新材料与工艺手册

[轻量化设计] 汽车轻量化技术的应用

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发表于 2020-8-14 10:38:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】汽车轻量化技术的应用

屈光洪,尚珍
(北京电子科技职业学院汽车工程学院,北京 100176)
摘 要:汽车轻量化是一种产品发展战略的思想,旨在通过一个系统的最小质量,在给定的技术边界条件下实现所需要的功能。文章列举了汽车轻量化的一些例子,介绍了一些轻量化的系列方法,为汽车轻量化的实施提供一定的基础。
关键词:轻量化;应用;方法
前言
汽车轻量化技术,旨在保证汽车的强度和安全等性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的的基本性能如动力性,减少燃料消耗,降低排气污染等[2]。实验证明,汽车轻量化有着重要的意义如图1。我国制定了汽车轻量化的阶段目标如表1。
表1 我国汽车轻量化分阶段目标



1 结构模块化集成优化
结构设计与优化部分对汽车车身很重要,它既能实现零部件减重,也能够达到增加扭转刚度的目的[1]。一般汽车轻量化技术的应用是在结构优化、新材料及工艺上进行。通过反复试验得出方案。应用途径如图2 开发流程的那个如图3。

图1 汽车轻量化的意义
随着新材料的出现,科技的发展,汽车零部件的轻量化发展就不会停滞。
1.1 外形或结构轻量化
外形轻量化有时也由于其所描述的设计和结构调整而被称为形状或结构轻量化。
通过零部件造型和优化力的分布,使其成为具有最小重量的结构。除了重量之外,最重要的要求是安装空间、负载、制造技术和负载引入元件的功能集成。这样轻量化设计与方案和材料是息息相关的。在形状轻量化中,在实现结构零件的几何形状、数量和布置的同时,还应考虑到实际的要求,特别是对负载的要求。在设计开发过程中,除了应该用各种成型和设计规范之外,同样还会应用到像拓扑优化法和成型优化法这样的优化方法。


图2 汽车轻量化技术的应用途径

图3 轻量化零部件的(以车身为例)的开发流程
1.2 集成轻量化
集成轻量化,就是将许多功能性零部件或者功能集成在一个零部件上。这种生产出来的零部件为一个整体或者一个系统,省去了安装和大部分零部件。例如将前保险杠、散热器总成、前防撞梁及前大灯安装点四个系统进行集成,集成在一个整体的零部件上。如图4。

图4 零部件集成优化
2 连接方式轻量化
汽车上常用的连接方式是螺纹接和点焊接。轻量化连接技术,就是通过连接方式的改变来降低重量,这也是一个行之有效的方法。例如奥迪汽车(如图5)有14 种链接。

图5 奥迪A8 的14 种连接方式

3 有限元辅助设计轻量化
通过计算机辅助工程(CAE)方法,建立轻量化数据库。例如:汽车零部件性能数据库、成型工艺咨询库、常用车型材料在成型前、后以及不同使用时间的参数库等;建立吸能部件优化设计专家系统,开发汽车CAE 软件系统。通过专家数据库的建立,大幅度提高我国汽车结构设计水平,为快速进行汽车结构轻量化设计提供有力的手段和有效的工具。

4 系统轻量化
系统轻量化有时候也可以被称为方案轻量化,其特点是从整个系统或部分系统来考虑轻量化。通过从系统的角度对结构件、组件、和模块进行分析并加以调整,使其适合整个系统或部分系统,从而降低整个系统的重量。其应用实例是具有较高部件和功能集成度的新负载路径整合或结构开发。例如:福特的应用实例B 柱一般由内板和外板组成,福特通过变厚度TRB 板技术设计改造,将B 柱和其加强板合并成为一个零件,减重1.4kg,达10%,同时省略了内板的模具、冲压和焊装费用,降低了制造成本。再如奔驰E 级车有10多个零件应用差厚板,减重效果明显。据报道,车身因应用差厚板减重6kg,每辆车降低成本产生的效益折合人民币80至130 元。

5 材料轻量化5.1 镁合金在汽车上的应用
在力学性能方面镁、铝合金较为相似,然其密度为铝的2/3,镁合金具有稳定性强、质量轻、比强度高、并且镁合金有较好的阻尼系数和弹性模量,散热性和减振性良好,是汽车轻量化效果最好的金属材料。在汽车领域多应用压铸镁合金件,主要应用在仪表盘横梁、方向盘、发动机罩盖、座椅支架、车内门板、变速器外壳等方面如图6。将来,镁合金生产成本下降,使得镁合金具有经济优势,汽车产业使用镁合金替代铝合金部件在减轻重量的同时也获得了成本的降低,这将有助于进一步打开了镁合金应用的空间。我国有着丰富的镁矿资源能为发展镁合金提供物质基础。

图6 镁合金的应用零部件

5.2 碳纤维复合材料外覆盖件的应用
碳纤维(增强聚合物基)复合材料有足够的强度和刚度,抗拉强度一般在3500MPa 以上是钢结构的7~9 倍,抗拉弹性模量在2000MPa,质量比铝合金轻,具有耐腐性、高模量的特性,其适用于制造汽车车身、底盘等主要 结构件的最轻材料,碳纤维可使汽车车身、底盘减轻40%~60%的重量,相当于钢结构重的1/3~1/6,碳纤维具有良好的减重效果。

5.3 轻量化铝合金骨架式车身
将原型车钢制型材全部替换为铝合金挤压型材。在结构上进行加强,优化前防撞系统时增加后防撞梁;应用笼式设计的铝合金框架式车身,它能够有效吸收碰撞能量的铝合金前端框架,为乘员提供全面保护。铝合金骨架式车身总体结构造型,车身框架主结构由挤压型材搭建,关键节点部位采用铸铝连接,关键承力安装部位使用铸铝。接头部位通过高压铸铝实现链接,保证了接头处的强度[3]。白车身较传统钢制车身减重30%。单车用铝量超过160kg,占车身重量的54%,多材料应用实现轻量化15%。

6 制造工艺方案轻量化
将车身的零部件冲压工艺改为热成型工艺,对通过热成型件的合理位置布置和使用,来达到降低车身开发成本、提升车身碰撞性能,从而提高车身轻量化水平。经统计,不同车型有26 个部位应用了热成型零件,如图7 所示。其中B柱加强板有37 款车型应用了热成型,为应用最多的零部件;其次A 柱上加强板、上边梁加强板均有不低于20 款的车型应用了热成型;此外车门防撞梁、前后纵梁等部位也都有所应用。

图7 国内外车型热成型件应用部位统计
工艺的改进,铝合金车门采用门模块或激光拼接内板,铝合金冲压窗框的连接采用激光熔焊技术,其他部位采用铆接、MIG 焊、螺接、包边、铝合金电阻点焊等。

7 结束语
实现整车轻量化主要通过新材料的运用、结构设计和优化等方法进行实践。随着科技的发展进步,不断出现新材料,新工艺,对汽车的轻量化方法就会有新的更新。无论用哪个方法进行,对于结果,要通过仿真分析和实车试验对减重优化方案进行了验证,满足性能要求,才能达到了车身轻量化的目的。
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