汽车轻量化

汽车轻量化1汽车轻量化与节能环保汽车行驶时，汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率、爬坡阻力功率、空气阻力功率和加速度阻力功率。用汽车功率平衡方程式表示：式中，m为汽车质量；Ua为汽车速度；ηT为传动效果；f为滚动阻力系数；g为重力加速度；i为坡度；δ为旋转质量换算系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积。从式中可知，空气阻力主要与车身的形状、迎风面积等有关，并与速度的三次方成正比，但它与整车的总质量无关。而滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与整车质量成正比。所以减轻自身质量，就减轻了整车总质量，从而就正比例地减少了上述3种阻力，也降低了能量消耗。世界铝业协会的报告指出，轿车质量每减少10%，燃油消耗可降低6%~8%。对总质量16~20t的载货汽车，每减重1000kg则可以降低油耗6%~7%。油耗的降低，意味着汽车的排污量的降低。因此，减轻汽车的自重，对于电动汽车而言，是节能的最有效措施之一；而对于燃油汽车来说，是节能环保的最有效措施之一。2轻质新材料的应用与汽车自重下降相对应的轻质材料所占的比例不断上升，高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料和复合材料的应用越加广泛。为了减轻车重，制造商正在限制钢材的使用，尽力寻求适合特定零部件的替代材料，汽车已成了复合材料的混合体。2.1高强度钢车身与底盘轻量化的有效手段是采用具有高碰撞安全性的高强度材料，高强度钢对汽车轻量化的发展起着举足轻重的作用。当钢板厚度分别减小0.05mm、0.10mm和0.15mm时，车身的重量分别减轻6%、12%、18%。采用高强度钢板还可提高汽车车体的抗凹陷性、耐久强度和变形冲击强度。目前全球各国正在尽力开发各种高强度钢板、超高强度钢板，并加快其在汽车轻量化的应用步伐。如荣获国产中高级轿车“节能之王”的马自达睿翼，其高刚性轻量化车身采用了抗拉强度为590Mpa高强度钢板，以及780Mpa、980Mpa和1480Mpa超高强度钢板制成，使该车在国产2.0L、2.5L车型整备质量为最低，综合油耗也是同类车型中最少。2.2铝合金铝合金的比重仅为钢的1/3，与其他材料相比，轻量化效果好、成本较低、耐腐蚀性、可回收利用，被广泛应用于发动机、传动系统、车身和底盘部件。铝合金分为铸件、锻件、板材和轧制件。戴姆勒Maybach和奔驰S级轿车V12发动机采用铝合金缸体后，缸体重量仅38kg。奥迪1.8L涡轮增压汽油机将灰铸铁缸体改成铝镁合金后，发动机整机质量从145kg降为122kg。采用全铝空间框架（ASF）结构的奥迪A8重量比同等车型钢制车身轻50%，其静态扭转刚度提升了60%。汽车工业使用的铝合金每年以6%的速度递增，欧洲制造的轿车平均车重1100kg，其中用铝85kg。预见未来10年，汽车重量中铝合金所占比例将比现在高一倍。2.3镁合金镁合金比重为1.8，比铝还轻1/3，强度和刚性也较好，作为轻量化材料一直备受业界的关注。近年来，镁合金在座椅和仪表板骨架等大部件已进入实用化阶段。在镁合金中添加Ca和稀土元素，提高其耐热性，目前已开始应用在机油盘壳和变速器壳体上。除镁合金铸造工业外，锻造、挤压、轧制和焊接新工艺也处在研发中，研究成果将展出不穷。2.4工程塑料塑料具有密度小、成型性好，耐腐蚀、防振、隔音隔热等特性，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。近年来，其在汽车中用量迅速上升。工程塑料的应用已从汽车外饰件、内饰件扩展到包括发动机和底盘在内的结构件，仪表、电子电气和冷却系统，以及车身覆盖件等诸多零部件，并形成五大类，品种已超过1000个汽车材料体系。工程塑料的用量已成为衡量现代工业发展的重要标志之一。发达国家每辆汽车的工程塑料用量已达300kg（占整车质量为20%）。随着汽车轻量化技术的发展，预计到2030年，将达500kg。丰田的1ZZ-FE发动机，经极为严格的轻量化设计，包括采用塑料进气歧管等各种轻量化零件，发动机仅重96kg，丰田称它为全球同排量发动机中最轻一款。2.5复合材料由于汽车轻量化对节能减排的卓越贡献，由此引发了各种轻量化材料的开发和应用的推陈出新。其中树脂基复合材料和碳素纤维增强复合材料的应用已成研发热点。2.6树脂基复合材料树脂基复合材料具有投资成本低、设计自由度大、轻质高强度、耐腐蚀等特点。特别在小批量生产的车型领域已成为欧美汽车产商开发新车型的首选材料。目前，树脂基复合材料作为汽车车身的覆盖件在设计和制造工艺等方面均已成熟，并已向内饰件、结构件方向发展。2.7碳素纤维复合材料碳素纤维复合材料（CFRP——CarbonFibreReinforcedPlastics）作为21世纪的新材料，因其高强度、高弹性模量和低比重性能，适用于制造车身、底盘等主要结构件的轻质材料。用CFRP制造的车身和底盘可减重40-60%，相当于钢结构重量1/3-1/6。当前，由于CFRP成本过高，仅在F1赛车、高级轿车和小批量车型上有所应用。如丰田1/X混合动力车车身骨架采用了CFRP，保险杠、前后挡泥板、散热器支架以及燃油箱均采用树脂材料，使车重降为700kg，创2.7L/100km超低油耗纪录。CFRP还因其环保、耐磨等特点也应用于制动盘上，如法拉利F430装备的碳纤维陶瓷制动盘。英国Kahm公司使用CFRP制造RX-X高级轿车专用车轮，仅重6kg。德国车轮制造专家WheelandMore推出的碳纤维车轮系列，比同尺寸的铝车轮还轻30%。马自达RX-8传动轴也采用碳纤维材料制成，既保证了强度，也降低了重量。3结构轻量化车身结构轻量化也就是结构优化设计，即通过采用先进的优化设计方法和技术手段，在满足车身强度、刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命、NVH（振动噪声）、车身结构可制造性、生产成本等诸多方面的性能要求，以及相关的法律、法规、标准的前提下，通过优化车身结构参数，提高材料的利用率，去除零部件冗余部分，同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量，实现轻量化。上汽通用五菱与湖南大学联合自主研发的全新“五菱之光”系列微型客车，利用先进的有限元分析，在不降低整车刚度、强度、模态、碰撞、NVH等多项性能指标的前提下，通过更改零件厚度和零件结构来实现轻量化结构优化设计，共减重16.71kg，节约成本，降低油耗。汽车结构的轻量化设计与优化主要包括：（1）通过CAD来优化设计汽车结构，减少车身重量和钢板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及复合化达到轻量化目的，采用CAE技术计算汽车强度和刚度，确保减重整车的性能。（2）开发设计车体和部件更趋合理化的中空型结构。主要途径就是在结构上采用“以空代实”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构取代实心结构，同时优化结构布局，使之更加紧凑，这样既可以减轻重量，节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。（3）在轻量化与材料特性、工艺性、生产批量、成本及其它制约因素中找到一个最佳的结合点，实现多材料组合的轻量化结构，强调合适的材料用于合适的部位，藉以CAD／CAE计算机辅助技术，使结构轻量化设计与优化融入开发前期，缩短开发周期，降低成本，确保了汽车轻量化的效率和质量。3.1轻量化先进成型技术3.1.1高强度钢板先进成型制造技术目前高强度钢板主要的先进成型制造技术包括热冲压成型、液压成型、激光拼焊成型，管材内高压成型等。热成型技术广泛应用于国外汽车上的各类强度高达1,500MPa的汽车前后保险杠、保安件和碰撞件的加强件，为汽车轻量化和提高安全性做出了突出贡献。根据有关资料记载，德国大众汽车公司在其开发的PassatB6车型中就对大部分车身零件采用了热冲压成形技术，其典型应用为侧边防撞杆，前后保险杠防撞梁，横梁和边梁，A、B、C柱增强件和腰部导轨增强件等。近年来国内新开发的轿车中热成形钢也有不同程度的应用，单车应用热成形零件最多达到十余件，已基本达到国际先进水平。例如奇瑞公司新开发的热冲压成形零件有B柱加强板、前保险杠横梁、A柱加强管、车门防撞梁等，使整车安全性得到显著提高。但由于热成形零部件应用还存在成本的问题，因此在低端经济型轿车上应用还存在一定的困难。3.1.2铝、镁合金等轻金属材料先进成型制造技术铝、镁合金等轻金属材料先进成型制造技术主要有半固态成形、高真空压铸、等温挤压、等温锻造等，每种成型制造技术都通过计算机仿真设计极大地改善轻合金的精确高效成形性能，可实现高精度、高效率的精确成形制造，获得预期的材料组织性能与成形质量。4汽车轻量化的技术路径汽车轻量化技术的实施首先是设定工程目标：汽车的最小质量、汽车的轴荷分布以及动态和静态刚度，声学特性和舒适性，被动安全性和满足法规目标，使用寿命和寿命周期等。基于这些目标，在实施轻量化工程中，具体采用以下措施：（1）对部件的优化设计主要包括最优的路径，均匀化的结构和优化的几何形状。（2）在制造工艺方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液压成形、轻量化的铸件，先进的点焊和激光拼焊等连接技术，以及铝合金板材的自铆技术和翻边连接技术，热成形与液压成形技术以及滚压成形技术；解决高强度零件的成形，减少零件数量，减少结构的焊点，提高零件的性能。（3）在材料技术方面，采用高强度钢和先进高强度钢、铝合金与镁合金、不同材料的复合应用技术、纤维增强复合材料的应用等，最终达到开发时间最短、成本最低和白车身性价比最佳化的目标。在轻量化工程实施时，计算机模拟是优化设计的有效手段，可用于几何形状、加载路径的优化预测成形性和疲劳寿命，从而减少试制时间和缩减实验次数；并可对被动安全性、撞击时的载荷路径和变形进行模拟，从而可以优化选材和制造工艺以及使用先进的成形技术。参考文献：[1]维兵．轻量化是以丧失安全性为代价吗?[J]．汽车与安全．2011年07期23页．[2]林涛．轻量化部件在汽车改装中的应用[J]．汽车零部件．2010年07期45页．[3]杜鹏硕．昨日“轻”车重现[J]．优品;2011年08期13页．[4]轻车行解构汽车轻量化[J]．产品可靠性报告．2011年09期56页．[5]汽车轻量化先进材料纵览[J]．汽车零部件．2010年03期27页．[6]张国锋．环境税来了车身调结构不再形单影只——车身轻量化渐成节能减排又一支点[J]．汽车零部件．2010年02期41页．