新材料与工艺手册

[车身轻量化] 欲轻如鸿毛,确重于泰山 汽车轻量化技术的发展

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发表于 2016-12-23 11:00:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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近年来,我国的汽车产销量规模不断扩大,并在2015年双双突破2400万辆,连续7年位居全球第一。惊人的数据带来了残酷的现实,我国不仅是名副其实的汽车生产大国,也是世界第二大石油进口国和消费国,二氧化碳排放总量也在全球各国中处于较高水平。

随着汽车保有量的大幅上升,能源消耗和环境污染等问题日渐严峻,亟待解决。汽车轻量化作为实现汽车产品节能减排的有效途径,受到了国家、行业以及企业的高度重视,并被国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》、《中国制造2025》列为节能与新能源汽车的一项共性关键核心技术。
什么是轻量化
既然提到了“轻量化”就让我们先了解一下究竟什么才是“轻量化”,它可能与我们心中所想象的并不太一样。汽车轻量化是在成本控制与性能改进条件下,通过轻量化结构设计与轻量化材料和制造技术在整车产品上的集成应用而实现的产品减重。汽车轻量化是一个涉及到技术、经济、安全、环境等诸多方面的复杂系统工程,需要从材料到零部件优化设计和检测技术、先进制造技术、材料回收与再利用技术、零部件维修技术等一系列关键支撑技术的突破。
实现轻量化不是简单的材料替代,不能以牺牲车辆性能为代价,汽车轻量化必须在预定整车减重目标、整车成本控制目标、安全性目标和NVH控制水平的约束下进行。轻量化的发展不能简单的与“国际接轨”,这与国情相关,其实更为重要的是轻量化技术没有绝对的好与不好,企业应根据产品的市场定位、要达到的性能指标、成本控制目标和竞争对手的轻量化水平等,确定所采用的技术,相关工业企业需要为汽车企业提供更多的技术选择。多种材料综合应用,是未来汽车轻量化技术发展不可忽视的趋势,各种材料对实现轻量化都是不可或缺的。尤其是新的设计理念、新的工艺不断出现,促使我们必须以科学的态度看待每种材料的应用潜力,不可轻率断言某种材料发展前景的“是”与“否”。
汽车为什么要轻量化
对于燃油汽车来说,轻量化通过降低汽车的整备质量,可以有效实现汽车产品的节能减排。多个机构就轻量化可以带来的节能减排效果进行了研究:世界铝业协会的研究报告指出,汽车质量每降低10%,可降低油耗6%-8%,排放下降4%;大众汽车的研究则表明汽车质量每减少100kg,每百公里可节省燃油0.3-0.5升,每公里CO2排放可减少8-11克;里卡多针对乘用车和载货汽车分别进行了研究,在图表中显示。
轻量化通过改善车辆的性能,可以提高汽车产品的市场竞争力。首先,汽车质量降低后,其动力性、制动性、操纵性等性能能够得到改善;对于新能源汽车来说,轻量化一方面可以降低能耗,另一方面也可以在同样整备质量的前提下安装容量更大的电池,两者均可以提升其续航能力;对于商用车来说,轻量化还可以减少车辆的运营成本,这包括车辆油耗降低带来的油费节省和在计重收费情况下带来的额外好处。

全铝车身是现如今汽车轻量化方面很主流的方式
此外,汽车轻量化通过对相关产业提出更高的需求,还可以带动相关产业的转型升级。汽车轻量化是一个跨产业的系统工程,涉及冶金、材料、装备、设计、制造、维修、回收再利用等多个相关产业。所以,汽车轻量化的发展,需要依托于我国相关产业的大力发展。只有相关产业快速发展了,汽车轻量化才有基础和根基;如,与国外先进水平相比,我国在汽车用高强度钢铝合金板材和先进复合材料等材料领域的发展还相对比较滞后,无论从产品种类上,还是从生产稳定性上都不能完全满足汽车工业的需求,汽车轻量化的发展必定能够推动相关产业的进步和转型。在标准领域,我国现有的与汽车轻量化相关的国家标准和行业标准要么远远落后,要么完全空白,与我国现在快速发展的汽车轻量化产业不相适应。
中国汽车工程学会于2007年牵头组建汽车轻量化技术创新战略联盟以来,我国的汽车轻量化技术得到了快速发展,并取得了一系列可喜的成果。“十三五”期间中国汽车工程学会即将执行的国家重点研发计划项目《电动汽车结构轻量化共性关键技术研究与应用》必会对推动汽车轻量化做出重大贡献。
怎样才能实现轻量化?
从管理层面来看,汽车轻量化的实现,必须改变“轻量化=换材料”的观念,必须系统性的解决从产品开发到产品制造,再到使用维修,以及回收再利用所面临的一系列问题,还必须提升汽车零部件的研发、生产以及制造能力。
从技术层面来看,汽车轻量化的实现,主要有3条途径,分别是:轻量化设计技术、轻量化材料技术和轻量化制造技术。其中,轻量化设计技术是龙头,轻量化材料技术是基础,轻量化制造技术是纽带,并要把握“正确的设计用在正确的地方、正确的材料用在正确的地方、正确的工艺用在正确的地方”这一基本原则。
具体来说,轻量化设计技术主要包括整车及零部件结构的尺寸优化、形状/形貌优化、拓扑优化、多学科多目标优化技术。轻量化材料技术主要涉及高强度钢、铝合金、镁合金、高性能工程塑料及复合材料等的研发和应用。轻量化制造技术则涉及先进制造工艺技术和先进连接技术两方面内容。在先进制造工艺技术方面,主要有高强度钢板热冲压成形、液压成形、激光拼焊成形、管材内高压成形等,铝合金、镁合金等的半固态成形、高真空压铸、等温挤压、等温锻造等,复合材料的在线模塑成型、在线注射成型、在线模压成型等;先进连接工艺技术主要有激光焊接及激光钎焊、搅拌摩擦焊、锁铆及自锁铆技术、流钻螺钉、胶粘连接等。
汽车轻量化的发展现状
随着社会对汽车节能减排的日益重视,轻量化作为节能与新能源汽车共有的关键核心技术得到了世界各国及汽车企业的高度关注。在美国《电动汽车普及大挑战蓝图》中,轻量化与电池、电驱动系统和气候控制技术被并列为发展重点,并明确提出:美国在2022年要实现插电式电动汽车整车减重近30%。德国在《国家电动汽车发展计划》(NPE)中也明确将“轻量化”列入其中,并投入3.28亿欧元用于轻量化技术研究。日本各大汽车企业也都提出了轻量化技术发展路线图和阶段重点,并确定了以到2030年实现车辆减重50%为目标的日本轻量化研究方向。在具体的车型上,国外则出现了多款轻量化技术应用特征明显的产业化车型。

在我国,不论在汽车轻量化的发展还是应用上,都要落后于国外,国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》、《中国制造 2025》已将轻量化列为了节能与新能源汽车的共性关键核心技术。我国相关油耗目标(2020年5.0L、2025年4.0L)的实现,也必将促进汽车轻量化技术的发展和应用。然而,我国汽车轻量化基础技术以及基础零部件的缺失、技术链和产业链的不完整以及轻量化成本的制约正在阻碍我国汽车轻量化技术的发展,鉴于此,提出了开展工作的几方面相关建议。1、在轻量化材料的应用方面,应采用“用材所长、因材施用”的原则。2、应采取恰当的减重目标和手段。3、应明确研究的重点。4、应进一步进行共性技术平台的搭建。5、应继续围绕产业链构建创新链。
为提高我国新一代电动汽车的正向设计能力、加快电动汽车产业的快速发展,轻量化联盟将在“十三五”期间重点围绕电动汽车的轻量化开展工作。为此,中汽学会联合吉林大学、上汽集团、江淮汽车、北京汽车、奇瑞汽车、国汽轻研院以及相关的31家单位共同申报了首批国家重点研发计划的“新能源汽车”试点专项项目《电动汽车结构轻量化共性关键技术研究与应用》,并已于2016年7月获得科技部正式立项。该项目的执行周期为2016年7月-2020年12月,专项经费共计5000万元。
TIPS:项目的主要研究内容
● 通过一体化设计理论方法、全新架构电动汽车车体仓和底盘车架建模与设计分析研究,建立全新架构电动汽车结构-材料-性能一体化多目标优化设计方法;
● 通过开发碳纤维复合材料一体式地板,建立碳纤维复合材料大型车身结构件集成设计、成形与性能评价方法;
● 通过开发薄壁压铸铝合金减振器支座、锻造铝合金车轮,突破并掌握复杂薄壁压铸铝合金零部件成形与应用的关键共性技术;
● 通过开发耐蚀镁合金锻造车轮、镁合金前端支架,建立耐蚀镁合金汽车零部件设计、成形与评价方法;
● 通过开发1.2GPa冷成形车门防撞梁、1.5GPa温成形B柱加强板、1.8GPa热成形B柱加强板,突破并掌握超高强度钢汽车零部件成形与应用的关键共性技术;
● 通过研究6种异种材料连接的结构设计、数学模型及静动态性能,建立多材料连接建模分析、疲劳设计与性能评价方法;
● 针对全新架构电动汽车结构的不同特点,研究并建立电动汽车整车及车身轻量化的评价方法;
● 通过梳理碳纤维复合材料、铝合金、镁合金和超高强度钢材料的静动态性能数据,制订相关零部件结构设计、成形和性能评价与异种材料连接的技术标准,并建立电动汽车轻量化共性基础数据库。
访谈
近日,中国汽车工程学会召开国家重点研发计划《电动汽车结构轻量化共性关键技术研究与应用》项目启动会,在会议上,各负责人就课题和项目的情况进行了汇报演讲
杨洁
中国汽车工程学会
徐平
上海汽车集团股份有限公司
陈云霞
奇瑞汽车股份有限公司
王登峰
吉林大学
AF:电动汽车轻量化作为未来发展的大趋势,真正的突破口在哪里?
中国汽车工程学会:目前续航能力已经成为电动汽车普及的重要制约因素之一,轻量化对提高电动汽车续航能力的贡献无容置疑。汽车电动化、轻量化、智能化的相互融合,也将进一步推动汽车技术的变革,我们要抓住机遇,着重做好2个方面的工作。
其一,以跨产业协同创新为基础,围绕带动汽车的车身轻量化、底盘轻量化和轻量化技术的整车集成应用开展技术攻关,提升产品的轻量化水平。
其二,继续加大动力电池技术发展,采用更优的的设计、更佳的结构和更轻的材料,大幅度提高动力电池的能量密度,并将其成本控制在合理范围。
AF:国汽轻研院是个什么样的组织?它与轻量化联盟的发展,有哪些关联?
中国汽车工程学会:国汽(北京)汽车轻量化技术研究院有限公司由汽车轻量化技术创新战略联盟的 17 家单位于共同出资成立,是在汽车轻量化技术创新战略联盟管理之下的研发实体。国汽轻研院致力于开展汽车整车及零部件轻量化技术研究、轻量化材料及产品检测和试验测试评价、汽车轻量化技术成果转化等工作。
作为轻量化联盟合作创新平台建设的重要组成部分,目前国汽轻研院已购置了一批企业需要但使用率不高的试验设备,以无偿或优惠方式为轻量化联盟单位提供相关测试服务。在过去的三年中,共投入资金390万元,启动了12项开放课题和3项自立课题的研究工作。这些研究工作来自联盟单位的共同需求,着眼于解决产业轻量化技术发展中的关键难题,其成果在联盟单位中共享,并为轻量化联盟共性技术平台和知识共享平台建设提供有力支撑。国汽轻研院正在逐步成长为联盟可持续发展的技术供给源,并将在推动技术成果转化方面发挥越来越重要的作用。
AF:在整合外部资源、推进国家间科技合作方面,有哪些举措,取得哪些成果,对产业产生了哪些影响?
中国汽车工程学会:2014年,汽车轻量化技术创新战略联盟在联盟专家委员会的支持下完成了《我国汽车轻量化技术发展战略研究》工作,在一汽技术中心的支持下完成了《乘用车轻量化技术发展路径研究》工作,2015年完成了《重点发展汽车轻量化技术项目群》编制工作。这些工作的完成,明确了联盟十三五期间的工作重点和今后更长时期的工作方向。目前,轻量化联盟正在以上述工作为基础,集聚各方资源推动各项工作的落实。
在推动关键技术攻关方面,针对《项目群》列出的各项工作,分别组建由整车企业、零部件企业和高校、研究机构组成的工作团队,其中高校和研究机构的相关团队为关键技术攻关提供理论和技术支撑,整车企业和零部件企业为关键技术成果提供应用平台。
在推动技术成果的产业化方面,按照《国家创新驱动发展战略纲要》的总要求,在地方政府的支持下,分别组建了由技术持有者和技术承接者组成的工作团队。地方政府为成果转化提供政策支持,技术持有者和承接者按照利益共享、风险共担的原则开展工作,实现成果的产业化。为使工作更加有效开展,国汽轻研院已经在山东德州市建立了分院,两个技术成果转化项目已经进入实施阶段,力求实现地方经济发展和企业创新发展的双丰收。
在推动国际合作方面,轻量化联盟依托中汽学会的国际合作渠道,与相关国际组织和海外工程师团体,开展了学术交流、技术培训、战略研讨等多方面的合作。在学术交流方面,邀请海外专家参与联盟组织的交流活动中,组织联盟单位参加国际知名的轻量化会议,从中了解世界轻量化发展的新趋势和新技术。在技术培训方面,与世界汽车用钢联盟在提高中国工程师钢制零件的设计、工艺技术能力方面开展了深度合作,旨在提高我国汽车企业的用钢技术水平。在战略研讨方面,与世界钢铁协会和国际清洁交通委员会就汽车用材方向、汽车轻量化水平评价技术等进行了深度交流,丰富了我国企业和相关技术人员对世界轻量化技术发展趋势的认识。
AF:在汽车轻量化方面,我们与国外相比有什么差距?
王登峰:从设计方法上来说,我们与国外是相同的。在材料方面,目前,高强度和超高强度钢的用量超过50%与国外基本相同。但是,在合金的使用方面,我们与国外还是有一定差距的,这受制于成本的控制。例如铝合金的使用,国外每辆车的用量大约在160-170kg,而我国是120-130kg。所以,铝合金、耐蚀镁合金的开发就是这次研发的一个重点。同样,碳纤维的使用也是一个比较大的问题。所以,在这次十三五的项目课题中,会包含这三种材料的相关研发。
AF:本次研发的技术什么时候可以应用到实际产品上?
徐平:我们本次研发的各方面技术随时都可以使用,到2020年项目完成的时候,就可以得到全面的应用。关于汽车轻量化方面,不会有太多的资金投入,因为随着车子越做越大、装备越来越多,车子的重量好像并没有降低,可是,轻量化技术如果不应用,那么车子就会更重,这就是轻量化的意义。
AF:全新构架的电动车与传统汽油车相比,最大的区别在哪儿?
王登峰:构架是共性技术,我们这个联盟是共享技术的,所以在研发之后大家都可以共享这个全新的构架。与传统汽油车相比,最大的区别在于总布置方面,电动车没有发动机和油箱,这与传统汽车很不相同。轴载荷方面也是与传统汽油车不同的地方。电动车的电池需要集中式布置,有利于电池的管理和保护。这些方面是主要的不同。
AF:汽车轻量化技术的研发与产品的开发是相结合的还是相对独立的?
陈云霞:技术的研发和产品的开发肯定是相结合的,我们此次课题中的1.2GPa、1.5GPa、1.8 GPa的三种刚才是结合三款产品同时进行的。这种研发没办法独立进行,那样的可行性很差。
“轻量化纯电动轿车集成开发技术”项目
6月22日,中华人民共和国科学技术部高技术研究发展中心发布了《关于对国家重点研发计划“新能源汽车”等10个重点专项2016年度项目安排进行公示的通知》。国家重点研发计划“新能源汽车”共设19项重点专项,涉及电池、轻量化、智能电动车等多个方面,中央财政投入达到了10.1488亿元。由重庆长安汽车股份有限公司牵头承担的“轻量化纯电动轿车集成开发技术”项目获得了国家1.2亿元的中央财政经费的支持,又是10个重点专项中获得财政支持最高的一个。
长安汽车将在“轻量化纯电动轿车集成开发技术”项目上,与中国汽车工程研究院、中复神鹰碳纤维有限责任公司、湖南大学等12家国内一流团队共同参与研发,将拥有相关领域9个国家级研发平台。本项目将开发一款具有国际一流技术水平的碳纤维车身纯电动轿车,实现车身与底盘共计减重≥30%、C-NCAP五星、最高车速≥150km/h等目标,从轻量化的角度解决“里程焦虑”问题。
研发的六大方面
基于碳纤维车身与铝合金车架一体化集成整车载荷分布与结构优化
项目基于长安汽车现有纯电动轿车平台,以应用技术研究、重大共性关键技术攻关到贯穿集成应用的技术创新链条为主线,通过对碳纤维车身纯电动轿车结构的全新设计,建立以碳纤维车身和铝合金车架一体化集成设计为特色的轻量化纯电动轿车专用平台。重点突破低成本碳纤维材料技术、碳纤维车身和铝合金车架的一体化集成设计技术、多种轻质材料成形工艺及连接技术等共性关键技术,开展碰撞安全、NVH、高性能纯电动动力系统优化集成匹配研究,开发出多种高性能轻量化零部件,通过试验验证并实现集成应用,开发出一款具有国际一流水平的碳纤维车身纯电动轿车。
铝合金材料开发
项目主要研究碳纤维车身纯电动轿车载荷分布及结构优化技术;车用低成本碳纤维原材料及制备工艺技术;碳纤维车身和铝合金车架一体化集成设计技术;轻质材料成形工艺及装配技术;碳纤维车身纯电动轿车试验评价技术;碳纤维车身纯电动轿车整车集成匹配技术;这六大方面。
项目的社会效益
项目将开发出一款碳纤维车身纯电动轿车,通过轻质材料和新结构的设计和材料应用,项目的实施将助推中国汽车碳纤维、铝合金、镁合金等产业链的快速发展。

碳纤维车身和铝合金车架一体化集成设计
碳纤维复合材料应用经济效益:按照全行业年产销40万辆新能源汽车,单车碳纤维用量70kg计算,共需碳纤维约2.8万吨/年,每公斤按120元计算,大约形成33.6亿元产值;碳纤维复合材料零部件按照240-400元/公斤计算,预计形成67-112亿元产值;按照整车售价15万元/辆计算,预计每年可新增约600亿元产值。
轻质合金轻量化零部件经济效益:项目开发的铝合金前后碰撞横梁、控制臂、转向节等零件;镁合金转向支撑、座椅骨架等零件还可以应用在长安同级别的传统燃油车上。按照年产20万辆、轻质合金零件的价值0.5万/辆计算,可形成年产值约10亿元。
在节能减排方面单车减重200kg,百公里电耗可降低0.5-0.6kWh。若单车每年行驶3万公里,每年电能消耗将减少72亿kWh,可为节能减排做出重要贡献。
专项的研究成果可辐射到轨道交通、能源、石油化工、船舶、建筑等其它相关领域,带动开发一批显示度大、产业带动性强和附加值高的高新技术产品以及行业的技术进步,拉动国产碳纤维、铝合金上下游市场和需求,将新增万亿级的产业价值链,其社会经济效益极为可观。
七个需要解决的问题
项目拟解决以下的七大题:
● 解决电池体积过大导致空间布置困难、整车轴荷分布不易平衡等问题;
● 解决碳纤维车身与铝合金车架轻量化结构与整车碰撞安全、NVH和耐久等多性能集成匹配难的问题;
● 综合考虑车用碳纤维织物编织方式、铺层方向等,解决碳纤维复合材料本构模型和整车CAE分析方法与评价标准等难以准确建立的问题;
● 解决国产碳纤维低成本制备过程中纺丝速度提升难、高速纺丝过程中水洗、水牵难等关键技术问题;
● 解决车用低成本国产碳纤维材料的车身模块化结构设计及高效成形技术的难题;
● 解决铝合金车架关键零部件成形和焊接性能下降过多的难题;
● 解决碳纤维车身、铝合金车架及纯电动整车性能测试评价方法缺失问题。

发表于 2017-2-14 20:34:01 | 显示全部楼层
主题好,内容不够详细
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唐山钢铁
发表于 2018-2-26 10:57:13 | 显示全部楼层
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唐山钢铁
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