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2019车用新材料新工艺系列巡展规划

车身轻量化与汽车强度如何取舍?

2019-2-12 09:22 245 0 来自: 汽车之家
简介
【汽车轻量化在线】在这个中国传统节日中分量最重的春节里,每逢佳节胖三斤”,怕是胖的不只三斤,春节过后,减重就成了高频话题。汽车行业也存在同样的“减重”话题,近年来,随着新能源汽车如雨后春笋般的发展,汽 ...


      【汽车轻量化在线】在这个中国传统节日中分量最重的春节里,每逢佳节胖三斤”,怕是胖的不只三斤,春节过后,减重就成了高频话题。汽车行业也存在同样的“减重”话题,近年来,随着新能源汽车如雨后春笋般的发展,汽车减重也就势在必行,因为减重在节省开发成本的同时,还能有效地降低油耗、减少排放量和增加操稳性。有试验表明,汽车每减重10%,油耗可降低6%-8%,排放量可下降约10%,同时对减少制动距离、转向力和加速时间,提高轮胎寿命等都有显著的好处。
       车身轻量化是指在汽车保持原有的安全性、耐撞性、抗震性及舒适性能不降低,且不增加研发成本的前提下,有目标的减少车身自身重量。在学术上有个词叫车身轻量化系数,轻量化系数考虑了车身扭转刚度、车身大小、质量水平,同时该系数引入了扭转刚度的概念,这样开发人员就通过轻量化系数初步了解一款车的NVH性能和操控性。
  目前,车身轻量化主要有三大途径:材料的选择、结构的优化和先进的制造工艺,当然这只是个思路,如何将思路应用于实践,完美的集成到具体的车型上,还要研发人员根据不同的项目运用不同的方法。
  一、材料选择是基础
  为什么说是材料的选择,而不是单纯的轻质材料?在整车的研发过程中通常有性能的要求,比如在中国有前部小部分重叠碰撞试验,简称小偏置碰(Small over lape),还有侧碰、顶碰、后碰及头部保护等不同的碰撞要求,这个时候在车身的局部区域就需要零部件有很高的强度要求,比如翼子板内板、风窗立柱、B柱加强板等区域,如果在这些区域单纯的选择轻质材料,那势必就需要大大z增加材料的厚度,反而会导致车身重量的上升。
  ●合金材料
  在材料的选择方面,最受汽车厂商关注的就是铝合金镁合金,毕竟这两种材料可以替代钢板,减轻重量,提高强度,性价比相对较高。其中,目前应用范围最广的当属铝合金,因为铝的密度低,质量大概只有钢铁的1/3,铝合金表面生成的三氧化二铝保护层比较耐腐蚀,成型性要高于钢材,而且回收利用率高,整车中80%以上的铝是可以回收的;当然铝合金仍有它的缺点:容易回弹、冲压碎屑多,焊接性及强度不如钢材,最重要的一点是成本要高于钢材。
  ●碳纤维材料
  当然,最理想的材料莫过于碳纤维材料,碳纤维材料是由化纤和石油经过特殊工艺制成的纤维,碳纤维的密度不到钢材的1/4,但是抗来轻度却可以达到钢材的8倍左右,除了具备耐高温、耐摩擦、导电、导热等性能外,它的强度更高,质量更轻,尤其在极端气候条件下,碳纤维材料的表现相当出色,当然成本也相对较高。
  ●高强度钢(HSS)
  通常将屈服强度在210-550MPa之间,抗拉强度为270-700Mpa之间的钢材称为高强度钢,碳锰钢(C-Mn)、烘烤硬化钢(BH);屈服强度在550MPa以上,抗拉强度在700MPa以上的称为超高强度钢,如热成形钢(HF)。
  高强度钢的优点在于强度极好,焊接可行性良好,缺点在于密度较高,质量较重,塑性一般,通常应用在车身的局部,如上面提到的对于碰撞性能有要求的区域,在局部选择高强度钢可以替代大量的轻质材料,对于车身减重不失为一个好的选择。
  二、结构设计是枢纽
  通过先进设计方法和技术手段在满足车身强度、模态、刚度及碰撞等多方面的性能要求同时,在车身设计阶段对结构进行优化,提高材料利用率。
  在项目设计阶段可以通过CAD/CAE技术可以准确实现车身结构设计和布局,对板材料后等参数进行分析和刚度强度计算,计算出准确的力的传导路径,对于设计师而言,就可以判断出哪些区域需要使用高强度强料,哪些区域需要增加料厚,在最大程度上提高材料的使用率,有一点值得注意的是,对于车身而言,力的传导路径不是唯一的也不是一成不变的,随着设计的变更,连接方式的变更,都会导致力的传达路径变更,因此,设计人员也要在设计阶段学会“随机应变”。对于采用轻质材料的零部件还可以进行运动干涉等分析,使轻质材料达到车身设计的不同要求。
  ●先进制造工艺
  对于上述的翼子板内板等对碰撞比较敏感的区域,通常使用的是高强度钢,这时候如果使用的仍然是普通的冷成型技术,则板材容易开裂,对于车身性能的影响是很大的,因此,通常情况下采用热成型技术例如TWB(tailor blanked welded)或TRB(tailor rolled welded),一种先焊接后成型的热成型技术来解决。
  ●先进的连接技术
  无论是钢材之间、铝材之间或者钢材与铝材之间,合适的连接方式不但可以保证车身的各种性能要求,还可以对车身轻量化有巨大的贡献,在此列举几种对减重十分有帮助的连接方法(包括但不限于):
  无铆连接(clich):速度最快,最经济的连接方式,因为无需外加连接体;激光拼焊(TWB):通常用于高强度钢之间的连接;搅拌摩擦焊(FSW):铝材之间最好的选择,比如铝型材的电池箱体之间的连接;铝点焊:批量生产车型的最佳选择,比较适合机械化操作;胶接:对于有密封或者减震导电等需求的区域的最佳选择,同时具有等效焊点的强度。
  车身轻量化,并非简单的用轻量化材质、更不是“偷工减料”,而是从材料到结构的综合考量。目前各大主机厂也都掌握各自擅长的轻量化技术来应对车身减重这个重要的问题。
  1、福特蜂巢状结构的MuCell微发泡注塑成型技术
  这种成型技术是指以热塑性材料为基材,通过特殊的加工工艺,使制品中间层密布尺寸从十几到几十微米的封闭微型孔,显而易见,蜂巢结构有利于轻量化,同时成型周期较短。
  福特在全新福克斯、C-Max、蒙迪欧等车型发动机罩上,都应用了这种蜂巢状结构的MuCell微发泡注塑成型技术。福特一直致力于2020年之前实现小型车减重100kg以及大型车减重300kg的目标,这种成型技术在保证零部件耐用性,且优化燃油性降低排放的同时可降低车身重量近20%。
  2、宝马的“Carbon core”和奥迪的“RTM工艺”
  相对于福特采取独有的成型方法,宝马家的轻量化更多注重复合材料的应用,例如A柱区域就是宝马独有的”Carbon core”,在钢板制成的封闭截面内侧插入CFRP(碳纤维强化树脂)制作的芯材,在减重的同时有提高了整车的稳定性。
  如宝马7系,虽然车身的基本骨架仍然采用钢材,但局部区域使用CFRP。新款7系相较于上一代车型,车身减重40kg,在使用碳纤维实现轻量化目标的同时也提高了整车的抗弯性能和抗扭性能。
  奥迪曾在第一代R8车型上采用了铝材,但在第二代R8上,把MSS作为工具,将碳纤维复合材料应用在车身上面,大幅度提升了扭转刚度和车身轻度,同时实现了车身减重。
  奥迪的RTM(树脂传递模塑)工艺,在被碳纤维包裹的泡沫材料中注入环氧树脂,这项技术不仅是材料成型效率高,还可以减少原材料的使用,同时奥迪的工程师们还将单向碳纤维织物与快速硫化环氧树脂体系结合在一起,采用泡沫夹层,以减少结构件、加强件以及填充物的用量,2017款奥迪A8就同时采用了RTM工艺并在其后壁和后窗台板上应用了碳纤维复合材料。这些工艺与技术都为奥迪的轻量化做出了巨大的贡献,奥迪在全球汽车市场中的强大竞争力与此也有密不可分的关系。
  3、蔚来的全铝车身和先进的连接技术
  作为新造车企业的代表,蔚来ES8采用的就是全铝车身,2018年蔚来ES8的一位用户不慎正面撞在了路边灯柱,多数人关注的是ES8的破损情况,进而对这辆“中国Tesla”的被动安全性能做一个初步评估,但笔者更关注的是曝露出来的7系铝制防撞梁,铝制防撞梁在车身减重方面的作用是毋庸置疑的,且部分7系铝是可以做热处理强化的,且在正碰的时候溃缩量要大于钢材,吸能效果更好,从而更好地保护乘客安全。
  作为全铝车身的先驱者,蔚来自然拥有更加成熟的铝连接技术,目前ES8车型上应用的连接技术就有很多种,从FDS(热融自攻铆接)到RSW(铝点焊)到CMT(冷金属过渡弧焊)到SPR(自冲铆接)都有应用。
  4、通用对复合材料的应用
  通用一直致力于轻量化材料的合理使用,并应用在自家品牌旗下的车型之中。价格低廉但耐疲劳的低碳钢曾一度成为通用乘用车和轻卡的标配,低碳钢不仅价格经济,且成形性和可焊性都较好,当然低碳钢也存在自身的不足:耐腐蚀性差、重量较铝合金、镁合金等更重,在车身减重环节就存在较大的劣势。
  通用在雪佛兰C7 Corvette和MALIBU的制造过程中,使用了大量的铝板制造车身钣金件,使用了大量的挤制铝材制造车架滑轨,新款CT6更是采用铝材取代了低碳钢,为此通用还采取了比较先进的焊接技术,使得容点不尽相同的两种材料可以焊接在一起,这也使得该款凯迪拉克在重量方面优于大部分其他同款配置车型。通用在镁合金以及碳纤维两种材料的应用上面也做了足够的研究工作,早在2011年通用就在研发碳纤维增强热塑性塑料这种材料的应用。
  5、PSA对高强度钢的合理应用
      标致雪铁龙作为欧洲第二大汽车制造商,在轻量化技术上的研究丝毫不弱于竞争企业,有些方面甚至优于其他主机厂。标致汽车的轻量化技术很全面,从材料到结构到设计全部都有涉及,车身的每个零部件的重量就是经过严格的计算与优化的。
  在这重点的谈一谈标致汽车在高强度钢方面的应用,因为标致汽车全球化布局,它更多注重的是轻量化之后的性能与安全,对整车的性能表现和碰撞要求都十分严格,同时满足侧碰,正碰,头部保护以及后碰等实验要求,从它的新2号平台EMP2到整个白车身,对高强度钢的应用都十分的精细。
  今年表现不错的标致4008、标致5008,和即将推出的标致508L,在车身上面都做足了功夫,翼子板区域的热成型高强度钢的TWB技术,B柱区域的TRB技术,以及风挡立柱和纵梁区域的高强度钢的应用,熟悉碰撞试验的专业人士应该清楚的知道,这些都是对性能影响十分重要的区域。在这些区域采用高强度钢不仅可以满足安全性能的需要,还大大减少了材料的使用量,将轻量化与结构材料及工艺完美的应用的产品中,不得不说标致的用心良苦。

  ●总结
  明显可见,未来的汽车市场竞争愈加多元化,也愈加激烈,无论是传统燃油车或者是新能源汽车,车身减重都不能使避而不谈的话题,毕竟从车辆本身的性能到消费者的切身利益,车身减重都能做出巨大的贡献。
  当然,汽车轻量化不是简单的降低重量,而是在成功减重的同时还能对整车的性能有所提高才是轻量化的真正意义。那么对于众汽车厂商而言,如何做到在减轻车身重量的同时保证静态扭转刚度和动态扭转刚度,从而保证车身抗扭性能和整车NVH性能;如何做到减少整车重量,却可以保证配置不被减少甚至有所升级;如何做到减少重量的同时保证碰撞新能拥有更好的主被动安全且能平衡成本,将会是各大主机厂未来的研究方向。
  如何围绕着材料选择、优化设计、先进工艺三方面同时进行改良和提高,是每个主机厂应该认真研究的课题,可以说,谁真正的掌握了轻量化技术,谁就可以在激烈的竞争中脱颖而出,笑傲群雄!

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