新材料与工艺手册

汽车轻量化设计的复合材料机遇

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发表于 2015-7-27 00:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车每减重100?kg,可降低油耗0.3~0.6?L/100?km… …在国家大力倡导节能减排的趋势下,轻量化成为了汽车企业的首选。汽车轻量化设计材料应用的方向是什么?熊飞博士认为,高强度钢、轻质合金和复合材料是未来的发展方向。复合材料因其独特的优势,能够得到单一材料无法比拟的优越综合性能,因此迎来了良好的发展机遇。
       

汽车轻量化设计的复合材料机遇

汽车轻量化设计的复合材料机遇

        浙江吉利汽车研究院有限公司总工程师熊飞博士

        轻量化方案基于等强度设计的基本原则,绝不以降低安全性能为代价!熊飞博士认为,非金属材料在汽车上的应用开发,概况起来可以划分为四个方向:
        1. “以塑代钢”轻量化设计开发
        以吉利的塑料后横梁设计方案为例,第一代设计方案为金属横梁,280VK,重量为9.9?kg;改良之后的第二代设计方案为金属横梁,340/590DP,重量为3.9?kg;而最新的设计方案中,,塑料复合材料横梁重量仅为2?kg,不仅实现50%的减重效果,还能够满足安全性能要求。熊飞博士表示,在以塑代钢设计方案的同时采用了模块化的方法,可以在减轻重量的同时大大减低生产成本。当然,该方案也经过了大量的性能验证试验,最后通过了GB 20072-2006法规分析,满足性能要求;在被动安全测试方面,通过了ECER42&RCAR验证,其高韧性远远满足性能要求;在后碰撞分析方面,通过了GB 20072-2006法规分析,满足性能要求。经过一系列的验证,吉利研发的PC/PBT后横梁已被应用在新远景车型上。该车型复合材料后防撞梁2.1?kg,减重80%;复合材料防撞梁同样满足ECE R42安全法规要求;CAE模拟分析碰撞后零件的形变小于失效形变的限值。
        塑料发动机舱盖产品的开发也带来诸多效益,能够满足行人保护法规要求,CF发动机罩具有优秀的行人保护性能。
        2. 模块化、集成化设计开发
        熊飞博士介绍说,2008年,前端模块为全金属结构,由超过15个零部件组成,到2014年,全塑框架、局部金属嵌件增强的集成化模块前端结构能够实现30%的减重效果,并大量减少零部件,而且采用PP-LFT材料,大大降低成本。
        3. 结构优化设计开发
        以保险杠的薄壁化开发为例,国内大多数自主品牌的薄壁设计为3.0?mm壁厚,采用普通的PP滑石粉材料,单件重量4~5?kg。而丰田汉兰达、丰田雅力士和斯柯达新明锐采用2.5?mm薄厚,马自达CX-5则采用2.0?mm壁厚。
        薄壁化开发面临的挑战是:减薄后产品的成形问题、减薄后可能导致产品的刚性下降及减薄后导致的产品强度降低等。为解决该问题,我们应该提高材料熔体指数,增加流动性,由现行标准提高到30?g/10?min以上,解决可能充不满、注射压力大、注射温度高等问题;提高材料模量,通过技术分析,适当的提高弯曲模量,可以解决因减薄带来的强度和刚度下降问题。吉利开发的薄壁化保险杠产品采用的是2.5?mm壁厚设计,高刚性PP材料,单件减重10%~15%,总计减重0.8?kg,成本降低。该产品已经完成零部件的开发与验证,性能满足要求。
        4. 材料新应用
        熊飞博士认为,材料的新应用也可实现轻量化。如塑料玻璃在汽车玻璃上有一定的应用可能,塑料后背门玻璃的减重效果就非常明显。普通汽车玻璃的重量为4.5?kg,而塑料玻璃重量仅为2.5?kg,可实现减重44%。
        碳纤维材料因其重量轻、强度大、可设计性好、耐冲击及耐腐蚀等优势,被广泛应用在汽车中,其拉伸强度是金属的3~5倍,抗冲击强度大于1?500?MPa,满足高强度零件要求;重量比钢件轻50%,比铝件轻30%,减重效果明显;冲压焊接车身重达500~600?kg,碳纤维白车身小于300 kg。“碳纤维可用于制造车身结构件、覆盖件和汽车轮辋、驱动轴等零部件,用途广泛。我国电动汽车增重达30%~40%,高于发达国家(6%~16%),碳纤维复合材料在电动汽车上的应用将是一大出路。”熊飞博士说道。目前,每公斤碳纤维材料价格约200~300元,是通用工程塑料材料的10倍,这也是制约其在汽车上规模应用的主要因素。熊飞博士解释说道:“尽管碳纤维的价格比较高,应用还未实现广泛化,但其在汽车轻量化的道路上无疑已经代表了未来材料发展的一种趋势,得到越来越广泛的认可和应用。预计到2016年餐碳纤维材料年需求量将达到8万吨,价格可能降至70元/kg,与现在的高性能尼龙材料相当。如每辆车用CFRP材料10?kg,将能带来1?000亿市场机会。”
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