新材料与工艺手册

[车身轻量化] 汽车整车的轻量化技术研究

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发表于 2020-3-23 17:03:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】汽车整车的轻量化技术研究
杨素华
(武汉城市职业学院机电工程学院,湖北 武汉 430064)
摘 要:本文主要介绍汽车零件轻量化技术,通过研究实现汽车整车轻量化的途径和国内整车轻量化技术开发案例,得到了工程塑料应用在整车中能够降低整车重量,提高燃油效率,减少排放,是实现汽车轻量化的重要途经。
关键词:汽车整车;轻量化;研究;工程塑料

新时代汽车被赋予了新的内涵——数据空间、第二居所空间、办公空间、智能空间,中国汽车正向着这些新功能理念发展,这些新功能理念对汽车的节能环保性、高效性和安全性要求不断升级,也使得汽车车型更新换代的速度非常快[1]。在2017年2902万辆的汽车产量和2888万辆的汽车销量中,汽车一级市场每年推出新车型400辆(全新车型100辆,局部换型300辆)。中国制造2025中提出:制造业发展要坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化和人才为本”的基本方针,到2025年,制造业绿色发展和主要产品单耗达到世界先进水平,加快汽车清洁化进程,发展新能源汽车,培育动力电池等产业化资源,加快工程化工艺装备,在车用超高强度钢、轻质合金、工程塑料等新型材料应用方面推动汽车零件优化。在此背景下,能源安全和大气环境恶化是汽车节能减排的首要推动力,节能减排是汽车制造业绿色发展的根本,节能与新能源产业引导着小型汽车向轻量化发展,大型精密汽车零部件轻量化成形技术的开发和应用已成为汽车产业重要研究和发展方向。

2017年中国汽车产销完成2902和2888万辆,连续9年蝉联全球第一,汽车产销同比增长14.5%和13.7%。汽车轻量化的技术需求与汽车零件优化制造为工程塑料的应用发展提供了更加广泛的空间。中国汽车正在向着数据空间、第二居所空间、办公空间、智能空间的新功能理念发展,自动驾驶时代下的内饰变革使得汽车塑料模具未来将在创新应用领域紧跟应对这样的需求。

1 实现汽车整车轻量化的途径
图1 汽车油耗对节能减排的影响

汽车整车轻量化是国家节能减排战略需要,以尽可能减少中国对石油进口的依赖程度[2]。据世界铝业协会数据显示:对于发动机类汽车,整车减重10%,二氧化碳排放量影响同步降低5%~6%。美国将汽车整车轻量化方向确定为节能减排三大技术措施之一,并将整车轻量化作为“新一代汽车共同开发计划”(PNGV)目标。汽车轻量化对整车性能有较大程度的影响,据汽车企业实验结果显示,汽车整车减重100kg,可降低油耗0.3~0.6L/100km,汽车油耗对节能减排的影响如图1所示。

由图1可知,汽车重量减轻后可降低汽车的油耗和二氧化碳的排放量,对节能环保的意义非常重大。汽车轻量化的途径主要有以下3个方面:

1)利用轻质高强度材料替代钢铁材料,实现轻量化。应用高强度和轻质材料,比如高强度钢材、超高强度钢板铝合金镁合金、工程塑料及纤维增强复合材料等替代钢铁材料来达到减重目的。现今国内汽车企业从工程塑料及纤维增强复合材料、先进的超高强度钢板、铝合金和镁合金3个方面研究轻量化技术,这3种材料替代当前的主流材料低碳钢,可分别减重60%、40%、25%。

2)利用CAD、有限元分析技术对汽车零部件产品结构进行优化,实现轻量化。汽车零部件结构对整车重量影响很大,汽车零部件上对功能没有影响的材料没有强度要求的壁厚等可采用CAD和有限元分析技术(CAE技术)进行优化,去除不起作用的材料,降低壁厚以减轻整车重量。

3)采用新技术、新工艺及先进的生产工艺实现轻量化。在汽车生产工艺中采用液压成形、激光拼焊、辊压成形、高强度钢热成形等新技术,对汽车零部件采用粘接和铆接等新型连接工艺,实现汽车整车轻量化。

2 国内整车轻量化技术开发案例
表1 国内车企在整车轻量化方面的开发案例对比

目前我国北汽、上汽、东风等自主研发的汽车公司和美国、德国、日本等发达国家的汽车相比超重8%~10%。国内自主品牌整车的耗油量(L/100km)比欧美高23.2%,比日本高37.8%。为了减低油耗,绿色发展,国内各类车企在整车轻量化方面加大投入,争取到2020年,汽车的平均耗油量能降低到5.0L/100km以下。国内车企在整车轻量化方面的开发案例如表1所示。

3 工程塑料在整车中的应用

据报道,工程塑料在俄罗斯、中国、巴西和印度金砖四国的应用量非常大,2014年总市值有11244.4百万美元,且呈不断增长的态势,预计2015~2020年间的复合年增长率将为15.4%。预计到2020年,全世界的汽车行业对工程塑料的需求将不断扩大,其复合年增长率将为13%。工程塑料在汽车轻量化技术方面功不可没,工程塑料的增长态势如图2所示。

图2 中国塑料制品的逐年增长

工程塑料及纤维增强复合材料的应用能降低汽车整车的重量、降低噪音,工程塑料取代金属应用在汽车零件上,能利用汽车塑料模具进行高效率的生产,可避免汽车零件因采用金属材料生产而进行的二次机加工,可降低生产成本,工程塑料零件与机加工多的金属零件相比,成本优势非常明显。利用工程塑料进行集成化优化汽车零件结构,即可以能生产成本的降低[3],还能带来车身重量的降低,符合国家对汽车制造业实行绿色发展的方针政策。

据我国工程塑料行业发展分析,伴随汽车行业的蓬勃发展,汽车产量和销量不断增加,聚氨酯、聚酰胺(PA,即尼龙)材料、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和热塑性聚酯等工程塑料在汽车零部件中的应用也不断增长。如汽车的油底壳采用塑料可降低发动机总成的重量,减轻整车重量。

4 结论

汽车零部件原材料采用工程塑料,可使整车重量降低,提高燃油效率,减少排放等,是实现汽车轻量化的有效解决方案。采用塑料汽车零部件是汽车行业实现节能减排、绿色、可持续发展的重要保障之一[4]。



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