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国内汽车轻量化水平如何

2020-4-23 16:17 1797 0
简介
【汽车轻量化在线】我国汽车轻量化技术的发展现状和趋势1 轻量化结构设计水平轻量化结构设计方案有尺寸优化、形状优化、拓扑优化、多学科设计优化等,由于汽车零部件结构复杂,涉及结构参数、性能指标、工艺参数等多 ...

汽车轻量化在线】我国汽车轻量化技术的发展现状和趋势

1 轻量化结构设计水平

轻量化结构设计方案有尺寸优化、形状优化、拓扑优化、多学科设计优化等,由于汽车零部件结构复杂,涉及结构参数、性能指标、工艺参数等多指标,为此,一些多目标、多学科优化设计软件也相继推出。

近年来,德国SFE公司和美国的DEP公司推出了专用的结构参数化设计软件SFE-Concept和DEP-Mopher,它可以根据车身结构的三维数模或有限元模型来提取参数,建立整个车身结构的参数化模型,进行网格划分,并与不同的求解器实现无缝连接,该技术在德国大众汽车公司、美国福特汽车公司和通用汽车公司新车型概念设计、整车开发等阶段,取得了较好的效果。

国内吉林大学等高校,借助于"十二五"、"十三五"等国家项目,联合长安汽车、吉利汽车等企业联合开发,已突破国内汽车轻量化参数化设计方法等关键技术,取得较大成就和突破,并在吉利汽车、长安汽车、奇瑞汽车、长城汽车、上汽和北汽等20余家乘用车、商用车企业进行推广。

与国外项目相比,国内在轻量化设计方法上今年来取得突破性进展,与国外差距较小,部分基础研究与国际水平相当。

2 轻量化材料与工艺应用水平

汽车车身和底盘轻量化材料主要有四大类,分别是汽车用钢、铝合金材料、镁合金材料及非金属材料(包括先进工程塑料、纤维增强复合材料等)。

(1)汽车用钢与成形工艺

车身和底盘汽车用钢,包括传统软钢、高强度钢板、先进高强度钢板和超高强度钢等。根据国内近年开发车型车身用钢数据分析,我们自主汽车用钢种类和比例比较已经与欧美等汽车企业相当,如表 1所示:

表 1 国内典型车型白车身的高强度钢应用情况

热成型钢因具有较好的安全性、轻量化效果等备受国内外汽车欢迎,如通用汽车、大众企业、沃尔沃汽车、长安汽车、上海汽车、长城汽车等,广泛地被应用在A柱、B柱、车顶边梁、底盘等典型零部件。但是,与欧美汽车企业相比,我国先进高强度钢、超高强度钢等应用比例较低,也是我国汽车用钢发展方向和产业投资方向。

在汽车钢成形过程,主要采用冷冲压成形、热冲压成形、液压成形、辊压成形四种:

1)冷冲压成形:汽车钢成形应用最为广泛的工艺,但是随着汽车钢强度提升,如780MPa及其以上,冲压中回弹性控制难度,对模具要求较高;

2)热冲压成形:该工艺是将22MnB5等汽车板加热至奥氏体化状态,该状态下汽车板呈现低强度(~200MPa)和高延伸率(~50%),然后通过模具热传导,对已成形构件进行淬火形成全马氏体组织,实现零部件成形;

3)液压成形:可以实现板材成形和管材成形,适应一些截面比较复杂且难以成形的复杂工件,对提高汽车性能、减少零件数量有利,但780MPa及其以上高强度钢成形有难度;

4)辊压成形:比较适合于高强度钢,尤其是780MPa及其以上高强度钢,能够有效地解决回弹和模具成本高等问题,缺点是不适应截面复杂的零部件;

(2)铝合金与成形工艺

铝是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料,目前铝在汽车中的用量已超过(铸)铁,成为仅次于钢的第二大汽车材料,在我国汽车平均用铝量为105Kg/辆,北美汽车乘用车单车平均用铝量已达145kg,保持了连续30年的持续增长;欧洲、日本平均每车用铝分别为118kg和114kg。据Ducker Worldwide对汽车制造商进行的一项调查显示,汽车铝材用量还将持续增长,到2028年预计可达到565磅(PPV),约占整车重量的16%。

按照车身和底盘用铝合金可以归纳以下几种:车用覆盖件与板材用铝合金、车身和底盘用挤压铝合金、车用铸造用铝合金、底盘用铸锻铝合金。对应的材料牌号分别是2000系、5000系、6000系和7000系。成形方式分成冲压、铸造、锻造、挤压、半固态成形等多种方法。

奇瑞eQ1白车身采用了高强度铝镁合金型材、铝冲压件高强度全铝空间骨架,铝合金应用比例也高达64.54%。蔚来汽车ES8全铝车身重量为335 kg。目前,国内汽车企业铝合金板材和底盘转向节、摆臂等铸锻铝合金应用较少,也是我们汽车行业车身、底盘铝合金发展方向。

常采用铸造工艺、挤压工艺、冷冲压工艺,但随着车身、底盘对高性能、轻量化铝合金要求,现在形成了高/低压铸铝合金成形工艺、锻造铝合金、热成形工艺等。

(3)镁合金与成形工艺

镁及其合金是迄今在工程中应用最轻的金属结构材料,镁合金具有的比强度和比刚度高、尺寸稳定性高、阻尼减震性能好和易回收等特点,被誉为是"21世纪绿色工程金属结构材料"。镁合金在汽车上典型应用如图 2,其中铸造方向盘骨架和仪表板骨架是镁合金应用最成功的汽车零部件。

图 2 镁合金零部件在整车上的应用

尽管,我国从"十五"期间已经开始设立汽车用镁合金项目,但现阶段,镁合金还仅限于方向盘骨架、仪表板骨架等零部件上使用。

(4)非金属材料与成型工艺

汽车用非金属材料主要包含先进工程塑料和纤维增强复合材料(如玻璃纤维增强复合材料典型零部件:前端模块、座椅骨盆等;碳纤维增强复合材料典型零部件:车身结构件、顶盖等;玄武岩增强复合材料典型零部件:车身结构件、覆盖件等;生物基复合材料典型零部件 :非受力件,多做内饰件),但车身、底盘由于受力等性能要求,主要选用后者。

国内玻璃纤维增强材料相对成熟,但是碳纤维复合材料、玄武岩复合材料、生物基复合材料等产业化还需要一定时间,根据材料种类,简单可以概括如下:根据零部件年产量、受力大小及零部件结构特性,常采用注塑工艺、模压工艺及RTM工艺和微发泡工艺等。

(5)连接技术

结合车身和底盘发展趋势,将形成汽车钢与汽车钢、汽车钢与异种材料连接、铝合金与铝合金连接、铝合金与镁合金连接、复合材料与异种材料连接等多种连接方式,典型连接工艺如下:

3 轻量化零部件市场规模预算

轻量化作为汽车行业基础的技术指标,已经纳入整车重要开发指标。车身和底盘设计零部件多大上千,其中车身和底盘涉及大量关键高附加值的零部件,按照美国能源部提出数据,车身、底盘轻量化相关产业可以达到几千亿元产值。

以2017年整车销量为例,2017年2880多万辆整车(其中商用车420万辆、乘用车2460万辆),我国乘用车分布在B级、A级、A0级、A00级等中小型车型较多,车身平均重量按照200kg计算;商用车车身(包括货厢)按照500 kg计算;形成汽车用材料和零部件的产值3000亿元/年以上产值;节能与新能源乘用车和商用车的底盘(不包括轮胎、控制系统)主要采购价格4500元/套,其零部件采购1000亿/年以上的产值。

1)热冲压成形零部件产值

汽车高强度钢的热成形技术已经成为汽车轻量化重要技术手段。2017年9月长沙轻量化会议专家发布数据,中国已经建成130余条热成形线,按照年产量180万件计算,国内已经实现23400万件的市场潜在产能,期形成上百亿市场规模。

2)高强度钢辊压成形零部件产值

据统计,我国现有辊压成形生产线256条,由于近40%生产线相对落后,产能在40万件/年,60%相对较为先进,其年产能80万件,单间按照2.5kg计算,其市值750亿元/年;

3)底盘高性能铝合金产值

现阶段铝合金底盘多采用高强钢、铸造铝合金等,但随着轻量化要求越来越高,其铸锻铝合金比例会越来越大,以2017年2460万辆乘用车为例,选用底盘转向节、摆臂、转向立柱、稳定杆等高性能、高附加值零部件,按照现有市场采购价格1500元/车计算,其产值达到350多亿元/年。

按照《节能与新能源汽车技术路线图》中预计和工信部发布《中国汽车中长期发展规划》中2020年我国新能源汽车保有量500万辆,2025年新能源汽车产销量520万辆;2030年新能源汽车产销量1400万辆。因此,节能与新能源汽车车身、底盘等高附加值、高技术含量的关键零部件的市场规模将达到数万亿元。


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