新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 油罐车的罐体轻量化技术的应用

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发表于 2012-9-5 11:11:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要:简要介绍了目前汽车轻量化技术的背景和意义,阐述了油罐车罐体实施轻量化的基本要求和途径,最后通过实例说明油罐车罐体轻量化研究是可行的,为油罐车轻量化的研究提供了依据。
关键词:油罐车  罐体  轻量化

1研究的背景和意义
所谓汽车轻量化,就是采用科学方法和手段对汽车产品进行优化设计,在确保汽车综合性能指标的前提下,通过使用新型材料,尽可能降低汽车产品自身重量,达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。研究表明,汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重,汽车的质量每减轻100 kg,每公里的燃油消耗将减少0.4 L~0.8 L,CO2排放量也将减少。燃油效率提高,意味着降低汽车的耗油量和排污量,改善人类生存环境。同时汽车轻量化也提高了车辆性能,在同样的输出功率下,较轻的车对于发动机来说就是较轻的负载,汽车的操控稳定性也有所提高。所以减少汽车车体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。
国家标准对汽车的设计进行了严格的规定,特别是轴荷和总质量的限制。对于油罐车而言,罐体自重占整车重量比例较大,减轻罐体的重量已成为企业关注的焦点。由于铝的比重约为钢的1/3,铝合金被公认是汽车轻量化的理想材料。近年来,在欧美发达国家,使用铝合金制作的液罐车已非常普遍。而在我国通常使用钢板制作罐体。由于钢罐体自重很大,无形中加大了燃油的消耗,使得运输成本大大提高。铝合金除了重量轻之外,它还具有优良的抗腐蚀性。与同样用钢做成的部件相比,用铝及铝合金制成的部件再利用价值更高。95%的铝合金都能实现再利用。如果使用铝合金制作油罐车的罐体,可大大降低车辆的自重,节约燃油,减少能源的浪费。
2   实现油罐车罐体轻量化的途径
实现油罐车罐体轻量化的途径一般有两种:一是从结构的设计入手,通过有限元法和优化设计法对现有钢结构罐体进行结构分析和结构优化,在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量;二是从材料入手,通过采用轻材料或现代复合材料等低密度材料替代现有的钢材料,达到罐体轻量化的目的。
2.1 合理的结构设计
现代汽车制造工业中,CAD/CAE/CAM技术涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用该技术可以准确实现车身的结构和布局设计,实现对汽车零部件的整体化和轻质化,实现汽车的轻量化设计、制造。近几年来,我国在压力容器新产品的开发中已成功地应用了ANSYS有限元分析软件。
实现汽车轻量化合理的结构设计常有三种方法:一是通过结构优化设计,减小车身骨架、车身钢板的质量,优化后对车身强度和刚度进行校核,确保汽车在满足性能要求的前提下降低自重;二是通过结构的小型化,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,缩小结构尺寸;三是采取运动结构方式的变化来达到目的,如采取发动机前置、前轮驱动等使结构更紧凑,采取发动机后置、后轮驱动使整车或局部结构变小。
2.2 轻质材料
目前国内外汽车应用较多的轻质材料有铝合金、镁合金高强度钢塑料及复合材料等。
研发轻质高强度汽车用钢材,已经成为降低汽车车身自重,减少汽车耗能和尾气排放有效的根本性控制方式。
铝是最早用于汽车制造的轻质金属材料,也是结构材料中最为经济实用、最具竞争力的汽车用轻金属材料。从生产成本、零件质量、材料利用率等方面,铝合金具有多种优势,如密度较小,用其替代传统钢铁,可减小整车重量的30%~40%。回收率高,仅次于钢铁,目前可达87%,符合环保要求。它还具有优良的抗腐蚀性、压力加工和铸造加工性,也为专用汽车生产企业所认可。
综上所述,采用轻质材料轻量化的效果明显,减重幅度较大,但具有研发成本高,工艺复杂等缺点;而采用合理的结构设计,成本低、容易实现,但轻量化的效果一般不显著。
3 应用实例
我校与某公司合作开发出新油罐车,通过对油罐车的罐体选用铝合金轻质材料,使用ANSYS软件进行分析,满足强度和刚度要求。在罐体产品的结构开发中,主要考虑二方面:罐体外壳能承受一定外压,通过调整加强圈的数量和尺寸,减小壁厚;容器的设计,在防波板的结构、安装的位置及改变材料等方面进行优化。
    该车达到的主要性能指标:铝合金油罐车在能实现轻量化的基础上,油罐的防腐性能与不锈钢罐相当,罐身的强度在优化设计的基础上满足要求。通过可靠性道路试验和罐体密封性试验。铝合金油罐车,应用铝合金来制作罐体,不仅大大减轻整车质量,原来采用钢制作的罐体重量为8 850 kg,现在用铝合金制作的罐体只有7 570 kg。这样每行驶百公里可节约燃油4 L以上。在提高汽车动力性的同时,污染物排放比原来减少10%以上。该技术国内领先,与欧美国家技术持平。该车售价为26万,第一批50辆该车已完成出口。

作者简介:包海涛,男,1969年生,讲师,车辆工程专业硕士研究生,主要从事机械基础、流体力学和车辆设计等方面的研究。

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