材料来解决这一难题。在确保汽车综合性能指标的前提下，使用轻质材料来制造车身。可以很大程度减轻车身的质量。目前在国内外汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等。表10-1列出了某国中型轿车主要材料构成比例。从中可以看出，汽车上使用钢铁材料的比例逐年减少，而铝合金等轻量化材料的比例不断上升。但是，高强度钢仍是颇具竞争力的汽车轻量化材料，它在抗碰撞性能、耐蚀性能和成本、回收等方面较其他材料仍具有较大的优势。尤其是用于车身结构件与覆盖件、悬架件、车轮等零部件。2020/1/242020/1/24镁合金和铝合金、钢铁和塑料的物理机械特性的比较见表10-2而表10-3列出了常用几种轻量化材料的减重效果及相对成本。2020/1/2410.3.1新型钢材１)高强度钢对于高强度钢，以前并无统一的定义。有人认为抗拉强度超过３４０ＭＰａ的称为高强度钢。瑞典学者将钢板强度级别分为普通强度钢(ＭＳ)、高强度钢(ＨＳ)和特高强度钢(ＥＨＳ)按照ＵＬＳＡＢ所采用的术语。将屈服强度为210~550ＭＰａ的钢定义为高强度钢(ＨＳＳ)屈服强。度为５５０ＭＰａ的钢定义为超高强度钢(ＵＨＳＳ)ꎬ而先进高强度钢(ＡＨＳＳ)的屈服强度则位于于ＨＳＳ和ＵＨＳＳ之间的强度范围ꎮＵＬＳＡＢ是超轻钢质车身项目的简称。该项目是由世界主要钢板生产商致力于开发出超轻钢质车身而发起的。图10-3所示就是ＶｏｌｖｏＳ４０通过使用不同强度的钢材(分为普通、高强度、超高、特高)而提高车身碰撞安全性的一个典型例子。2020/1/242020/1/24高强度钢又可分为传统高强度钢和先进高强度钢两类。传统高强度钢种包括低碳钢、无间隙原子钢、各向同性钢、烘烤硬化钢、碳锰钢、低合金高强度钢。先进高强度钢是金相组织强化的钢种。包含变相诱导塑料钢、复相钢、马氏体钢、双相钢等。在提高强度的同时具备了良好的延展性和塑性。图10-4所示为高强度钢在汽车上的应用。2020/1/24２)热成型钢热成型钢是指将钢板经过９５０℃左右的高温加热之后一次成型。又迅速冷却加工而成的一种具有超高屈服强度的钢。(１)极高的材料强度及延展性。一般的高强度钢板的抗拉强度在400~450ＭＰａ而热成型钢材加热前抗拉强度就已达到500~800ＭＰａ。加热成型后则提高至1300~1600ＭＰａ。为普通钢材的３~４倍。其硬度仅次于陶瓷。但又具有钢材的韧性。因此由热成型钢板制成的车身极大地提高了车身的抭碰撞能力和整体安全性。在碰撞中对车内人员会起到很好的保护作用。2020/1/24这方面比较典型的一个例子是迈腾轿车中热成型钢板的应用。如图10-5所示图中红色部分为实用热成型钢板的零件。2020/1/24(２)能有效减轻整车质量，降低能耗。由于热成型钢板极高的材料强度。因此在设计时可以用一个热成型零件代替多个普通钢板的零件。(３)具有很好的材料成型准确度，消除材料回弹的影响。可实现复杂形状的设计。由于热成型钢板的特殊性质，并且是加热后成型。因此可以在一道工序完成普通冷冲压成型需多道工序才能完成的复杂形状。热成型钢板基于上述优点在车身制造中具有很大的应用潜力。但是，由于生产工艺及成本方面的限制。目前，热成型钢板在国内只有长春及上海的两家工厂在生产。2020/1/2410.3.2车用轻质合金１)铝合金铝的密度是２.７０×１０３ｋｇ/ｍ３，约为钢的１/３，是汽车应用最广泛的轻量化材料。车用铝材料皆以铝合金的形式出现，铝合金在汽车上的应用。最初只是以铸造的方法生产发动机及其零部件，随后应用于轮毂等构件。它在汽车上的用量呈现持续增长的趋势。奔驰Ｓ级轿车中的铝件如图10-6所示。2020/1/242020/1/24传统铝合金根据合金元素的含量和加工工艺性能特征可分为铸造铝合金、变形铝合金和铝基复合材料３类。(１)铸造铝合金铸造铝合金是直接用铸造方法浇注或压铸成零件或毛坯的铝合金。其中又分为重力铸造件、低压铸造件等ꎮ其合金元素的含量比较高。合金元素的质量分数在８％~２５％。(２)变形铝合金变形铝合金中合金元素含量比较低。常用的变形铝合金中合金元素总量小于５％。但在高强度变形铝合金中可达８％~１４％。(３)铝基复合材料铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好。但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约，还没有形成很大的规模。目前，铝基复合材料在连杆、活塞、汽缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能。2020/1/24２)镁合金镁合金具有密度小、比强度、比刚度高、阻尼性、切削加工性、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。西方工业发达国家对镁基的金属基复合材料的开发和应用。已达到了产业化阶段。见表10-4。2020/1/24表面处理技术低，接合水平低下，设计数据缺乏，生产设计周期长等。根据加工工艺划分，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。两者在成分、组织性能上存在很大的差异。(１)铸造镁合金铸造镁合金多用于压铸工艺生产。其特点是生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织精良、可生产薄壁及复杂形状的构件。根据不同汽车零部件对镁合金性能的特定要求新型镁合金材料的开发一直致力于提高强度、改善塑形、增加高温蠕变抗力。(２)变形镁合金变形镁合金指可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成型方法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、更好的塑性和更多的样式规格。2020/1/243310.3.3复合材料复合材料是指由两种或者两种以上的不同形态或者不同性质的材料按照一定的复合工艺组合而成的一种结构物。复合材料既具备原材料的特点又有原材料没有的性能。所以不能把复合材料看作组分材料的简单相加。汽车复合材料与汽车传统常规材料钢、铁、铝以及塑料、橡胶是完全不同的一类新型材料。它不像传统常规材料的材质均匀、各向同性，而是非均质、各向异性。复合材料是以一种材料为基体。另一种材料为增强体组合而成