新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 重卡轻量化研究

2
回复
1160
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2012-8-4 14:48:34 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
重卡轻量化研究
作者:刘琪玮
第1节 汽车轻量化概述1.1 汽车轻量化的意义近年来,随着能源危机加剧、石油价格不断上升以及地球温室效应加重,世界各国对能源和二氧化碳排放引起的环境问题更加重视。有许多研究表明,地球变暖及酸雨与汽车排放的二氧化碳、硫化物和氮氧化物有很大关系。
减少油耗及对环境的污染的迫切要求使得汽车轻量化成为汽车业发展的突出课题。随着车体质量的减轻,每升汽油行驶的公里数显著上升,当车重从2500kg降低到750kg时,每升汽油行驶的公里数从约5km/L上升到约25km/L,而相应地排出的二氧化碳量从约400g/km下降到约100g/km。由此可见,减轻车重是降低油耗从而降低二氧化碳排放的最有效方法
然而,汽车轻量化与提高汽车的碰撞安全性能是互相制约的两个方面。提高冲撞安全性必须提高车体强度和刚度。如何使汽车的安全性和环保性保持更好的平衡,对汽车用材提出了严重的挑战。
随着计重收费范围的扩大和油价不断上涨,载货车用户既要多承载,又要油耗少的呼声越来越高,各大卡车企业正集中力量进行卡车轻量化研发。在不久前闭幕的北京车展上,参展主流卡车企业纷纷亮出了轻量化的产品,展示自己在轻量化研发上的最新成果。
早在2006年,我国专用汽车行业“十一五”规划中就明确提出,国家提倡汽车企业不断采用新材料、新工艺、新技术减轻整车自重,提高产品技术含量和附加值。进入2008年,载货车使用环境越来越要求车辆自重减轻,使卡车轻量化研发愈发迫在眉睫。
有关研究数据表明,若汽车整车质量降低10% ,燃油效率可提高6% ~8% ;若滚动阻力减少10% ,燃油效率可提高3% ;若车桥、变速器等机构的传动效率提高10% ,燃油效率可提高7%。由此可见,伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低。汽车车身约占汽车总质量的30%,空载情况下,约70%的油耗用在车身质量上,因此车身的轻量化对减轻汽车自重,提高整车燃料经济性至关重要。同时,轻量化还将在一定程度上带来车辆操控稳定性和一定意义上碰撞安全性的提升。车辆行驶时颠簸会因底盘重量减轻而减轻,整个车身会更加稳定;轻量化材料对冲撞能量的吸收,又可以有效提高碰撞安全性。因此汽车轻量化已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题。
同样载重量的车,自身重量轻的车在按车货总重收费的原则下,可以比自身重量大的车载货更多、油耗更少,可以使计重收费支出减少,运输利润增加。在现代重卡力求载重吨位最大化与高速化的情况下,新材料和新工艺的采用对于减轻自重、高速重载以提高运输效率,推动和促进国产重卡技术进步、缩短与国外产品的差距,“轻量化”将成为未来众重卡企业的主要研发目标之一。
1.2 轻量化技术的发展
汽车轻量化的技术内涵是:采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计,或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下,尽可能降低汽车产品自身重量,以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。
然而,汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持汽车原有的性能不受影响,既要有目标地减轻汽车自身的重量,又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性,同时汽车本身的造价不被提高,以免给客户造成经济上的压力。汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关;另一方面,优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。
与汽车自身质量下降相对应,汽车轻量化技术不断发展,主要表现在:
(1)轻质材料的使用量不断攀升,铝合金镁合金钛合金高强度钢塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多;
(2)结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高,如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的,计算机辅助集成技术和结构分析等技术也有所发展;
目前,国内汽车轻量化材料正在加速发展,新型智能材料逐渐在汽车制造中得到应用。车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。随着镁合金材料的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善,自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱由铝改为镁,则可减轻30%左右。
1.3实现汽车轻量化的主要途径
汽车轻量化在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下,应最大限度地减轻各零部件的质量,努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等,降低燃油消耗,减少排放污染。通过轻量化技术的内涵可知,汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。
1、合理的结构设计
目前国内外汽车轻量化技术发展迅速,主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析,设计已经融合到了汽车设计的前期。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,与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。
具体结构合理设计有以下3个方面:
(1)通过结构优化设计,减小车身骨架及车身钢板的质量,对车身强度和刚度进行校核,确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。
(2)通过结构的小型化,促进汽车轻量化,主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下,缩小尺寸。
(3)采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等,使结构更紧凑,或采取发动机后置、后轮驱动的方式,达到使整车局部变小,实现轻量化的目标。
2、使用新型材料
据统计,汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此,首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案:
(1)使用密度小、强度高的轻质材料,像铝镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等;
(2)使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢;
(3)使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材,如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。
1)有色合金材料
铝具有良好的机械性能,其密度只有钢铁的1/3,机械加工性能比铁高4.5倍,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。运用形变铝材制造车身面板的技术已经比较成熟,包括发动机罩、行李箱罩、车门、翼子板等。保险杠、轮毂和汽车结构零件也广泛使用铝合金材料。运用铝合金也面临不少问题,比如,铝合金加工难度比钢材高,成型性还需继续改善;由于铝导热性好,导致铝合金的焊接性能差;不能像钢板那样采用磁力搬运等。其中,关键是成本问题,目前铝价还比较高,成本控制对铝合金的运用非常重要。
镁合金具有与铝合金相似的性能,但是镁的密度更低,它们的密度之比为1.8:3,是当前最理想、重量最轻的金属结构材料,因而成为汽车减轻自重、以提高其节能性和环保性的首选材料。但其铸造性差,后处理工艺复杂,成本高。我国的镁资源非常丰富,储量占世界首位。但是国内用量很少,尤其汽车行业用量极少,因此前景非常广阔。而西方工业发达国家对铝基、镁基的金属基复合材料的开发与应用,已达到了产业化阶段,
2) 高强度钢
用高强度钢替代原使用材料,能适当减小零件尺寸。世界上广泛通过进一步提高合金钢、弹簧钢、不锈钢等钢种的比强度和比刚度,以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特点,来作为汽车轻量化的措施。
采用高强度钢板在等强度设计条件下可以减少板厚,但是车身零件选定钢板厚度大都以元件刚度为基准,因此实际板厚减少率不一定能达到钢板强度的增加率,不可能大幅度地减轻车重。高强度钢板在汽车上应用的目的主要有3点:增加构件的变形抗力,提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。由于运用高强度钢板的经济性和相对容易性,因此应大力提倡在汽车上运用高强度钢板。现在各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的运用。
3) 塑料和复合材料
与相同结构性能的钢材相比,塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35%左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多的潜力,在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材,整体成本通常更低。
塑料是由非金属为主的有机物组成的,具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能,同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前,塑料大都使用在汽车的内外饰件上,如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件和功能件扩展。例如发电机及其相关系统、冷却系统等。塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。
复合材料即纤维增强塑料,是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外,还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料作为汽车材料具有很多优点:密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛,尤其在欧美车系中。其中尤以SMC和GMT的应用最为广泛。曼、雷诺、沃尔沃、奔驰、依维柯、达夫等欧洲重型卡车制造商的驾驶室材料中,都大量选用了SMC。在国内,SMC材料在汽车领域也得到了广泛的应用,尤其是商用汽车领域。中国重汽、陕西重汽、福田欧曼、重庆红岩等主要重型卡车制造商,其驾驶室的制造都不同程度地采用了SMC材料。
4)其他轻量化材料
精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。其发展史只有20年左右,但具有优良的力学性能(高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等)和化学性能(耐热冲击、耐氧化、蠕变等)。作为轻量化材料用于汽车零件,不仅直接起到轻量化的作用,更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性,用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件,使功率提高,油耗大大下降,从节能角度看则间接地起到轻量化效果。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料,其最大特点是刚性高、比强度高、密度低。目前应用在汽车上的实例还不多,但应用研究在不断前进,将来会较多地得到运用。


 楼主| 发表于 2012-8-4 14:50:35 | 显示全部楼层
第2节 国内主要竞争厂家轻量化进程
卡车的轻量化是一个系统工程,涉及整车、发动机、悬架等各个领域,甚至包括新材料、新技术的应用等,在整车设计过程中,必须以可靠性、安全性和舒适性为前提,实现车辆自重的大幅降低,下面介绍一下国内主流车型在轻量化方面的措施。
2.1 陕汽德龙轻量化
陕汽为了满足计重收费、国Ⅲ排放,以及应对日益严格的超载治理环境,而率先开发的轻量化重卡产品,全面满足重卡用户对车辆轻自重、高车速、低油耗、高可靠性的需求。据设计师介绍,该产品的设计过程融合世界先进重卡技术,继承陕汽重卡独有的军车品质,秉承高可靠性、高安全性、高经济性的理念,凝聚潍柴动力、法士特、汉德等国内独家黄金产业链成员技术优势,在新材料、新工艺和新结构寻求突破,从整车系统、车架系统、悬架系统、鞍座等方面严细设计,实现了安全与瘦身的和谐,高经济性与高可靠性的和谐,具有自重轻、动力好四大特点。
1、自重轻
陕汽轻量化6×2双前轴牵引车车辆自重仅为7.5吨,较斯太尔平台非轻量化车型降低了600-800公斤,较竞争对手轻量化同款车型轻400-600公斤。因此,在同款车型车货总重相等的情况下,陕汽重卡较竞争对手能多拉0.4-0.6吨。
2、动力好
陕汽轻量化6×2双前轴牵引车整车布局合理、匹配优异,动力输出强劲。有效的将前二轴轴距缩短,轴距由1800mm改为1500mm,转向梯形全部重新设计,轴荷分配更加合理,减少了轮胎的磨损;匹配潍柴WP10系列发动机、法士特9档、12档变速箱、汉德MAN技术单双级减速桥,三大经典总称优化匹配,动力性强,可靠性高,油耗低,全面满足不同用户的差异化需求。
2.2 欧曼6系轻量化
依据客户需求,欧曼产品分为9系平台与6系平台,将9系定位于重载平台,牵引车车架截面高度286mm,工程车为320MM,加宽车架(865mm)。装配13T双级减速后桥、加重车架及悬架,底盘强化,在宣传上重点向客户传播动力、安全、油耗、服务等优势信息;6系定位于标载平台,引车车架截面高度286mm,工程车为320MM,普通宽度。装配单级减速后桥为主,选装轻量化双级减速桥,采用轻量化车架及悬架,底盘进行系统轻量化开发,减轻自重,在宣传上重点向客户传播服务、动力、安全等优势信息,以打击对手,提升自身实力。
2.3 东风天龙轻量化
东风天龙在设计的时候就充分考虑的轻量化的趋势,所以该车型前悬架都是少片簧(3-4片),后桥采用单级小速比后桥,车架截面尺寸300×90×(8+5),以满足高速轻量化的需要。根据车型的使用工况分为五大类型:(1)轻/标载高速物流工况;(2)复合工况;(3)低速/重载工况;(4)中载/中速工况;(5)轻量化车型、中标载、中高速;
以上5中工况,除了第1种工况主要是4*2车型,主要考虑轻量化,前后悬架采用少片簧或空气弹簧,第二种工况兼顾轻量化与重载兼顾,前后悬架采用少片簧;第三种与第四种工况主要考虑超载情况,所以所用配置都是加强型,所用后悬架为多片簧;第五种工况重点考虑了轻量化因素,以6×4车型为主,前桥为5吨级,后桥是13吨单级减速桥,轮胎用11.00,前后悬架为少片变截面钢板弹簧,油箱为350L全铝油箱,轴距缩短200MM,为3200MM.

第3节 我公司重卡轻量化的主要途径
根据以上研究,我们在设计之初就要充分考虑轻量化、模块化。轻量化主要应用在公路用车。根据上面阐述,我们可以通过以下两大途径展开轻量化设计:
3.1 优化结构设计以实现轻量化
改进汽车结构,使部件薄壁化、中空化、小型化和复合化,对内饰、发动机和底盘等所有汽车零部件进行结构和工艺改进等。
1、合理的车型定义及配置。开发6×2车型,这样可以比6×4车型降低驱动桥的重量。标配11.00的轮胎,而选培12.00规格的轮胎,采用中顶驾驶室。缩短轴距,比如天龙轻量化车型的轴距为3200MM,而其他工况车型为3400MM。车型尽量考虑减配,空调、冰箱等设为选配件。因为是标载工况所以可以选用低功率低档位动力总成,后桥采用单级减速。
2、、优化车架设计。车架的截面及宽度可以采用两个系列,比如欧曼6系牵引车采用286MM截面高度(4×2是280mm),对用工程车采用320MM;可以考虑等宽变截面车架,以降低自重。
3、优化悬架设计。前后采用少片变截面悬架或后悬架采用空气弹簧悬架。
4、轻量化油箱。采用低容量油箱,比如东风天龙有350L油箱与400L油箱两种系列,对于轻量化车型则采用350L油箱。
3.2 使用新型材料材料
采用轻量化的金属和非金属材料,主要是指铝合金、镁合金、高强度钢材、工程塑料及纤维增强复合材料等。
1、驾驶室内外饰尽量采用非金属。内外饰包括汽车车室内、车壳外的装饰件。内饰包括后视镜、仪表台、方向控制区、排挡手刹区、地毯、座椅座套、车门内侧、顶篷、后挡玻璃区、后尾箱等。外饰包括挡风玻璃、倒车镜、车门密封条、车裙、全车大亿围、前后保险杆。 内外饰一般的使用材料为皮革、塑胶、丝绒、化纤等。
2、发动机变速箱尽可能的考虑用铝合金代替铸铁等刚才,以降低重量。一些零部件可以考虑用非金属,比如进气歧管等。
3、车架等部件可以考虑采用高强度钢以减少重量;
4、上装的轻量化。重卡上装在汽车整备质量中所占份额非常高,所以如能够在上装上考虑轻量化将会,采用高强度钢或在不影响安全性、可靠性方面减少钢板厚度将会大有可为,因为我公司不设计上装,所以在这里不做重点分析了。

回复 支持 反对

使用道具 举报

唐山钢铁
发表于 2013-3-23 17:49:04 | 显示全部楼层
不做
回复 支持 反对

使用道具 举报

华阳碳纤维
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线