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[车身轻量化] 白车身轻量化技术在量产车型中的应用

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发表于 2015-5-6 21:48:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

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高强钢在江淮瑞风MPV中的应用,表明高强度钢的应用在促进汽车轻量化、提升碰撞安全性及降低成本等方面都发挥出了非常积极的作用,是当前汽车轻量化技术的主要应用方向,具有非常好的发展前景。
        汽车轻量化是采用现代设计方法和有效手段,在确保汽车综合性能指标的前提下,降低自身重量,达到节能、降耗、环保、安全以及降低成本等综合指标。当前,轻量化的研究和开发已经成为世界各大汽车生产厂家提高竞争能力的关键。
        汽车轻量化是影响汽车环保及油耗的重要因素,轿车质量每减轻100kg,每百公里油耗可减少0.4~1.0L。轻量化还可在一定程度上带来车辆操控稳定性和碰撞安全性的提升,因为车辆行驶时的颠簸会因底盘重量的减轻而减弱,整个车身会更加稳定,同时,轻量化材料对冲撞能量的吸收也可以有效提高碰撞安全性。
        汽车轻量化的两种有效途径,一是优化车身结构设计,二是使用新型轻质材料或高强钢材料。世界汽车工业经过100多年的发展,车身结构的布局已经相当紧凑,因此,车身结构的改进空间已经非常小,而材料的应用则显得更为重要,高强度钢、铝合金镁合金以及聚合物等已经在汽车轻量化方面起到了重要作用。与其他轻量化材料相比,高强度钢生产工艺相对简单,冲压成形性能良好,回收利用率高且经济效益明显,更符合目前汽车轻量化的发展要求。
       

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

        高强度钢的性能优点
        强度优于普通钢板、成本低于铝/镁合金,使高强度钢板必将成为未来汽车结构材料的主体。常用型号的高强度钢,其性能和应用范围见表1。高强度钢主要用于制造车身外板、内板以及车身结构件,不仅减轻重量,降低成本,还可以有效提升车身碰撞安全性。
        高强度钢具有以下特点:优良的成形性能;回收利用性好;可利用传统生产装备;延迟的时效性和非时效性;耐蚀性能高;良好的连接性能和保形性能;价格低;保证塑性延展性的同时,强度高,冲压件重量轻。
        汽车钢板根据抗拉强度可分为三类:低强度钢(LSS,Rm<270MPa);高强度钢(HSS,Rm270~700MPa);超高强度钢(USS,Rm>700MPa)。根据强化机理的不同,高强度钢又可分为传统高强度钢(CHSS)和先进高强度钢(AHSS)。与先进高强度钢相比,传统高强度钢屈服强度较低,约为200~600MPa,伸长率较大,约为10%~45%。先进高强度钢的强度较高,屈服强度一般高于400MPa,伸长率在3%~30%之间。
       

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

        传统高强度钢多是通过固溶、析出和细化晶粒作为主要强化手段,目前常用的传统高强度钢为:高强度度IF钢(HSIF钢)、烘烤硬化钢(BH钢)、冷轧各向同性钢(IS钢)、冷轧高强度含P钢和高强度低合金钢(HSLA钢)。而先进高强度钢是指通过相变进行强化的钢种,组织中含有马氏体、贝氏体和/或残余奥氏体。
       

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

        高强度钢的应用现状
        国内外轿车高强度钢板使用比例与碰撞安全性的关系如表2所示。因此,我国的自主品牌汽车跟国外品牌汽车相比,有两个基础性的差异:自重较国外同类车重8%~10%,碰撞安全性相对较低。
        国外高强度钢在轿车车身上的应用比例逐年增加,目前大约为50%,而我国汽车工业高强度钢的应用比例只有不到30%,未来有很大的上升空间。图1为江淮某款轿车高强度钢的应用情况。
       

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

        采用高强板的意义
        高强度钢主要用于车身外板、内板以及车身结构件,这类钢铁材料和汽车轻量化关系密切。高强度钢在不同零件中的作用如表3所示。
        表3可以反映出高强度钢的应用可以实现车身碰撞安全性提升和车身轻量化的有效统一。高强度钢能够大幅增加构件的抗变形能力,提高能量吸收能力并扩大弹性应变区。同等强度等级下,高强度钢可以在很大程度上减薄板件,达到降低车身重量的目的。
        高强度钢替代冷轧软板在江淮瑞风MPV车身中的应用
        1.高强板与普板替换关系
        车身结构的轻量化是在不损失或减低车身安全性及整车性能为基础的,从材料替换角度来看,需依据等强度原则。
        板材厚度t与屈服强度σ之间有如下关系:
       

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

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        由此可计算出:
       

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

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        下面是以烘烤硬化高强度冷轧钢板B180H1替换冷轧软板DC04在江淮MPV车型中的应用实例。烘烤硬化钢是为提高钢板的抗凹性、抗划痕性和表面质量而开发的高强度钢板。BH值指经2%预应变的试样放置在170℃下保持20min,然后在室温下进行拉伸试验,测得的屈服强度对该试样2%预应变时应力的增加值。该材料经过涂装烘烤后(170℃左右),屈服强度会增加30~50MPa,其机理是高温C、N原子扩散速度加快,位错聚集而强化材料。由于烘烤硬化钢的特殊性能,常将其用于车门外板、顶盖等。
        烘烤硬化高强度冷轧钢板B180H1(σS2=180MPa)替换冷轧软板DC04(t1=0.8mm,σS1=120MPa),由以上公式计算可得t2=0.65mm,表明如用0.7mm厚的B180H1替换0.8mm厚的DC04材质,完全可以满足强度要求,替换后冲压单件重量减少12.5%。同上计算方式,0.9mm厚的B180H1替换1.0mm厚的DC04也是可行的。因此,从材料替换的角度而言,通过使用高强度钢达到轻量化效果是可行的。表4列出了江淮瑞风MPV部分冲压件使用高强度钢B180H1替换冷轧软DC04的情况。
       

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

白车身轻量化技术在量产车型中的应用

        2.CAE模拟分析
        为避免重新开发工装带来的成本增加,对于表4中的冲压件,最好能够使用现有工装。在现有模具中,利用CAE分析,模拟高强钢度板在现有模具中的成形情况。
        通过CAE模拟分析,得出的结论是:在R角附近局部发生起皱、开裂缺陷(见图2),原因是:钢板在拉延成形时,材料被压边圈和凹模夹住,所有的塑性变形在凸模的相对运动时完成,材料由于经受二维应变导致厚度变薄,如果局部应变过大,就会导致成形失效。材料拉延成形性能主要取决于材料对应变的再分配能力;材料拉延成形性能与加工硬化性能紧密相关,即加工硬化能力越强,应变分布就越好,则材料的拉延成形性越好,反之,则材料的拉延成形性越差。
        由于模拟分析结果中出现缺陷的位置都位于R角附近,可以通过在现有模具中适当放大R角,在不影响产品外观的前提下,可以适当修改R角附近产品造型,改善R角附近材料的流动性。修改拉延模具数模后,再次进行CAE分析,结果如图3所示,产品件成形良好,无缺陷。
        3.模具整改及高强板产品件打件
        按照CAE模拟分析结果,调整模具R角,使用高强板进行打件调试。经过两轮的模具调试,最终生产出合格的产品件,图4所示为中门外板产品件。
        通过高强板与普板替换之间的理论换算,结合CAE分析结果,对现有模具进行整改,经过多轮的模具调试,表4中的冲压件最终在大批量生产中得以应用。
        总结
        高强度钢板能够大幅度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。高强度钢板用于汽车零件上,可以通过减薄零件来减轻质量。高强度钢的应用使得汽车安全性能提高,而高强读钢优良的抗凹性能还增加了产品的商品性,同时,厚度的减薄使得车身结构更加轻量化。此外,经过实践,通过这种轻量化的实施来达到降低成本是可行的。
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