新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于汽车轻量化目标的车身材料选择及结构优化策略

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发表于 2020-11-16 11:58:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于汽车轻量化目标的车身材料选择及结构优化策略
王 东,韩夏冰,李 亮
(上汽通用北盛(沈阳)汽车有限公司,沈阳 110000)
摘 要:随着国 VI 排放法规和双积分管理办法等政策的陆续出台,国家对汽车业提出了更为严苛的要求,汽车企业进行技术升级已迫在眉睫。在此背景下,汽车轻量化设计成为未来汽车业的重要发展方向。汽车轻量化是指在保证汽车刚度、强度以及安全性的前提下,尽可能减少整车整备质量,进而提高汽车动力学及续航里程等工作性能,降低燃料消耗及排放,实现低碳可持续发展。
关键词:轻量化;汽车车身;结构优化
0 背景介绍
研究表明汽车每减重10%,油耗可减少6%-8%,汽车整备质量减少100kg,百公里油耗可降低0.3-0.6L,汽车加速性能提高8-10%。针对燃油车,轻量化设计降低燃料消耗的同时还降低了污染物的排放,实现低碳可持续发展。关于新能源汽车,每减重10%,续航能力可增加5%-8%,纯新能源汽车每减重100kg,续航里程可提升10%-11%。因此我们要关注相关研究,可从以下几个方向开展。
1 汽车轻量化设计方向
(1)结构轻量化。目前将 CAD、CAE 等先进的结构优化和设计方法应用于汽车轻量化设计,可以降低成本、缩短设计周期,又可通过对汽车车身、车上零部件模拟仿真计算,使得各零部件的结构在满足使用要求的同时,更轻、更薄、更紧凑。同时,设计理念要更新,在保证汽车产品刚度强度的同时,可采用集成化设计、拓扑设计和等强度设计等方法,例如对发动机曲轴进行中空设计来减轻质量,在其主轴颈与连杆轴颈位置可采用空心结构设计、优化平衡重的数量、曲柄形状等方式达到轻量化设计的目的。此外,可对车上部件进行模块化设计,形成车辆集成技术。例如在增压发动机中,可对发动机缸盖和排气歧管进行集成,不仅可以对排气歧管进行冷却,同时可以减小排气管法兰等联结零件的尺寸,从而减小整机尺寸和质量。据数据显示,采用此设计方法,一台排量为 2L 的增压发动机可减小质量2kg~ 3kg。
(2)材料轻量化。汽车轻量化不仅要求对汽车产品现有结构进行改进,对汽车材料也提出了一定的要求。现阶段发展以高强度钢和先进高强度钢技术为主,目前因其制造技术成熟,成本低廉,已经得到广泛应用,目前国际主流车型的高强度钢占车身的比例已达60%以上,我国车身使用比例平均在50%以上,预计未来可高达60-65%,零件以车身钢板和纵梁为主。2021 年 -2025 年将开发以钢铝合金为主线的轻型材料,同时加大对铝合金技术、镁合金技术、工程塑料技术、碳纤维复合材料技术的研发;铝合金质量轻、耐腐蚀、强度较高、易于加工、表面美观、回收成本低,目前在发达国家广泛应用。2026 年-2030 年重点发展镁合金、工程塑料、碳纤维技术在汽车上的应用及其循环利用。镁合金具有很高的比强度和比钢度、吸振能力强、切削性性能好;复合材料密度小、设计灵活美观、易成型,可用在发动机罩、车顶、保险杠、仪表盘等内外饰及制动钳、传动轴、壳体等零件上。工程塑料是一类可以作为结构材料,在较宽的温度范围内承受机械应力,在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料,主要包含ABS、尼龙、聚碳酸酯等,工程塑料的轻量化效果显著,成本较低,在汽车多种零部件中被广泛使用,碳纤维复合材料和玻纤增强复合材料在发展阶段,在今后的一段时间内,研发高强度、轻质材料是汽车轻量化研究领域的一个重要方向。
(3)工艺。工艺方面可采用先进成型工艺,提升零件性能,获取更大的减重空间。目前轻量化工艺有激光拼焊、辊压成形、高强度钢热成形、内高压成形、RTM、中空注塑、低压发泡和局部增强嵌件等。
2 汽车车身轻量化发展趋势
(1)多材料综合优化使用。1)铝合金。铝合金在轴向载荷作用下会产生渐进叠缩稳态变形,比吸能远远高于低碳钢结构。铝合金作为缓冲吸能元件,在碰撞安全性方面有明显的优势,而且应用于车身时,由于质量降低,碰撞时产生的动能减小,所以其在汽车上的应用呈现连续增长趋势。2)镁合金。镁合金的弹性较弱,在同等的受力情况下会发生较大的变形。所以,使用镁合金材料时,要提高镁合金板材的厚度或者重新设计板材结构。3) 碳纤维复合材料。碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、韧性强的特性。碳纤维可用于车顶、保险杠、座椅骨架、仪表板等零部件中,但是由于其成本较高,主要用于结构件和承载零部件,更为发挥其比刚度和比强度高于钢材的特性,一般用于高端车型。4)多孔材料。目前人们制造出各种各样的用于能量吸收的轻质多孔材料,如泡沫材料、蜂窝材料等。蜂窝材料用作吸能材料,具有明显的方向性,用于各种夹芯板和薄壁填充管具有突出的优势。泡沫材料可分为开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料两种。其中,开口材料的抗压性总体优于闭孔材料。开孔材料又可以分为金属材料和非金属材料两种。金属泡沫材料,尤其是泡沫铝,密度小、变形能力大、比吸能好,具有均匀稳定的能量吸收特性曲线,是非常理想的能量吸收材料。但是,泡沫铝含有空隙而且强度较低,在受到拉、压、扭转时容易发生断裂破坏,而且破坏后不容易保持完整,故而一般将泡沫铝作为薄壁管的填充材料。非金属泡沫材料多用作汽车内部装置,作为装饰材料和承重架中间的缓冲物。
(2)成型与连接技术的发展。采用新的生产工艺和连接工艺,如高强度钢辊压成型、镁铝合金精密成型、激光拼焊、铆接、粘接、铝点焊、热融自攻丝和钢铝IW连接等。利用有限元法对现有的车身进行优化设计,利用计算机仿真技术,提升车身的各种性能指标。
3 结语
汽车轻量化不仅可以提升燃油经济性,减少排放,还可改善汽车整车的综合性能。汽车轻量化势在必行也迫在眉睫,这也将进一步促进汽车工业领域的变革。当前一些新兴技术在汽车设计制造中的应用还不够成熟,无论是轻量化结构的设计、轻量化材料的研发,还是先进制造工艺的改进和升级,都将成为今后汽车轻量化设计制造领域的重要研究方向。
参考文献:
[1]韩金龙,韦继红.浅析汽车轻量化技术[J].南方农机,2018,49(23):218.
[2]陈俊.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径研究[J].花炮科技与市场,2018(04):200.
[3]陈虹.汽车车身轻量化研究和创新应用[J].上海汽车,2018(09):38-42+53.


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