复合结构材料与塑料在汽车车身轻量化设计中的应用

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复合结构材料与塑料在汽车车身轻量化设计中的应用

张亚坤 尚国强 王光辉

(郑州日产汽车有限公司，河南 郑州451450)

【汽车轻量化在线】摘 要：随着社会的不断发展，汽车在人们的生活中所占的地位也越来越重要，而汽车车身轻量化是未来汽车的发展趋势，因此汽车企业应当加强汽车车辆轻量化的优化设计。汽车行业如今的发展速度非常快，而且随着技术的更新以及人们对汽车的要求的提高，汽车在设计的过程中更加注重性能的优化以及能耗的降低。在汽车车身轻量化设计中，将复合结构材料与塑料应用到其中，能够有效的提升汽车的使用性能，而且能够降低能耗，对环保有很大作用。鉴于此，本文通过对汽车车身轻量化发展的现状进行了解，然后提出在这个发展过程中仍存在的一些问题，并对汽车车身轻量化优化设计进行分析，以供参考。

关键词：汽车车身轻量化；设计；复合结构材料；应用

汽车行业的发展给人们带来了很大的便利, 但同时对交通、环境、资源等都有产生负面的影响,在汽车现代化设计生产中,汽车车身轻量化设计主要是为了能够降低能耗,减少汽车尾气的排放,对性能进行优化, 而复合结构材料与塑料的使用对这一过程的实现起到了很大的推动作用。

1 汽车车身轻量化设计的介绍

1.1 汽车车身轻量化的含义及其设计的重要作用。

汽车车身轻量化指的是汽车的整体质量能够做到最大化的轻便, 不过同时也要使汽车的强度以及安全性能都能够达到标准要求,通过这一设计,能够使汽车的动力性能得到有效的提高, 而燃料的消耗能够得到降低,这样汽车尾气的排放就会减少,从而使其对环境的污染能够降低[1]。通过研究以及实践得出,汽车的整体质量如果能够减少50%,使用过程中燃料的消耗大概也会减少50%, 这对减少环境污染问题有极大的帮助。随着节能环保理念的不断深入,汽车的轻量化设计已经逐渐的得到广泛应用。而且汽车的整体质量得到有效的降低,能够使内部结构的零部件磨损问题、汽车行驶耐久性能等得到有效的解决,对于汽车行业的发展有非常重要的作用。

1.2 汽车车身轻量化发展现状。

世界上第一辆汽车诞生于1886年,到目前为止已经经历了一百多年的发展,汽车在现代社会中扮演着重要角色,成为人们生活中必不可缺的工具。随着人们的生活水平不断提高,对汽车的要求也愈来愈高,在满足人们最基本的需求上逐渐增加汽车的安全性、舒适度、轻量化、信息化等方面的要求。而这些要求中,汽车车身的轻量化是最为重要的,从而达到环保的目的。在影响汽车耗油量的因素当中, 汽车车身轻量化在该方面就显得尤为突出,能够大大降低燃油的消耗量。另外,汽车车身的轻量化让驾驶者更便于操控汽车,并增加了操纵的稳定性,当发生碰撞的时候,汽车车身轻量化也保证了其安全性。现代汽车对车身进行优化设计的时候应当着重考虑其轻量化。目前以轻量化为目标的汽车车身优化设计一般采用的是现代设计方案,或者是在保证汽车性能的条件下,对汽车大量使用轻质新型材料。这样设计出来的汽车就能达到轻量化的目的,同时降低了能源消耗,提高安全性及环保性等。

1.3 汽车车身轻量化设计的方式。

1.3.1 轻量化材料设计。材料技术的发展应用使得一些工业产品的设计制造出现在人们的生活实际当中, 材料技术的发展能够推动我国的经济综合实力得以提高[2]。如今,材料技术的发展中,复合结构材料与塑料是主要的研究目标,而且在一些工业产品制造过程中得到了很好的使用。在汽车设计制造的过程中,轻量化材料的设计,不仅能够使汽车整车的质量得到降低,还能够创造更多的经济效益。在汽车研发设计的过程中,复合结构材料的使用是汽车材料轻量化设计的重要方式, 利用材料的设计来降低汽车整车的质量, 可以使用复合结构材料与塑料来替代一些金属材料。1.3.2 轻量化结构设计。如今科技的快速发展带动了各个行业的进步, 计算机技术在汽车设计制造行业中的应用极大的方便了设计环节的工作,而且利用计算机软件模拟,能够使整个设计工作更加的准确,还能够极大的提高设计工作的效率。在汽车车身轻量化的设计过程中,通过使用计算机相关技术来进行汽车结构的设计优化,能够使汽车的质量在降低的情况下保证其行驶的性能以及安全性, 计算机技术的辅助设计能够使设计工作在成本得到控制的情况下完成对汽车结构的轻量化设计[3]。这一设计过程中将汽车的结构强度等条件数据设置好后, 通过数据库能够实现对整车设计性能的检测和评估,这样就能够很好的控制汽车结构轻量化设计过程中其使用强度、安全性能不受到影响。

2 汽车车身轻量化设计中塑料的应用

2.1 仪表板中的应用。

工程塑料在汽车车身轻量化设计过程中主要是应用到车身内外的装饰性部件中, 在耐磨性以及舒适感等方面的要求较高,而对于荷载承受力的要求比较低。汽车的仪表板装饰,提供给开关、仪表以及收音机等安装的地点,将塑料应用到其设计过程中,按照材质以及制作的技术主要有硬质和软质。将发泡材料填到仪表板和表面真皮之间的是软质仪表板, 这种是通过塑料骨架或者是金属支架来进行固定的,在汽车中的应用主要是一些中高档次的。硬质仪表板的塑料成型较为快速, 而且加工时能够一次性的形成所需要的形状,不过这种工艺材质的仪表板制作容易出现裂痕,在制作成型的过程中要进行平整处理。另外,近些年来有部分汽车在设计过程中都使用半硬质的仪表板, 这种材质的仪表板填充材料是半硬质的,制作工艺与软质仪表板是一样的,不过后者的减震回弹性较好,而且安全性能比较高,对于抗形变、抗磨损问题都比较好。

2.2 方向盘中的应用。

方向盘是汽车在使用过程中最基本的控制部件,而且也是与汽车驾驶人接触最多的,因此其材料设计会对驾驶人产生直接的影响,结构与材料设计的不同,也会带给驾驶人员不同的使用感受[4]。如今,很多的汽车方向盘材料都是使用半硬质或者是硬质的,方向盘的表面与壳体之间采用发泡进行填充。方向盘不同于仪表板,仪表板不需要考虑荷载,而方向盘的设计是需要能够承受负荷压力的,所以方向盘的材料设计不仅要能够达到结构的稳定,还要有一定的抗形变能力,防止使用过程中出现形变。使用塑料材质的方向盘代替了以往的金属材质,能够使方向盘的质量得到减轻,也使投入的成本费用得到有效的降低。一般塑料材质的方向盘使用的是玻璃纤维,能够使方向盘的防护性能得到提升。

2.3 车身面板中的应用。

有实验研究能够证明,汽车的塑料车身板能够比金属车身板的力学性能更好、更稳定,而且在耐磨性、抗冲击方面都更好一些,材料制作工艺较为简单,车身板结构较为稳定,因此这种材料的制作费用也比较节省[5]。热塑性的塑料在通用型的汽车设计中应用比较普遍,随着二代热塑材料的出现,在一些档次较高的汽车中这种材料也得到了应用。二代热塑性塑料相比较而言,其材料特点主要是在车身表面的硬度以及平整度上表现较好, 而且也具有较好的耐腐性。这种塑料材质的汽车车身板从表面来看是不差于金属材质的车身板的,在光泽上与金属车身大致一样,不过制作费用却非常低,应用逐渐广泛。

3 汽车车身轻量化设计中复合结构材料的应用

3.1 碳纤维复合结构材料在车身中的应用。

复合结构材料在汽车车身轻量化设计过程中主要是应用到汽车车身的结构部件和车身覆盖部件方面,对于性能的提升优化有很大的帮助,是设计过程中的一种应用较好的材料。碳纤维复合结构材料的性能非常好,不过这种材料的制作费用非常高, 所以目前在汽车设计中的应用范围还比较小。在小部分的汽车设计研究中有试验使用。

3.2 复合结构材料应用的优点。

在汽车车身轻量化设计过程中应用复合结构材料,能够在很大程度上降低汽车的整体质量。应用复合结构材料来替代金属材料的优点主要体现在, 首先是复合结构材料能够使汽车对应的部件刚性更大, 将复合结构材料应用到汽车车身上,代替了以往的金属材料,能够使刚度和强度都得到很大程度的提高[6]。另外,由于复合结构材料的密度较小,所以相对来说质量很轻,将复合结构材料运用到汽车车身轻量化设计中, 在保持汽车应有的强度和刚度的基础上,能够使汽车车身整体质量得到有效的降低。再者,复合结构材料因其多元化的组合, 在汽车新材料研究制造方面就有更加广的范围,能够从不同的角度来提高汽车的设计性能,使汽车的实用性和安全性都更高。还有就是复合结构材料在安全性上能够更加有保证, 汽车车身结构材料使用金属材质使用时间长了就会容易磨损,用复合结构材料代替之后其抗磨损性能就能有效的提高。

结束语

汽车车身轻量化是近几年行业内一直热议的话题, 各大厂商在推出换代产品时, 经常会宣称相对上一代产品实现了整车质量减重XX 公斤。这对消费者的传统观念是一种挑战,传统消费者对于车身的重量有很大的执念, 并不能很快接受驾驶感官实际主要与底盘和转向系统的调教,以及空气动力学等因素有关,与车重并不是直接划等号的关系。汽车车身轻量化的设计在现代汽车发展中是一种必然的趋势,复合结构材料与塑料由于其性能的突出特点,在汽车车身轻量化的设计过程中得以广泛应用,这是实现绿色可持续发展的举动。通过复合结构材料与塑料使用来尽可能的减少整车的质量, 能够使汽车的行驶性能更加优异。