汽车技术的发展与轻量化

汽车技术发展与轻量化郭孔辉2009-02-14长春汽车技术发展与轻量化•汽车的技术挑战与发展•汽车电动化与智能化•汽车轻量化•节能•环保•安全•方便•舒适•提高能耗效率•减少传动损失•降低空气阻力•降低轮胎滚阻•制动能量回收•减轻汽车自重•改善碰撞安全•提高行驶性能汽车的技术挑战与发展Standby/Idle11%Accessories2%Aero6%Rolling5%KineticBraking4%DrivelineLosses6%EngineLosses66%EngineD/L轿车的能耗分布汽车挑战的相关性•节能与减排大方向是一致的–“吃得多，排得多”•节能与减排也有一点矛盾：–最佳工作点的不一致•安全与节能、减排基本是矛盾的汽车传统技术的挑战•发动机和底盘电控技术的进一步发展。燃烧控制、稳定性控制、防撞控制、导航、通讯…•柴油机:继续向轿车发展欧洲柴油轿车市场约占一半•汽油机:在不断进步,仍是轿车的主流•新汽油机的升功率都在50千瓦以上，甚至70千瓦•传动多档化。轿车6档已是常见，重卡有16档•无级变速的近期发展：原有的AT、AMT、CVT向DCT和勒布莱提尔6AT/8AT取代的趋势•DCT（双离合器变速箱）•多档变速与自动变速技术–节能排放要求增加档数–减少驾驶员疲劳–非职业驾驶员的增加–AMT,DCT,CVT,新一代AT(勒布莱提尔6AT/8AT)5AT新6AT新6AT与流行5AT的比较汽车电动化与智能化•内燃机还在进步，电动化已是趋势•纯电动车有待蓄电池的突破•我国纯电动大巴已在08奥运会成功使用•成本仍高，但利用峰谷电差价可有效益•混合动力车正在迅速发展•轻混：本田Insight，已批量生产•重混：丰田Prius，已批量生产•“超重混”：以纯电动为主。比亚迪-“双模”F3DM已投放市场•燃料电池汽车。燃料电池的成本、寿命、重量尚待成熟我国已有研发样车（同济轿车、清华大巴）•超级电容无轨电车。上海交大最早开发。现已在上海、烟台试运行•提高动力—传动系效率•减轻自重与阻耗•怠速停机•部分停缸。本田•车身外形流线化。目前轿车CD值为0.30～0.35，可降至0.20～0.25•轮胎低阻化，由f=0.007-0.009降至f=0.0055,约可提高燃料经济性6～8%•混合驱动。Atkinson循环•燃料电池•制动能量回收。超级电容、液压混驱•超越传动-惯性节能节能汽车的技术途径•串联式，成本较高•并联式，由ISG膨胀而成，目前应用最多。分为“弱混驱”与“强混驱”•按驱动形式分为“共驱式”与“分驱式”•液压混驱。适合公交，制动能量回收效率高混合驱动FORD：混合驱动发动机A.“弱混”，如本田《Insight》•电动功率约小于25%•有怠速关机系统•部分制动能量回收•很少单独电驱动•电池小，充电简单B.“强混”，如丰田《Prius》•电动功率约占30～50%•部分单独电驱动（短距离）•怠速减速关机•更多的制动能量回收C.“超强混”，如比亚迪F3DM•以电动为主•Plug-in充电•发动机应急使用•充分的制动能量回收•自重增加约200Kg汽车的轻量化不断追求的目标轻量化与节能•汽车运动消耗的能量基本都与汽车的总重密切相关。汽车自重每减少10％，燃油消耗可降低6％～8％•发改委于2004年颁布的《汽车产业发展政策》第十条明确提出：2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上”。•《中国汽车工业“十一五”发展规划》；到2010年，汽车整备质量减轻10%；新产品的回收利用率超过80%，其中材料再利用率超过75%”减轻自重是汽车发展的基本要求•近二十年来，国外乘用车平均每十年减重8%～9%，商用车减重10%～15%；未来十年里轿车自质量还将减少20%•我国目前自主品牌轿车的自重约比发达国家同类轿车重8%～10%，商用车重10%～15%•节能和新能源汽车开发中，尤其是电动汽车（包括纯电动、混合动力和燃料电池汽车）开发中，汽车轻量化问题也十分突出•确保车辆安全性是汽车减重后面临的最主要问题之一•近期颁NCAP碰撞评价结果：进口轿车与合资品牌轿车大都为4～5星级，自主品牌车极少数车能够达到3星级，绝大部分车为1～2星级，自主品牌产品的安全性亟待大幅度提高，意味着自重的进一步提高•汽车系统轻量化的相关性。动力系与承载系•拓扑优化理论的应用。对汽车白车身、副车架、动力总成壳体和悬置支架等关键零部件进行轻量化设计与应用•开发承载系统新结构，减轻承载部件静动载荷承载系统动力学优化空气悬架与多轴悬架消扭悬架轻量化设计方法高强度钢的应用•目前发达国家轿车车身高强度钢板用量已经占到整车自质量的40%～50%，而我国自主品牌产品目前平均不到10%，个别车型达到20%。•国外在大量应用高强度IF钢、烘烤硬化钢、强度590MPa级以上的双相钢（DP钢）、相变诱导塑性钢（TRIP钢）和复相钢及马氏体钢，有效提高了车身的抗弯扭刚性和抗碰撞能力•车门B柱和车门内防撞杆多用强度级为1500Mpa的热成形马氏体钢•在商用车领域，发达国家已普遍分别采用屈服强度为700MPa高强度钢和1400MPa级弹簧钢制作悬架变截面弹簧；我国商用车大梁板多用345MPa级钢板，弹簧板多用屈服强度为1100MPa以下强度钢，两大总成质量明显大于国外车。铝镁合金的应用•发达国家铸造铝合金与形变铝合金均已形成完整系列，得到广泛应用，轿车每车平均用量已达120公斤左右，预计2010年将达到每车150～180公斤水平•我国目前主要应用的是铸造铝合金，变形铝合金品种少，没有形成系列，汽车可批量冲压用铝板还没有自给，锻造铝合金也没有应用，平均每车用量约为国外的1/2•镁合金在发达国家也有较完整的系列，世界平均每车用量为3公斤左右，德国实际应用领先，为9～15公斤，预计今后每年将快速增加用量•我国没有形成镁合金的完整系列，平均每车用量约1公斤左右，个别企业间断生产使用达到9公斤/车，“十五”和“十一五”国家均安排了专项科技项目塑料及复合材料的应用•近几年国外汽车塑料的用量稳步增长。日本每车平均用量已达到100公斤，占整车自质量的8%～10%，美国轿车每车用量116.5公斤，占整车自质量超过10%。同时，目前国外车用釜内合金PP塑料的应用也正在以每年2.2％～2.8%的速率增长•在我国，目前经济型轿车塑料的用量为每车50～60公斤，中高级轿车为每车60～80公斤，全行业平均每辆汽车塑料用量占整车自重的5%～10%，主要差距表现在釜内合金PP塑料的应用和塑料复合材料的应用水平方面内高压成形技术的应用•内高压成形技术（Hydroforming）是以管坯作原料，通过适当的模具和液体压力，一次成形零部件，代替多个零件分别成形再组焊成所需的零部件，可以减少零件数量和重量，提高质量和降低成本，是近来深受重视的新技术•近年来，国外相关技术发展很快，生产发动机副车架、散热器支架等部件，副车架由原来6个零件的组焊件变成一个管坯液压成形件，减少质量40%；散热器支架由17个零件减少为10零件组成，减重24%•我国目前这一技术还没有得到应用，合资企业所用相关产品全部依赖进口。激光拼焊板成形技术•从合理用材出发，将几块不同强度级别、不同厚度或不同规格的钢板用激光拼焊成一个冲压毛坯，再冲压成零部件，代替分别进行冲压再组焊的零部件以减轻了整车自重。目前该技术在国外已经得到广泛应用，已经建立有数十条生产线。•在我国，目前已经建立有6条激光拼焊生产线。但由于受到产品设计、模具开发等方面技术的制约，该技术的应用受到很大制约，用件与品种较少，使用范围不够广，该技术的优势没有得到有效发挥。•目前还进一步发展渐变厚度板料的成形技术热成形马氏体超高强度钢的应用•为解决提高轿车的碰撞安全性与轻量化的矛盾，轻量化与超高强度钢的成形困难的矛盾，国外已开发了热成形用钢板和热成形技术•重要的防撞件的材料强度已提高到1500MPa•国外一些车型的门B柱，防撞杆及门槛和边梁等构件已经应用该技术。是轿车达到NCAP五星级碰撞水平的重要技术•在我国，该技术处于研发阶段，合资企业所使用的零件全部来自国外有色金属半固态成形技术•有色金属半固态成形技术能够有效提高铸件质量和强度，且有利于汽车生产过程的节能环保•国外已广泛应用。我国，该技术曾被列入“九五”、“十五”863计划。经过近十年的技术攻关，在汽车非受力零件生产中得到一定程度的应用，但尚未在汽车强度件上批量使用•轿车支架件、悬架导向杆件等是重要的受力件，也是国外目前铝合金半固态成形技术已经广泛应用的领域（奥迪的锻铝转向节与控制臂）等温淬火球铁的应用•ADI的特性：热处理中温相变生成贝氏体与残余奥氏体•高强度：抗拉强度800-1600Mpa•韧性高：延伸率=1-10%•冲击韧性：αk=10J/Cm2-120J/Cm2•弯曲疲劳与接触疲劳强度高，与低碳合金钢相当•国外已用于制造齿轮、曲轴、悬架与传动系的支架与托架、控制臂万向节、轮毂等结语•节能、环保、安全是汽车技术的永恒主题•与之密切相关的轻量化问题是汽车技术不断追求重要目标。为此必须掌握轻量化的材料技术和成形技术•掌握高强度钢、铝镁合金和塑料复合材料等轻量化材料应用技术，实现高强度钢在轿车车身上的大量应用，提高商用车车架提高强度级别，推进铝镁合金在车身、底盘、动力总成上的应用和塑料复合材料在典型零件应用•掌握轻量化材料先进成形技术，推进应用–内高压成形技术–铝合金半固态成形技术–激光拼焊板成形技术–超高强度钢热成形技术（热成形马氏体超高强度钢应用）–有色金属半固态成形等先进轻量化制造技术掌握轻量化的材料技术和成形技术，为自主品牌的健康成长而共同努力！