新材料与工艺手册

[车身轻量化] 浅谈汽车车身轻量化技术的应用

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发表于 2020-4-28 14:36:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】浅谈汽车车身轻量化技术的应用
广州市交通运输职业学校 胡锡锑

[size=1em]如何使用新材料、新工艺、新技术来实现汽车的轻量化,从而实现汽车的节能减排成为各大汽车制造企业重要的研究内容,现代汽车的车身上尤其是高端品牌的车身上已使用了大量的轻量化技术,下面主要以奥迪车车身为例做介绍。

1 汽车车身结构轻量化设计

[size=1em]目前家用轿车基本上采用了承载式车身,没有独立的车架,车身所有附件均安装在整体式车身上,这样使得整个汽车车身的质量相比车架式车身降低了,重心有了一定的下降,使得汽车的行驶性能更好,车内空间更大,汽车抗击弯曲变形的刚性更好、冲击吸能的効果更佳。而在汽车的组成部件方面小型化、模块化的汽车零部件设计方式也对汽车的轻量化起到了很大的作用,对于汽车整车和部件的轻量化主要是在汽车部件的厚度和横截面积的大小方面进行了优化处理,从而使得汽车整体的质量降低而强度增加。

2 汽车车身轻量化制造工艺

[size=1em]在汽车制造的过程中汽车板材处理的工艺通过优化也可以减轻汽车的质量提高板材的强度,例如常用的制造工艺技术有激光拼焊,高压铸造,模具成型,局部调质等工艺。例如奥迪车车身目前最常用的技术有激光拼焊和局部调质。激光拼焊技术是指将不同厚度或者不同材料及不同表面状态的钢板剪裁成一定的尺寸和形状,用激光焊接成为一块完整的板件,然后再进行冲压制造,这样使得需要用到的零部件减少,加强件及紧固件均减少,同时又使用不同厚度强度形状的板件进行组合使得整车强度提高,增加了汽车的安全性。

[size=1em]局部调质就是对一个部件的不同部位进行差异化的调质处理,使得同一个部件不同部位抵抗冲击的能力不相同的一种处理方式,如图1所示,奥迪Q3车的B柱上就进行了局部调质处理使得B柱最下的一小部分强度低于大部分区域,形成了下半部分受到撞击之后可以有一定的变形来吸收能量。

3 汽车车身轻量化材料

[size=1em]汽车轻量化技术不可或缺的是汽车上新材料的运用,以奥迪公司为例,在1990年以前主要是钢质车身,2000年开始部分车型使用铝质为主的车身,目前以钢铝混合车身为主,奥迪公司2020计划是奥迪日后的车身将会是大量使用多种材料的混合式车身,其发展历程如图2所示。

[size=0.8em]图1 奥迪A8L车B柱局部调质处理

[size=0.8em]图2 奥迪车身材料的发展

[size=1em]混合式车身将使用铝合金镁合金高强度钢、粉末冶金、陶瓷、炭纤维等新材料,部分材料特性见表1所列。

[size=0.8em]表1 奥迪车混合式车身上的材料特性

[size=1em]以奥迪Q3车为例,车身上使用了深拉延软钢、高强度钢、较高强度钢、超高强度钢、超高强度热成型钢,不同的钢材使用部位如图3所示。汽车厂商使用特殊技术使钢材拥有不同的强度,为了保证车身的强度同时实现轻量化,不同的材料用在不同的位置。深拉延软钢主要分布在车身前后的吸能区占车身总质量的26%。车身的大部分结构件使用的是高强度钢,占比为42%。较高强度钢分布在车身侧面的内层板,占比为15%。超高强度热成型钢,占比为4%。超高强度热成型钢的硬度最高,同时制造成本也非常高,所以把它用在车身强度要求最高的部位,主要用在车身侧围的中间层,以及主车身中央通道。

[size=1em]奥迪A 8 L 车上使用了铝合金铸件、铝合金型件、铝合金板件和碳纤维,为了保证车身组件的使用性能,不能用纯铝材质,因为纯铝的硬度很低,而使用铝合金材质。铝合金的强度可以通过锻造和热处理硬化来提高硬度。铝合金铸件是铝合金溶液通过压力被高速压入一个铸模里面,这样能制造出复杂的形状,壁厚可以得到更好的优化,使用部位如图4中红色部件。铝合金型件是铝合金板通过加热变软之后对它加压,让它通过一个低模制造成空心棒状的型件,通过这样的处理使得它特别的坚硬,而又壁薄质量轻,具有很好的吸能效果,使用部位如图5中的蓝色部件。铝合金板件柔软同时具有良好的可塑性,但是强度较低一般用在强度要求不高的覆盖件上。

[size=0.8em]图3 奥迪Q3车不同钢材的使用部位

[size=1em]在汽车制造中,除使用金属材料外,还广泛使用非金属材料。常见的如汽车灯罩、仪表板壳、转向盘、座垫、风窗玻璃、轮胎、传动带、连接软管等都是由各种非金属材料制成的。非金属材料因其具有许多优良的理化性能,可以满足某些特殊要求,而且原料来源丰富、加工简便,因此得到广泛的使用。

4 汽车轻量化连接技术

[size=1em]为了实现汽车的轻量化,将多种新型材料混合运用在车身上,这样汽车各种部件的连接就更加复杂,以奥迪汽车为例,目前常用的连接方式主要有机械连接、化学连接和热学连接,如图6所示。机械连接常用的有螺栓连接、折边连接、铆接等;化学连接常用的有胶粘连接;热学连接常用的有MAG焊、MIG焊、电阻点焊、激光钎焊和螺柱焊接。在混合材料的车身结构中为实现轻量化,铆接是应用最多的一种方式,由于大量的铝质材料应用在车身上,传统的焊接方式无法有效的对铝质材料进行连接,铆接的优势就凸显出来了,铝铆钉相对质量要轻于螺栓等连接方式,而它是利用压力使得铆钉两端变形而进行的板与板之间的连接方法,不会有热变形也不会对板件性能造成损害,是一种非常环保的连接技术。激光焊接是以聚焦的激光束作为能源对工件相应区域,填充焊丝进行加热融化形成焊缝的一种连接工艺,根据是否需要填料和焊接温度的高低又可细分为激光焊和激光钎焊,这些先进的焊接方式提高了汽车的连接强度,减低了整车的质量。随着越来越多的混合材料车身的出现,越来越多的胶粘连接出现在汽车上,胶粘相对操作简单,而强度高,并且胶粘化学剂普遍的质量较轻,适合轻量化车身的连接。

[size=0.8em]图4 奥迪A8L车上铝合金铸件使用部位

[size=0.8em]图5 奥迪A8L车铝合金型件使用部位

[size=0.8em]图6 奥迪汽车车身连接技术



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