关键词：
轻量化（精选十篇）
轻量化 篇1
为了达到降低油耗, 减少环境污染以及节约有限资源的目标, 目前, 正进行两方面的研究, 一是电动汽车等新型能源汽车;二是汽车轻量化。减轻汽车自重是提高汽车的燃油经济性、节约能耗、减少污染的重要措施之一。一般汽车部件质量每减轻1%则可节油1%;运动部件质量每减轻1%则可节油2%。试验表明, 汽车质量每减轻10%, 油耗下降6%~8%, 排放下降4%。国外汽车自身质量同过去10年相比已减轻了20%~26%。预计在未来的10年内, 轿车自身的质量还将继续减轻约20%。另外, 从驾驶方面来讲, 汽车轻量化后加速性提高, 稳定性和噪声、振动方面也均有改善。从安全性考虑, 碰撞时惯性小, 制动距离减小, 另外发生碰撞时, 塑性材料对人的冲击小得多, 所以更加安全。汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。因此, 汽车轻量化成为汽车工业界近期的研究热点之一。
现代汽车轻量化的技术内涵是:采用现代设计方法和有效手段对汽车结构进行优化设计, 或使用新材料、新工艺在确保汽车综合性能指标的前提下, 尽可能减轻汽车产品自重, 以达到减重、节能减排、安全的综合指标。目前, 国内外在汽车轻量化技术上取得了显著的成就, 这主要归功于新材料技术、成形工艺、创新结构的不断发展。首先, 高强度轻质材料的开发与应用, 正在逐步取代传统的钢铁制件;其次, 新的成形工艺, 如液压成形、激光焊接、发泡铝成形技术等的不断涌现使工件结构得到优化, 大大降低了材料消耗;再次, 新兴轻量化结构设计从汽车开发阶段就介入轻量化, 促进汽车向轻量化发展。
2 轿车轻量化技术研究
2.1 新材料技术
目前, 全球中型轿车平均质量约为1 200~1 400 kg, 汽车发达国家力争在2015年将中型轿车整车质量减轻到1 000 kg以下, 新环保材料 (材料本身具有环保性和可回收性) 将扮演愈来愈重要的角色。
与减轻汽车自身质量相对应, 汽车轻量化材料用量逐年增加。新材料的应用是实现汽车轻量化的主要途径之一。目前, 可用来减轻汽车自重的材料有两大类:一类是高强度材料, 如高强度钢和高强度不锈钢;另一类是轻质材料, 如铝合金、镁合金、钛合金、塑料及复合材料等。
(1) 高强度材料
a.高强度钢和超高强度钢
高强度钢按照ULSAB所采用的术语, 将屈服强度为210~550 MPa的钢定义为高强度钢 (HSS) , 屈服强度为550 MPa的钢定义为超高强度钢 (UHSS) , 而先进高强度钢 (AHSS) 的屈服强度介于HSS和UHSS之间的强度范围。高强度钢具有良好的低温韧性、成形性和焊接性。高强度钢在汽车上应用和作用见表1。
表1公式中, Ps为压溃强度, AE为压溃吸能, Pt为压痕抗力, P为微量变形抗力, σw为疲劳强度, σb为抗拉强度, t为板厚, σp为成形构件应变下的流变应力, ED为动负荷设计弹性模量, n为常数。
由表1中各类关系方程可以看出, 除疲劳强度外, 其他各性能均正比于板厚和相应的材料性能n次方的乘积, 因此高强度钢板能够大幅增加构件的变形抗力, 提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。高强度钢板用于汽车零件上, 通过减薄零件来减轻质量。与铝、镁、复合材料等相比, 高强度钢板的制造相对容易, 具有经济性较好的优势。
国外高强度钢在轿车车身上的应用比例逐年增加, 目前大约为50%, 而我国汽车工业计划用3~5年的时间将目前低于20%的比例提高到40%以上。
b.除高强度钢和超高强度钢以外, 结构钢、高强度不锈钢、高强度铸铁和粉末冶金等高强度材料也都是未来发展的选项。
(2) 轻质材料
a.铝及铝合金
铝密度约为钢的1/3, 具有质量轻、加工性能良好、抗腐蚀性好、吸振性强等优点。铝材在汽车上应用见表2。
以铝制件代替钢件后减轻的质量见表3。从表3可得出, 汽车每使用1 kg铝, 可减轻自重2.25 kg, 减重效应高达125%, 在汽车整个使用寿命周期内可减少废气排放20 kg。此外, 铝回收简便, 是除钢铁以外能最大限度回收利用的材料, 几乎90%的汽车用铝可以回收并循环利用。铝具有良好的物理和化学性能, 工业生产中的铸、锻、冲工艺均能适用, 是可采用多种铸造工艺制造零件的少数几种金属材料之一, 最适于应用广泛的压力铸造工艺。但铝合金的成本仍高于钢铁材料。
b.镁及镁合金
镁的密度仅为铝的2/3, 采用镁制造汽车零件的轻量化效果更胜于铝, 它可在铝减重基础上再减轻15%~20%。一是它的质量轻, 是所有结构材料中最轻的金属, 比钢铁轻75%, 比铝轻33%。二是它的比强度高于铝合金和钢, 比刚度接近铝合金和钢, 能够承受一定的负荷, 具有高度的抗冲击性。三是它具有良好的铸造性和尺寸稳定性, 容易加工, 废品率低, 从而降低生产成本。四是它具有良好的阻尼系数, 减振量大于铝合金和铸铁。用于壳体可以降低噪声;用于座椅、轮圈可以减少振动, 提高汽车的安全性和舒适性。五是100%的可循环利用的原料资源。镁合金材料在汽车上得到了广泛的应用, 涉及到的各种汽车零部件见图1, 其成本偏高于铝合金。
kg
c.钛及钛合金
钛具有密度小 (4.5 g/cm3) 、强度高 (1 500 MPa) 、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优良的特性, 在汽车的动力部分得到广泛的应用。世界几大汽车生产厂家都在一些车型中使用钛材。据专家介绍, 钛合金主要应用在汽车排气系统、发动机系统、传动与减振部分, 用于减振缓冲器、从动轴、驱动齿轮配件和传动连杆等部分。受环保、能源的影响, 汽车轻量化的需求越来越高, 钛材在汽车上的应用也越来越受到关注, 但因其价格高而主要用于赛车上。
d.塑料及复合材料
塑料及其复合材料是另一类重要的非金属车用轻质材料, 它不仅可减轻零部件约40%的质量, 而且还可使采购成本降低40%左右。近年来塑料在汽车中的用量迅速上升。据统计, 世界汽车平均每车用塑料量在2000年就已达105 kg, 约占汽车总质量的8%~12%。塑料在轿车中的用量较高, 如奥迪A2型轿车的塑料件总质量已达220 kg, 占总用材的24.6%。发达国家车用塑料现已占塑料总消耗量的7%~11%, 预计不久将达到10%~11%。
目前, 车用塑料居前7位的品种与所占比例大体见表4。
国外汽车的内饰件已基本实现塑料化, 如今塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身结构件扩展, 今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料, 并对材料的可回收性予以高度关注。从品种上看, 聚烯烃材料因密度小、性能较好且成本低, 近来有把汽车内饰和外装材料统一到聚烯烃材料的趋势, 因此其用量会有较大的增长, 预计聚丙烯和聚氯乙烯今后分别可保持8%和4%的年增长率, 聚乙烯的增长势头也比较强劲。
e.其他材料
轻质材料除了比较常见的以上材料以外, 精细陶瓷、金属基复合材料、非金属基复合材料等都是未来发展的选项。
2.2 轻量化工艺技术
锻造、铸造、冲压、焊接、热处理等成形工艺是汽车的制造基础和核心技术, 需要不断发展与创新。此外, 新的成形工艺可实现零件及车身部件结构的简化和轻型化, 节约生产材料、提高工艺性能, 如剪裁毛坯、液压成形、零件轧制、发泡铝成形、激光焊接等, 因此还需要加强新轻量化成形工艺研究和应用。所谓工艺轻量化设计, 是指在满足正常工作各项要求, 特别是安全性的前提下, 设计质量最轻的工艺。
(1) 轻量化成形工艺
采用轻结构设计与创新制造工艺是相辅相成的, 主要通过自主开发与轻量化结构相适应的成形工艺与模具技术, 还有汽车用高强度钢、铝合金、镁合金、塑料等先进加工工艺。
目前的轻量化成形工艺技术, 在金属材料方面, 剪裁拼接、激光拼焊板、液压成形、发泡铝成形、涂装、零件轧制、半固态金属加工、喷射成形等新技术将推动汽车轻量化发展;在塑料和复合材料方面, 推广塑料/金属复合材料、低压反映注射成型、气体辅助注射成型等技术以满足汽车轻量化。其中, 液压成形及泡沫铝工艺在汽车轻量化中越来越得到广泛应用。
a.管件液压成形技术是用来制造空心轻体构件的制造技术, 工艺过程见图2。金属件主要采用液压成形中的内高压成形技术, 见图3。内高压成形件具有质量轻、刚度好等优点。而且碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金及镍合金等都可用该技术成形, 原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。液压成形通过简化模具, 减少零件数, 一次成形中空复杂零件来促进汽车零部件轻量化。
目前, 应用液压成形的汽车零件大体为以下几类:发动机系统零件, 如进气歧管、齿轮轴等;车身结构件, 如侧门横梁等;其他类, 如散热器支架等。
b.发泡铝成形技术见图4。
发泡铝是空气与铝复合而成的材料, 它是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料, 分为胞状铝 (闭孔泡沫铝) 和多孔铝 (通孔泡沫铝) 两类, 目前主要用于保险杠、纵梁、支柱等部件上。
(2) 结构件优化连接工艺
连接技术对汽车轻量化的发展有重要意义, 如粘接、铆接、翻边搭接、钎焊、螺纹连接等, 这些工艺对轻量化设计的意义见表5。
2.3 轻量化结构技术
(1) 采用最优化技术、模块化技术、细节化技术等设计方法对汽车结构进行优化设计, 即改进汽车结构, 减少零件数量, 使部件薄壁化、中空化、小形化、复合化, 对内饰、发动机及汽车底盘等所有汽车零部件进行结构改进。如车身结构的轻量化设计可以分为2种方法。a.在概念设计阶段将轻量化的思想融入到车身结构设计中, 设计出全新的轻量化车身。b.对现有车型进行轻量化改型设计。车身结构设计需要满足车身刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命和NVH (振动噪声) 特性等诸多方面的性能要求和相关的法律、法规及标准, 进行轻量化设计也要满足上述性能的要求。而且, 对于车身结构设计, 车身结构的可制造性和生产成本也是不可忽视的重要因素, 尤其是对现有车辆的轻量化改型设计更重要。因此, 车身结构的轻量化设计就是应用优化设
计的方法, 减少零部件数量以及创造新的结构, 在保证车身结构性能要求的前提下, 提高材料的利用率, 减少冗余的材料, 从而达到车身结构轻量化的目的。
(2) 开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术及相关的模块化设计、制造技术, 使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能、环保。研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案, 常用和典型模块的参数化设计等, 建立模块化设计知识库和专家系统。
(3) 以计算机辅助工程 (CAE) 方法作为获取知识的手段, 建立轻量化汽车零部件性能数据库及成形工艺咨询库;建立常用车型材料在成形前、后及不同使用时间的参数库;建立吸能部件优化设计专家系统, 开发新一代汽车CAE软件系统。通过建立这些数据库和专家库, 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。
3 轿车轻量化技术应用案例
3.1 国内某A企业的车型a
近年来, “A企业”重点开展了汽车轻量化专项研究, 从应用轻质新材料、采用新工艺和实施结构轻量化三方面着手, 并结合材料的高性能、易成形、可回收等要求, 已经把一些轻量化技术运用到新车型的开发中, 主要表现在系列新车型上已经开始运用高强度钢板、激光拼焊技术, 并在底盘、动力系统开始运用镁、铝合金;该车型大量运用高张力钢板、大量采用铝合金部件 (比如轮圈、变速器构件等) 等, 使得该“车型a”的整车质量 (1 040kg) 在同级车中达到最优, 实现了汽车减重10%~14%的初期目标, 2008年“企业A”汽车轻量化达到13%16%。
3.2 国内某B企业的概念车b
“B企业”依据国家科技部下发的863计划, 将车身减重这一技术成功地应用在新概念轿车“概念车b”上。“B企业”系统地将轻量化设计运用于“概念车b”的车身、发动机、悬架等各个领域, 实现了车身质量大幅减轻, 在保证整车高性能、舒适性和安全性的前提下, 达到显著降低油耗的目的。“概念车b”的车身采用承载式结构、紧凑型设计, 保证所有的钢梁都能够承重, 并采用铝合金、复合材料等新型材料, 在提高车身强度的同时大大减轻了车身的质量。另外, 某型号发动机气缸体为铝合金材质整体框架结构, 在减轻自身质量的同时, 又提高了冷却效率, 使之耐用、寿命长。在突出自重轻、低噪声, 低转速、高扭矩特性的同时保证了燃油的经济性。经过整车轻量化处理后, “概念车b”实际车重减轻了近百公斤。
3.3 国外某C企业的车型c
国外“C企业”于1 9 9 3年开始研制的“车型c”采用了铝质车架ASF (Aluminum Space Frame) 技术, 减轻车身质量15%, 油耗随之降低5%~8%, 大大改善了加速性和燃油消耗, 被评为1998年度“最豪华的车型”。1999年推出“车型c”的升级版, 整车铝外壳, 从前顶柱到行李箱边, 包括车把手都是铝冲压成形。整车质量比传统钢制车身减轻40%以上, 仅有895 kg。油耗降低3 L, CW (阻力系数) 值创纪录达到0.25。
4 讨论
4.1 新材料技术可行性、经济性和回收性
由于人们对安全性和舒适性要求的提高, 国家可持续发展政策出台, 汽车自重不断增加, 资源消耗严重, 油耗和污染亦随之增加。为降低油耗减轻污染, 节约资源, 推行可持续发展, 汽车轻量化势在必行。
据统计, 汽车高强度钢和轻质材料减重效果及经济性见表6。
目前, 高强度钢和超高强度钢在汽车制造中比例不断增大, 促进了汽车轻量化。由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越性, 其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。高强度钢和超高强度钢应用在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上, 将会成为未来材料的中坚力量, 因此高强度钢是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之一。
铝合金材料具有优良加工性能, 减重效果明显, 回收利用简便, 加之我国铝资源相对丰富, 是仅次于钢铁的结构材料, 铝将是汽车轻量化中经济适用和最有竞争力的材料。
镁合金材料在汽车上得到了广泛的应用, 涉及到汽车的各种零部件, 但从成本上看它仍然偏高于铝合金。镁合金是最轻的工程金属材料, 且100%的可循环利用, 镁合金将是本世纪最具开发前景的轻质结构材料。
目前, 钛合金连杆、弹簧、悬架弹簧、气门弹簧、气门等在汽车上已成功应用。疲劳寿命比一般钢车架高出5倍, 质量要略重于铝合金, 是制造车架的最佳材料。由于成本比较高, 目前钛主要应用在赛车上。
现代汽车的材料约10%以上由塑料构成, 塑料在汽车中的应用范围正在由汽车内部装饰扩展到汽车外部结构。除聚烯烃材料近来在汽车领域的应用量大增外, 聚氨酯、增强复合材料等在汽车行业的运用也日益增加, “以塑代钢”为塑料工业提供了更加广阔的发展前景。
目前, 由于轻质材料的价格成本普遍明显高于传统车用钢铁材料, 故如何降低轻质材料在汽车零部件应用中的综合成本, 将成为汽车轻量化技术发展的另一研究方向。
4.2 轻量化工艺可行性
液压成形, 特别是内高压成形技术, 简化了模具, 缩短产品周期, 而且能制造出其他工艺无法实现的复杂结构, 对提高汽车性能、减少零件数量和汽车轻量化有着十分重要的意义, 已获得广泛应用。
新的成形工艺以及和新型材料的结合, 如发泡铝、成形轧制、激光加工等技术在汽车轻量化中发挥着重要的作用, 但尚有成本高、工艺复杂等问题, 需尽快解决。
4.3 轻量化结构可行性
结构优化可从源头上促进轻量化。开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术, 研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案, 常用和典型模块的参数化设计等, 建立模块化设计知识库和专家系统, 能促进汽车从制造到使用的各个环节都真正实现轻量化、节能、环保。
4.4 轻量化技术安全性
首先, 汽车轻量化技术研究在保持汽车原有的性能不受影响的前提下, 既要有目标地减轻汽车自身的质量, 又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性。其次, 汽车轻量化后, 碰撞时惯性小, 制动距离减小, 另外发生碰撞时塑性材料对人的冲击小, 所以更加安全。再次, 汽车轻量化后, 车辆行驶时会因底盘质量减轻而减少颠簸, 整个车身会更加稳定, 而轻量化材料对冲撞能量的吸收, 又可以有效提高碰撞安全性。
5 结论与展望
综上所述, 汽车轻量化主要有3种途径如下。
(1) 对汽车车身、底盘、发动机等零部件进行结构优化, 在结构设计上主要采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法。
(2) 在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化。在替代材料方面, 可使用铝、镁合金等有色金属材料, 塑料聚合物材料, 陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料;或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢。
(3) 采用先进的制造工艺, 使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材, 如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。
轻量化 篇2
AT&M记者:谈谈您对电动汽车轻量化问题的 看法。
陈一龙:电动汽车作为未来汽车的发展方向,受 到各国政府的高度重视,我国政府亦将其纳入战略新 兴产业,发布了鼓励电动汽车产销的政策,并作出产 业化的规划,这无疑是汽车工业发展的大好机遇。然 而,产业化的电动汽车与轻量化的关系问题却一直没 有受到各方面的足够重视,值得认真探讨。
2011年第4期《中国汽车参考》刊登了 “德国 国家电动汽车平台报告” ,介绍了德国国家电动汽 车平台灯塔项目的内容。显然,德国把电动汽车的轻 量化列为实现产业化的关键技术之一。2011年的奥 迪A3e-tron纯电动汽车自重1 592 kg,只比125 kW的奥迪A3sportback2.0 TDI quattrro 略重,在达到这 种轻量化水平下,仍在轻量化上投入大量资金作为单 列重大项目进行研究与开发,值得深思。据“报告” 所说,轻型车身立项原因很简单,就是要平衡电池引 起的质量增加。其作用定位是,使德国电动汽车和 国际竞争对手在技术上平起平坐,更可能使德国在电 动汽车技术上获得领先优势。这句“和国际竞争对手 在技术上平起平坐”是我们必须考虑的。解析一下就 是,没有一定轻量化水平的电动汽车是没有市场竞争 力的,是不可能实现产业化的,只能做示范用。在这种认识下,我们看一看国内电动汽车的质量 控制情况。目前国内自主品牌电动汽车的质量变化, 与同类对标燃油汽车相比,增重均在30%以上;而 合资品牌的增重在6%16%,不要与国外“略微增 重”(5%相比,已是大大落后了。如果再考虑碰 撞安全性,国外电动汽车均达到欧洲NCAP五星碰撞 标准,自主品牌电动汽车能得几个星呢?
由此看出,电动汽车的轻量化问题必须敲起警钟 了。其实张小虞先生2010年就讲过,轻量化问题已 经成了横亘在电动汽车发展过程中的鸿沟和大课题。其含义有三:一是受电池水平影响,电动汽车更需要 轻量化;二是没有相当轻量化水平的电动汽车由于缺 乏竞争力,不可能实现产业化;三是电池、电机、电 控系统的成本居高难下,国家已拿出巨额资金补贴电 动汽车的销售,电动汽车轻量化面临成本控制的巨大 压力。无论如何,电动汽车应当是具有相当轻量化水 本刊记者 纪维萍
平的汽车,而不是单纯靠电池驱动的汽车,它们应当 有轻量化的定位,达不到定位的电动汽车应当暂停开 发和补贴,否则是对资源的浪费(不可能实现产业 化。人们应当知道,汽车轻量化技术是共性基础应 用技术,是各种汽车不可绕开的技术。
总之,电动汽车列为国家战略新兴产业是汽车工 业发展的重大机遇,但实现电动汽车的轻量化又面临 巨大的挑战。因此,电动汽车轻量化技术路线问题理 应受到行业和政府有关部门的高度重视。
AT&M记者:请您预测一下未来汽车车身的主体 材料。
柏建仁:为了说明这一问题,先看一下目前应用 现状及各种材料的优势与劣势。车身轻量化途径包括 车身设计、材料技术与制造技术三个方面。从材料技 术而言,车身应用的材料有钢铁、铝合金、镁合金及 树脂基复合材料。依据车身应用的材料构成,将车身 分类为钢车身、以钢为主多种材料混合车身、铝车身 及复合材料车身。选择材料与相关的制造技术取决于 车的技术目标及成本结构。目前,市场上有多种车身 概念。
钢车身:通过应用更多的高强度钢及先进制造 技术减重,与软钢相比高强度钢一般减重10% 25%。应用高强度钢及先进制造技术,可提高燃油 经济性,提高被动安全性。与其他材料相比,钢的 价格也较低。典型例子为大众汽车的Passat CC , 高强度钢应用比例为 81%,其中超高强度钢应用比 例为29%。
多种材料混合车身:车身材料以钢为主,其次是 铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分 挖掘了各种材料的潜力,如铝保险杠梁改善了低速碰 撞性能,铝发动机罩改善了行人保护性能。典型例子 是大众汽车Bentley Continental GTC ,发动机罩及 门防撞梁用铝合金,行李箱盖外板用热固性复合材料 SMC,行李箱盖内板用镁合金。
铝车身:铝密度小,铝零件与钢件相比减重可 达50%以上。如果对零件简单地以铝代钢,减重可达 40%50% ,比以变强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高,铝车身一般用于高级轿车,目前 新能源汽车应用铝车身也是一种趋势。铝车身包含全 铝车身及以铝为主的车身。典型例子是Audi R8用铝 100%,Audi TT用铝69%。在用铝很多的车身中,也 发挥其他材料改善车身性能的优势。如Audi A8用铝比 例 92% ,部分采用了钢板,如侧面碰撞的关键零件 ——B柱使用钢板。
复合材料车身:以复合材料为主的车身。复合材 料也是轻质材料,减重效果明显。典型例子是丰田汽 车Lexus LFA车型,应用纤维增强复合材料41.3%、SMC13.7%、铝40.4%。
在欧洲车身会议文献中,自2006年至2011年发 布了72个车身,其中有32个钢车身、30个以钢为主 多种材料混合车身、8个铝车身及2个复合材料车身。从上述可见,在相当长的时间里,钢作为车身主 体材料的地位会继续保持;多种材料混合车身是发展 趋势,钢的用量会逐渐减少;高价格车、新能源车车 身应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。
AT&M记者:谈谈您对高强度钢应用现状的看法。柏建仁:从上世纪70年代石油危机开始应用高 强度钢,初始目的是提高燃油经济性。伴随着汽车工 业发展,环保及安全日益重要,高强度钢应用也越 来越多。以日本轿车车身高强度钢板应用比例进展说 明:1980年为8.7%、1992年为23.3%、2000年左右 为40%、2002年达到50%。高强度钢应用进展主要 表现在以下几个方面:车身设计理念变化、应用比例 增加、钢的强度提高、零件制造技术发展。最近几年 国外开发的新车,乘用车车身高强度钢应用比例平均 约为60%,多的达到80%以上。第一代先进高强度 钢应用比
例增加,应用比例高的大约为20%。热成形 钢抗拉强度达到1 500 MPa、1 800 MPa。
2007年,成立轻量化技术创新战略联盟的时 候,对自主品牌车作过调查,高强度钢应用比例平均为25%,AHSS、UHSS应用少。这几年变化很 大,新开发车高强度钢应用比例超过45%,高的达到
60%,AHSS、UHSS 应用比例增加。
建议把轻量化纳入设计规范,同时注重安全性, 应用先进的制造技术。AT&M记者:请您谈谈辊压成形技术的应用现状 与发展。
柏建仁:辊压成形技术是一个很老的技术,说它 老,应用了很多年,但一直是等截面辊压。它又是一 个很新的技术,说它新,最近几年开发了变截面三维 辊压技术。其技术优势:生产成本低、生产效率高、材料利用率高、模具磨损低;即使材料为高强度钢, 成形后零件回弹较小;能成形复杂的截面形状,比普 通弯曲成形有更小的圆角半径;柔性,适合同系列车 型开发(零件只是长度、厚度变化;材料抗拉强度 超过1 200 MPa时,冷成形无能为力。制造的主要零 件有门窗框、保险杠梁、门槛、门防撞梁、顶盖横梁 等。欧洲汽车公司辊压零件与车身质量比约为5%, 预计将来可达到20%。最近几年开发了变截面三维 辊压技术。变截面零件合理设计型材的几何断面,提 高承载能力,减轻零件质量。瑞典ORTIC公司、德国 DATA M公司开发了第三代3D柔性辊压成形设备。一 汽与北方工大合作,正在研制3D柔性辊压生产线。应用的钢种主要为高屈服强度双相钢及马氏体钢。瑞 典SSAB公司开发了辊压成形用钢。
AT&M记者:材料轻量化与结构轻量化都属于汽 车轻量化技术,如何看待二者的辩证关系?
马鸣图:对二者之间的关系,我想还是从轻量化 的途径谈起。汽车轻量化首先从轻量化的概念开始, 然后通过优化设计取得轻量化的效果,再通过合理选 取高强度轻量化的材料取得轻量化的效果。要合理应 用高强度轻量化的材料,就必需应用先进的成形工 艺,从而取得轻量化的效果。因此,汽车轻量化是多 种专业优势的集成,多种材料优势的集成,多种先进 的加工成形工艺优势的集成。正如问题中所说,材料 轻量化和结构轻量化确实都是属于汽车轻量化技术, 二者是紧密相关的,为进行优化的结构轻量化设计, 就必需深刻理解高强度轻量化材料的性能和应用后的 轻量化效果,也就是在轻量化结构设计中,需要有轻 量化材料的数据库进行支撑,这样才能满足轻量化材 料应用时得到预期的轻量化效果。轻量化的结构是一 个零部件的概念,对某些汽车零部件仅依据某些轻量 化材料的性能尚不能完全准确地预测轻量化优化后的 零部件的功能。这里应该强调的一个概念是材料的性 能和零部件的功能既有关联又有不同。从材料到零部 件要经过一系列的加工,这些加工过程中有的可能提 升性能,有的可能降低性能,所以一定要具体分析。例如,采用双相钢DP600做冲压件,这类双相钢屈服 强度比较低,但加工硬化速率很高,应变硬化+烘烤 硬化可使初始屈服强度增加120160 MPa,如以初 始屈服强度来预测零部件的功能,就不能确切表征成 形后零件的真实功能。所以,在用材料性能预测零部 件功能时,一定要了解材料本身的加工特性和加工后 材料性能的变化。
AT&M记者:国内汽车未大量推广应用轧制铝合 金是什么原因?谈谈您的看法。
马鸣图:在变形铝合金中,有挤压铝合金、轧 制铝合金板材。轧制铝合金板材主要用于汽车的冲压 件。用铝合金板材做汽车冲压件,首先是可以减重, 如用铝合金板材代替钢板,可使发动机罩盖总成减重 40%50%;铝合金导热性好,有利于发动机舱的 散热。另外,用铝合金板材制作的发动机罩盖,还有 利于改善碰撞后对行人的伤害,有利于碰撞对行人法 规的实施,但是铝合金板材做汽车冲压件,需要解决 抗时效稳定性、烘烤硬化性、成形性、翻边延性、油 漆的兼容性、抗凹性等相互矛盾性能的合理匹配。AT&M记者:请您谈谈硼钢材料热冲压成形技术 在中国未来汽车业中的应用前景,在乘用车不同级别 车型中的应用零件种类。
马鸣图:热冲压成形技术最早于1970年在瑞典 首先开发成功。其技术的主要目标是把零件做得更 强、更轻。人们对汽车轻量化一直关注的问题是轻量 化能不能保证汽车的安全性。汽车轻量化是多种技术 优势的集成,其中热冲压成形技术就是使汽车零件更
强从而保证汽车的安全性,而又能够同时实现轻量化 的技术。这种技术是将零件加热到900 ℃以上,进行 奥氏体化,然后迅速移到冲压机的模子上进行冲压, 使零件在热状态下进行成形。不仅大大降低了成形 力,而且使复杂的零件能够一次成形。高温改善了板 材的成形性,在冲压成形的同时,在模子中以大于钢 材淬火时冷却速度的冷速进行冷却,从而使零件在保 压状态下进行淬火,得到全板条马氏体组织,极大地 提升了零件的强度。以目前应用广泛的22MnB5钢种 为例,这种钢种通过热成形后得到的汽车安全件其抗 拉强度可以超过1 500 MPa,有效地提升了在汽车轻 量化前提下汽车的安全性,取得了汽车零件轻量化、高强化和碰撞安全性的综合效果,因此热冲压成形是 一种有前景的先进成形工艺。正因如此,自1970年 以来,热冲压成形工艺发展很快,目前全世界已有近150条生产线,中国已投产和在建的也有10多条。热冲压成形零件在乘用车上有广泛的应用,其典 型零件有前、后保险杠,左、右A柱,左、右门B柱, 门内防撞杆,背顶横梁,中通道,左、右门槛等。最近有资料报道,VOLVO一些车型上,热冲压成形零 件用量已超过15%,新设计的车型将近20%;意大利 的Fiat一些车型上热冲压成形零件用量已超过25%;中国一些新开发的车型上特别是合资品牌,也开始应 用热冲压成形零件。目前,中国一些企业家看到这个 商机,对这一技术产生了很大的兴趣,并纷纷投资建 厂,有的设备全套引进。但是在引进中,国外不可能 给我们关键技术,因此还难以发挥引进设备的效益。更由于一些企业未掌握这一核心技术,导致设备的选 型、制作、工艺参量的制定产生诸多失误,投资不能 发挥效益,带来不少损失。从原理上看,热冲压成形 并不神秘,但是确实有诸多的核心技术和企业生产的 专有技术,这些技术不掌握,盲目投资,必然会带来 一些损失。因此,应该采用产、学、研、用的模式, 踏踏实实做些热冲压成形技术相关设备 的研发和技术 的开发,以形成我国具有自主知识产权的热冲压成形 设备生产线和专用技术,不要一哄而起,否则要么会 出现盲目引进,要么会给企业带来投资损失。目前, 该项目已经获得科技部的支持。中汽院、东北大学、华中科技大学、湖北永吉吉集团在科技部项目的支持 下,集成各方已有的热冲压成形技术方面的优势和研 发成果,打造中国一流的具有自主知识产权的热冲压 成形生产线,并形成完整的热冲压成形专有技术。AT&M记者:请您预测一下硼钢板材热冲压技术 中加热工艺的发展趋势。
马鸣图:目前,热冲压成形的加热工艺主要是采 用辊道式的连续炉。这类炉子的优点是自动化连续生 产,但是能耗大,辊子寿命有问题,更换辊子困难,使 用中有时也会出现一些质量事故,造价高。因此,最近已经出现模块化的多层箱式炉。这类炉子具有节能环保 的特点,但是对自动化的送料和总线控制系统要求比较 高,相对辊道炉炉门开闭次数也较多,影响炉内气氛和 保护气氛的用量。国外也有报道直接采用通电加热的方 式,由于热冲压成形零件的复杂性,这种加热方式难以 保证零件温度的均匀性,目前实施有相当大的难度。中 汽院和华中科技大学也在联合开发有关新的节能的加热 方式,一要保证加热效果,二要保证合理的节能,三要 保证炉子加热元件的使用寿命和可靠性、稳定性,因此 这方面还有大量的工作要做。另外,加热工艺与热冲压 成形的板材表面质量有关系,有镀层和无镀层板的加热 方式都会有些区别。因此,要保证我国热冲压成形技术 健康稳定发展,开发有镀层的热冲压成形用钢也是极为 重要的一个方面。
AT&M记者:请您谈一下铝合金板材成形技术的 发展趋势。
马鸣图:铝合金汽车板冲压成形技术是在铝合 金板材性能保证要求的前提下提出的。这里我应该强 调,汽车用各类钢板,包括高成形性板、一般高强度 钢板、第一代先进高强度钢板、第二代先进高强度 钢板、第三代先进高强度钢板都是钢铁企业的顶级 产品,它代表了钢铁技术的发展水平。而铝合金汽车 板,由于其性能的特殊性,比如它的总伸长率只有同 等强度钢板总伸长率的一半,因此其冲压工艺和成形
工艺、冲压过程中的各种参量和钢铁材料有一定的不 同,这也是铝合金汽车板冲压工艺和冲压模具设计制 造的专用技术。总体来说,铝合金汽车板的冲压成形 性要比钢板差一些。正因如此,为了改进铝合金汽车 板的冲压成形性,最近开发了一系列的专有技术。目 前,以下3个方面的成形技术研究较多。
热力液压成形技术:成形温度增加到170 ℃时, 拉深高度只从35 mm增加到38 mm;而当增加到250 ℃时,拉深高度可增加到60 mm。目前,世界众多著 名汽车制造商都在采用此技术。丰田公司所使用的板 材液压成形机的成形力达40 000 kN,能成形平面尺 寸为1 300 mm× 950 mm, 重达7 kg。
超塑性成形技术:美国摩根汽车生产的Aero 8的 铝制外覆盖件采用了超塑成形与手工成形的结合。在 福特公司生产的Ford GT全铝结构车上,几乎所有的 覆盖件都是用超塑性成形技术来生产的。
电磁复合冲压成形技术:电磁复合冲压成形的 冲裁时间只需10-210-4s;在传统冲压模具和润 滑条件下铝合金板材的成形高度为4.4 cm,在相同 的成形设备安装电磁成形线圈后,利用5.4 kJ 的能量 进行电磁成形,一次成形周期可控制在5 s以内,铝 合金板最高成形高度可达6.4 cm,结果铝合金板成形 极限提高了近47%。
AT&M记者:请您谈谈管类零件成形技术的发展 趋势。
苑世剑:空心轻量化构件的传统制造技术是先冲 压成形多个半片再焊接成整体,为减少变形,一般只 能进行点焊,截面不是封闭的,构件的可靠性较差。近20年来,在突破了超高压动密封和计算机闭环伺服 控制技术后,管材内高压成形技术逐步发展起来,并 迅速成为空心轻量化构件的主流制造技术。其基本原 理是以管材作坯料,通过向管材内部施加高压液体和 轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为复杂空心 构件。内高压成形件以空心替代实心、以变截面取代 等截面、以封闭截面取代焊接截面,比传统的冲压焊 接空心构件再减轻15%30%,并且由于构件的整 体化,大
幅提高刚度和疲劳强度,是轻量化结构制造 技术的实质性进步。欧美国家新型轿车大量采用内高 压成形构件,年产达到5 000万件,但是对我国实行 技术封锁和设备垄断。
为了提升我国自主品牌轿车的核心竞争力,哈尔 滨工业大学从1999年开始,在国内率先开展了内高 压成形理论、工艺、模具和装备的系统研究,并在汽 车行业取得大批量应用,多种产品用于航空航天重要 型号研制和批量生产,成为世界三大研发基地之一, 于2010年获得国家科技进步二等奖。2011年,哈尔 滨工业大学与一汽轿车股份有限公司等单位合作,在 汽车轻量化技术创新战略联盟支持下,承担了国家科 技支撑计划项目,进一步开展了内高压成形全过程仿 真技术研究、多孔同步液压冲孔技术研究和典型产品 内高压成形模具和工艺规范研究工作。通过解决各项 产品的内高压成形全过程工艺仿真技术、数控弯曲-预成形-内高压成形全套工艺技术,以及模具结构优 化与变形分析、形状尺寸精度控制、多点液压冲孔等 技术,为一汽轿车、北汽集团、长城汽车等企业自主 品牌轿车开发了20余种零件的内高压成形工艺和批量 生产模具,包括底盘关键构件副车架和扭力梁、车身 前支梁和排气系统管件等。目前,制约我国内高压成 形技术发展的重要因素是我国车企的内高压成形件设 计能力薄弱和内高压成形专用管材供应体系不完善, 哈尔滨工业大学开展了内高压成形零件设计规范研 究,开发了管材内高压成形性能直接测试设备,从汽 车内高压成形构件设计源头出发,到内高压成形件批 量生产,为国内汽车企业提供完整的解决方案。AT&M记者:请您谈谈汽车结构件中实心零件空 心化的发展趋势。
刘钢:石油紧缺、环境污染和气候变暖是人类 生存与发展面临的三大难题,大量石油被汽车等运输 工具消耗,所排放的废气更是空气污染和气候变暖的 主要因素。结构轻量化是运输工具节约燃料、减少废 气排放和提高安全可靠性的主要手段之一。轿车减重 10%,油耗降低6%8%;载货车减重会提高载货
AT & M A T & M I N T E 量；质量轻，惯性力小，利于提高汽车碰撞安全性。结构轻量化有两个主要途径：一是材料减重，也 就是采用低密度轻质材料；二是结构减重，主要是采 用空心变截面结构，进一步减重可在空心基础上采用 变厚度壳体和整体结构。因轻质材料成本往往较高，而力学性能往往较低，就金属材料来说，结构减重的 代价更小，范围更广，因此也更为重要。对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面 构件，既可减轻质量又可充分利用材料强度。例如，采用内外径之比为0.85的空心轴代替实心轴，在抗扭 能力不变的前提下，质量可以减轻近50％。所以，国 内外汽车制造业均大量采用空心构件取代实心构件，不但实现结构的轻量化，而且节省材料、降低成本。AT&M记者：您认为怎样评价汽车车身轻量化水平最合适？ 王登峰：首先，介绍车身轻量化系数和轻量化评 价方法。汽车轻量化是汽车节能、减排、降耗的有效途径 之一，符合国家汽车产业中长期发展规划。汽车车身分为内外饰车身和白车身。带有内外饰 的全装备车身质量约为整车质量的2/3左右，而白车 身质量接近整车质量的1/3，该比例会随着不同类型 和级别的乘用车而有所不同，但差异不大。因此，车 身的轻量化对汽车轻量化意义重大。按照国家标准GB/T 4780—2000《汽车车身术 语》中的定义，白车身是由车身本体、开启件及其他 可拆卸结构件组成的总成，不含门窗和风挡玻璃，其 中车身本体定义为结构件和覆盖件焊接或铆接后不可 拆卸的总成。欧洲关于白车身的定义通常不包括四门 两盖等开启件和其他可拆卸结构件，相当于国标中车 身本体的定义。不论白车身的定义如何，其轻量化水平均可用白车身轻量化系数进行评价。该评价指标表 明，白车身的轻量化系数越小，其轻量化水平越高。但在对不同车型白车身轻量化水平进行对比评价时，必须明确白车身是如何进行定义的。按不同定义方法 计算出的白车身轻量化系数差异较大，只有按同一白 访 R 谈 V I E W 车身定义方法计算出的白车身轻量化系数才具有可比 性。目前，国内许多文献上关于白车身轻量化系数的 计算方法比较模糊和混乱。有些文献在计算白车身轻 量化系数时，参考欧洲的定义方法计算白车身的结 构质量，其中不包含四门两盖等开启件和其他可拆卸 结构件以及风挡玻璃，有的包括风挡玻璃。也有按国 标GB/T 4780—2000定义的白车身计算其结构质量，从而导致计算出来的不同车型白车身轻量化系数不具 有可比性。因此，用轻量化系数对
轻量化升级 篇3
马自达MX-5于1989年推出了第一代车型，并于1998年和2005年分别推出了第二代和第三代产品，即将发布的车型为MX-5第四代车型。日前，马自达官方表示，全新一代MX-5将采用与阿尔法·罗密欧相同的全新后驱平台打造，车身采用了轻量化设计，整备质量将控制在1000kg左右。
外观方面，马自达全新一代MX-5依旧采用了家族的“魂动”式设计风格，标志性的大尺寸盾形前格栅，车身的线条非常的流畅，高高隆起的前轮拱力量感十足。经典的硬顶敞篷设计也是MX-5的象征。相比老款车型，新车整体更加犀利和动感。另外，该车配置8幅式熏黑轮毂。车尾方面，整体尾部非常具有层次感，尾灯组采用圆形加三角形搭配的设计方式，并融入了LED光源。后保险杠造型也十分动感，并在两侧采用了更加运动的开口设计，另外，新车采用了单边双出的排气方式。
内饰方面，全新一代马自达MX-5内饰风格也是主打运动，依然是经典的黑红搭配。新车配备一台大尺寸独立式液晶显示屏，整体中控台设计十分简约，处处洋溢着运动气息。动力方面，全新马自达MX-5或将采用1.5L与2.0L搭载创驰蓝天技术的发动机，传动匹配6速手动与6速自动变速器。
轻量化 篇4
AT&M记者:谈谈您对电动汽车轻量化问题的看法。
陈一龙:电动汽车作为未来汽车的发展方向, 受到各国政府的高度重视, 我国政府亦将其纳入战略新兴产业, 发布了鼓励电动汽车产销的政策, 并作出产业化的规划, 这无疑是汽车工业发展的大好机遇。然而, 产业化的电动汽车与轻量化的关系问题却一直没有受到各方面的足够重视, 值得认真探讨。
2011年第4期《中国汽车参考》刊登了“德国国家电动汽车平台报告”, 介绍了德国国家电动汽车平台灯塔项目的内容。显然, 德国把电动汽车的轻量化列为实现产业化的关键技术之一。2011年的奥迪A3e-tron纯电动汽车自重1 592 kg, 只比125 k W的奥迪A3sportback2.0 TDI quattrro略重, 在达到这种轻量化水平下, 仍在轻量化上投入大量资金作为单
本刊记者纪维萍
列重大项目进行研究与开发, 值得深思。据“报告”所说, 轻型车身立项原因很简单, 就是要平衡电池引起的质量增加。其作用定位是, 使德国电动汽车和国际竞争对手在技术上平起平坐, 更可能使德国在电动汽车技术上获得领先优势。这句“和国际竞争对手在技术上平起平坐”是我们必须考虑的。解析一下就是, 没有一定轻量化水平的电动汽车是没有市场竞争力的, 是不可能实现产业化的, 只能做示范用。
在这种认识下, 我们看一看国内电动汽车的质量控制情况。目前国内自主品牌电动汽车的质量变化, 与同类对标燃油汽车相比, 增重均在30%以上;而合资品牌的增重在6%�16%, 不要与国外“略微增重” (5%) 相比, 已是大大落后了。如果再考虑碰撞安全性, 国外电动汽车均达到欧洲NCAP五星碰撞标准, 自主品牌电动汽车能得几个星呢?
由此看出, 电动汽车的轻量化问题必须敲起警钟了。其实张小虞先生2010年就讲过, 轻量化问题已经成了横亘在电动汽车发展过程中的鸿沟和大课题。其含义有三:一是受电池水平影响, 电动汽车更需要轻量化;二是没有相当轻量化水平的电动汽车由于缺乏竞争力, 不可能实现产业化;三是电池、电机、电控系统的成本居高难下, 国家已拿出巨额资金补贴电动汽车的销售, 电动汽车轻量化面临成本控制的巨大压力。无论如何, 电动汽车应当是具有相当轻量化水平的汽车, 而不是单纯靠电池驱动的汽车, 它们应当有轻量化的定位, 达不到定位的电动汽车应当暂停开发和补贴, 否则是对资源的浪费 (不可能实现产业化) 。人们应当知道, 汽车轻量化技术是共性基础应用技术, 是各种汽车不可绕开的技术。
总之, 电动汽车列为国家战略新兴产业是汽车工业发展的重大机遇, 但实现电动汽车的轻量化又面临巨大的挑战。因此, 电动汽车轻量化技术路线问题理应受到行业和政府有关部门的高度重视。
AT&M记者:请您预测一下未来汽车车身的主体材料。
柏建仁:为了说明这一问题, 先看一下目前应用现状及各种材料的优势与劣势。车身轻量化途径包括车身设计、材料技术与制造技术三个方面。从材料技术而言, 车身应用的材料有钢铁、铝合金、镁合金及树脂基复合材料。依据车身应用的材料构成, 将车身分类为钢车身、以钢为主多种材料混合车身、铝车身及复合材料车身。选择材料与相关的制造技术取决于车的技术目标及成本结构。目前, 市场上有多种车身概念。
钢车身:通过应用更多的高强度钢及先进制造技术减重, 与软钢相比高强度钢一般减重10%�25%。应用高强度钢及先进制造技术, 可提高燃油经济性, 提高被动安全性。与其他材料相比, 钢的价格也较低。典型例子为大众汽车的Passat CC, 高强度钢应用比例为81%, 其中超高强度钢应用比例为29%。
多种材料混合车身:车身材料以钢为主, 其次是铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分挖掘了各种材料的潜力, 如铝保险杠梁改善了低速碰撞性能, 铝发动机罩改善了行人保护性能。典型例子是大众汽车Bentley Continental GTC, 发动机罩及门防撞梁用铝合金, 行李箱盖外板用热固性复合材料SMC, 行李箱盖内板用镁合金。
铝车身:铝密度小, 铝零件与钢件相比减重可达50%以上。如果对零件简单地以铝代钢, 减重可达40%�50%, 比以变强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高, 铝车身一般用于高级轿车, 目前新能源汽车应用铝车身也是一种趋势。铝车身包含全铝车身及以铝为主的车身。典型例子是Audi R8用铝100%, Audi TT用铝69%。在用铝很多的车身中, 也发挥其他材料改善车身性能的优势。如Audi A8用铝比例92%, 部分采用了钢板, 如侧面碰撞的关键零件——B柱使用钢板。
复合材料车身:以复合材料为主的车身。复合材料也是轻质材料, 减重效果明显。典型例子是丰田汽车Lexus LFA车型, 应用纤维增强复合材料41.3%、SMC13.7%、铝40.4%。
在欧洲车身会议文献中, 自2006年至2011年发布了72个车身, 其中有32个钢车身、30个以钢为主多种材料混合车身、8个铝车身及2个复合材料车身。
从上述可见, 在相当长的时间里, 钢作为车身主体材料的地位会继续保持;多种材料混合车身是发展趋势, 钢的用量会逐渐减少;高价格车、新能源车车身应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。
AT&M记者:谈谈您对高强度钢应用现状的看法。
柏建仁:从上世纪70年代石油危机开始应用高强度钢, 初始目的是提高燃油经济性。伴随着汽车工业发展, 环保及安全日益重要, 高强度钢应用也越来越多。以日本轿车车身高强度钢板应用比例进展说明:1980年为8.7%、1992年为23.3%、2000年左右为40%、2002年达到50%。高强度钢应用进展主要表现在以下几个方面:车身设计理念变化、应用比例增加、钢的强度提高、零件制造技术发展。最近几年国外开发的新车, 乘用车车身高强度钢应用比例平均约为60%, 多的达到80%以上。第一代先进高强度钢应用比例增加, 应用比例高的大约为20%。热成形钢抗拉强度达到1 500 MPa、1 800 MPa。
2007年, 成立轻量化技术创新战略联盟的时候, 对自主品牌车作过调查, 高强度钢应用比例平均为25%, AHSS、UHSS应用少。这几年变化很大, 新开发车高强度钢应用比例超过45%, 高的达到60%, AHSS、UHSS应用比例增加。
建议把轻量化纳入设计规范, 同时注重安全性, 应用先进的制造技术。
AT&M记者:请您谈谈辊压成形技术的应用现状与发展。
柏建仁:辊压成形技术是一个很老的技术, 说它老, 应用了很多年, 但一直是等截面辊压。它又是一个很新的技术, 说它新, 最近几年开发了变截面三维辊压技术。其技术优势:生产成本低、生产效率高、材料利用率高、模具磨损低;即使材料为高强度钢, 成形后零件回弹较小;能成形复杂的截面形状, 比普通弯曲成形有更小的圆角半径;柔性, 适合同系列车型开发 (零件只是长度、厚度变化) ;材料抗拉强度超过1 200 MPa时, 冷成形无能为力。制造的主要零件有门窗框、保险杠梁、门槛、门防撞梁、顶盖横梁等。欧洲汽车公司辊压零件与车身质量比约为5%, 预计将来可达到20%。最近几年开发了变截面三维辊压技术。变截面零件合理设计型材的几何断面, 提高承载能力, 减轻零件质量。瑞典ORTIC公司、德国DATA M公司开发了第三代3D柔性辊压成形设备。一汽与北方工大合作, 正在研制3D柔性辊压生产线。应用的钢种主要为高屈服强度双相钢及马氏体钢。瑞典SSAB公司开发了辊压成形用钢。
AT&M记者:材料轻量化与结构轻量化都属于汽车轻量化技术, 如何看待二者的辩证关系?
马鸣图:对二者之间的关系, 我想还是从轻量化的途径谈起。汽车轻量化首先从轻量化的概念开始, 然后通过优化设计取得轻量化的效果, 再通过合理选取高强度轻量化的材料取得轻量化的效果。要合理应用高强度轻量化的材料, 就必需应用先进的成形工艺, 从而取得轻量化的效果。因此, 汽车轻量化是多种专业优势的集成, 多种材料优势的集成, 多种先进的加工成形工艺优势的集成。正如问题中所说, 材料轻量化和结构轻量化确实都是属于汽车轻量化技术, 二者是紧密相关的, 为进行优化的结构轻量化设计, 就必需深刻理解高强度轻量化材料的性能和应用后的轻量化效果, 也就是在轻量化结构设计中, 需要有轻量化材料的数据库进行支撑, 这样才能满足轻量化材料应用时得到预期的轻量化效果。轻量化的结构是一个零部件的概念, 对某些汽车零部件仅依据某些轻量化材料的性能尚不能完全准确地预测轻量化优化后的零部件的功能。这里应该强调的一个概念是材料的性能和零部件的功能既有关联又有不同。从材料到零部件要经过一系列的加工, 这些加工过程中有的可能提升性能, 有的可能降低性能, 所以一定要具体分析。例如, 采用双相钢DP600做冲压件, 这类双相钢屈服强度比较低, 但加工硬化速率很高, 应变硬化+烘烤硬化可使初始屈服强度增加120�160 MPa, 如以初始屈服强度来预测零部件的功能, 就不能确切表征成形后零件的真实功能。所以, 在用材料性能预测零部件功能时, 一定要了解材料本身的加工特性和加工后材料性能的变化。
AT&M记者:国内汽车未大量推广应用轧制铝合金是什么原因?谈谈您的看法。
马鸣图:在变形铝合金中, 有挤压铝合金、轧制铝合金板材。轧制铝合金板材主要用于汽车的冲压件。用铝合金板材做汽车冲压件, 首先是可以减重, 如用铝合金板材代替钢板, 可使发动机罩盖总成减重40%�50%;铝合金导热性好, 有利于发动机舱的散热。另外, 用铝合金板材制作的发动机罩盖, 还有利于改善碰撞后对行人的伤害, 有利于碰撞对行人法规的实施, 但是铝合金板材做汽车冲压件, 需要解决抗时效稳定性、烘烤硬化性、成形性、翻边延性、油漆的兼容性、抗凹性等相互矛盾性能的合理匹配。
AT&M记者:请您谈谈硼钢材料热冲压成形技术在中国未来汽车业中的应用前景, 在乘用车不同级别车型中的应用零件种类。
马鸣图:热冲压成形技术最早于1970年在瑞典首先开发成功。其技术的主要目标是把零件做得更强、更轻。人们对汽车轻量化一直关注的问题是轻量化能不能保证汽车的安全性。汽车轻量化是多种技术优势的集成, 其中热冲压成形技术就是使汽车零件更强从而保证汽车的安全性, 而又能够同时实现轻量化的技术。这种技术是将零件加热到900℃以上, 进行奥氏体化, 然后迅速移到冲压机的模子上进行冲压, 使零件在热状态下进行成形。不仅大大降低了成形力, 而且使复杂的零件能够一次成形。高温改善了板材的成形性, 在冲压成形的同时, 在模子中以大于钢材淬火时冷却速度的冷速进行冷却, 从而使零件在保压状态下进行淬火, 得到全板条马氏体组织, 极大地提升了零件的强度。以目前应用广泛的22Mn B5钢种为例, 这种钢种通过热成形后得到的汽车安全件其抗拉强度可以超过1 500 MPa, 有效地提升了在汽车轻量化前提下汽车的安全性, 取得了汽车零件轻量化、高强化和碰撞安全性的综合效果, 因此热冲压成形是一种有前景的先进成形工艺。正因如此, 自1970年以来, 热冲压成形工艺发展很快, 目前全世界已有近150条生产线, 中国已投产和在建的也有10多条。
热冲压成形零件在乘用车上有广泛的应用, 其典型零件有前、后保险杠, 左、右A柱, 左、右门B柱, 门内防撞杆, 背顶横梁, 中通道, 左、右门槛等。最近有资料报道, VOLVO一些车型上, 热冲压成形零件用量已超过15%, 新设计的车型将近20%;意大利的Fiat一些车型上热冲压成形零件用量已超过25%;中国一些新开发的车型上特别是合资品牌, 也开始应用热冲压成形零件。目前, 中国一些企业家看到这个商机, 对这一技术产生了很大的兴趣, 并纷纷投资建厂, 有的设备全套引进。但是在引进中, 国外不可能给我们关键技术, 因此还难以发挥引进设备的效益。更由于一些企业未掌握这一核心技术, 导致设备的选型、制作、工艺参量的制定产生诸多失误, 投资不能发挥效益, 带来不少损失。从原理上看, 热冲压成形并不神秘, 但是确实有诸多的核心技术和企业生产的专有技术, 这些技术不掌握, 盲目投资, 必然会带来一些损失。因此, 应该采用产、学、研、用的模式, 踏踏实实做些热冲压成形技术相关设备的研发和技术的开发, 以形成我国具有自主知识产权的热冲压成形设备生产线和专用技术, 不要一哄而起, 否则要么会出现盲目引进, 要么会给企业带来投资损失。目前, 该项目已经获得科技部的支持。中汽院、东北大学、华中科技大学、湖北永吉吉集团在科技部项目的支持下, 集成各方已有的热冲压成形技术方面的优势和研发成果, 打造中国一流的具有自主知识产权的热冲压成形生产线, 并形成完整的热冲压成形专有技术。
AT&M记者:请您预测一下硼钢板材热冲压技术中加热工艺的发展趋势。
马鸣图:目前, 热冲压成形的加热工艺主要是采用辊道式的连续炉。这类炉子的优点是自动化连续生产, 但是能耗大, 辊子寿命有问题, 更换辊子困难, 使用中有时也会出现一些质量事故, 造价高。因此, 最近已经出现模块化的多层箱式炉。这类炉子具有节能环保的特点, 但是对自动化的送料和总线控制系统要求比较高, 相对辊道炉炉门开闭次数也较多, 影响炉内气氛和保护气氛的用量。国外也有报道直接采用通电加热的方式, 由于热冲压成形零件的复杂性, 这种加热方式难以保证零件温度的均匀性, 目前实施有相当大的难度。中汽院和华中科技大学也在联合开发有关新的节能的加热方式, 一要保证加热效果, 二要保证合理的节能, 三要保证炉子加热元件的使用寿命和可靠性、稳定性, 因此这方面还有大量的工作要做。另外, 加热工艺与热冲压成形的板材表面质量有关系, 有镀层和无镀层板的加热方式都会有些区别。因此, 要保证我国热冲压成形技术健康稳定发展, 开发有镀层的热冲压成形用钢也是极为重要的一个方面。
AT&M记者:请您谈一下铝合金板材成形技术的发展趋势。
马鸣图:铝合金汽车板冲压成形技术是在铝合金板材性能保证要求的前提下提出的。这里我应该强调, 汽车用各类钢板, 包括高成形性板、一般高强度钢板、第一代先进高强度钢板、第二代先进高强度钢板、第三代先进高强度钢板都是钢铁企业的顶级产品, 它代表了钢铁技术的发展水平。而铝合金汽车板, 由于其性能的特殊性, 比如它的总伸长率只有同等强度钢板总伸长率的一半, 因此其冲压工艺和成形工艺、冲压过程中的各种参量和钢铁材料有一定的不同, 这也是铝合金汽车板冲压工艺和冲压模具设计制造的专用技术。总体来说, 铝合金汽车板的冲压成形性要比钢板差一些。正因如此, 为了改进铝合金汽车板的冲压成形性, 最近开发了一系列的专有技术。目前, 以下3个方面的成形技术研究较多。
热力液压成形技术:成形温度增加到170℃时, 拉深高度只从35 mm增加到38 mm;而当增加到250℃时, 拉深高度可增加到60 mm。目前, 世界众多著名汽车制造商都在采用此技术。丰田公司所使用的板材液压成形机的成形力达40 000 k N, 能成形平面尺寸为1 300 mm×950 mm, 重达7 kg。
超塑性成形技术:美国摩根汽车生产的Aero 8的铝制外覆盖件采用了超塑成形与手工成形的结合。在福特公司生产的Ford GT全铝结构车上, 几乎所有的覆盖件都是用超塑性成形技术来生产的。
电磁复合冲压成形技术:电磁复合冲压成形的冲裁时间只需10-2�10-4s;在传统冲压模具和润滑条件下铝合金板材的成形高度为4.4 cm, 在相同的成形设备安装电磁成形线圈后, 利用5.4 k J的能量进行电磁成形, 一次成形周期可控制在5 s以内, 铝合金板最高成形高度可达6.4 cm, 结果铝合金板成形极限提高了近47%。
AT&M记者:请您谈谈管类零件成形技术的发展趋势。
苑世剑:空心轻量化构件的传统制造技术是先冲压成形多个半片再焊接成整体, 为减少变形, 一般只能进行点焊, 截面不是封闭的, 构件的可靠性较差。近20年来, 在突破了超高压动密封和计算机闭环伺服控制技术后, 管材内高压成形技术逐步发展起来, 并迅速成为空心轻量化构件的主流制造技术。其基本原理是以管材作坯料, 通过向管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为复杂空心构件。内高压成形件以空心替代实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面, 比传统的冲压焊接空心构件再减轻15%�30%, 并且由于构件的整体化, 大幅提高刚度和疲劳强度, 是轻量化结构制造技术的实质性进步。欧美国家新型轿车大量采用内高压成形构件, 年产达到5 000万件, 但是对我国实行技术封锁和设备垄断。
为了提升我国自主品牌轿车的核心竞争力, 哈尔滨工业大学从1999年开始, 在国内率先开展了内高压成形理论、工艺、模具和装备的系统研究, 并在汽车行业取得大批量应用, 多种产品用于航空航天重要型号研制和批量生产, 成为世界三大研发基地之一, 于2010年获得国家科技进步二等奖。2011年, 哈尔滨工业大学与一汽轿车股份有限公司等单位合作, 在汽车轻量化技术创新战略联盟支持下, 承担了国家科技支撑计划项目, 进一步开展了内高压成形全过程仿真技术研究、多孔同步液压冲孔技术研究和典型产品内高压成形模具和工艺规范研究工作。通过解决各项产品的内高压成形全过程工艺仿真技术、数控弯曲-预成形-内高压成形全套工艺技术, 以及模具结构优化与变形分析、形状尺寸精度控制、多点液压冲孔等技术, 为一汽轿车、北汽集团、长城汽车等企业自主品牌轿车开发了20余种零件的内高压成形工艺和批量生产模具, 包括底盘关键构件副车架和扭力梁、车身前支梁和排气系统管件等。目前, 制约我国内高压成形技术发展的重要因素是我国车企的内高压成形件设计能力薄弱和内高压成形专用管材供应体系不完善, 哈尔滨工业大学开展了内高压成形零件设计规范研究, 开发了管材内高压成形性能直接测试设备, 从汽车内高压成形构件设计源头出发, 到内高压成形件批量生产, 为国内汽车企业提供完整的解决方案。
AT&M记者:请您谈谈汽车结构件中实心零件空心化的发展趋势。
刘钢:石油紧缺、环境污染和气候变暖是人类生存与发展面临的三大难题, 大量石油被汽车等运输工具消耗, 所排放的废气更是空气污染和气候变暖的主要因素。结构轻量化是运输工具节约燃料、减少废气排放和提高安全可靠性的主要手段之一。轿车减重10%, 油耗降低6%�8%;载货车减重会提高载货量;质量轻, 惯性力小, 利于提高汽车碰撞安全性。
结构轻量化有两个主要途径:一是材料减重, 也就是采用低密度轻质材料;二是结构减重, 主要是采用空心变截面结构, 进一步减重可在空心基础上采用变厚度壳体和整体结构。因轻质材料成本往往较高, 而力学性能往往较低, 就金属材料来说, 结构减重的代价更小, 范围更广, 因此也更为重要。
对于承受弯扭载荷为主的结构, 采用空心变截面构件, 既可减轻质量又可充分利用材料强度。例如, 采用内外径之比为0.85的空心轴代替实心轴, 在抗扭能力不变的前提下, 质量可以减轻近50%。所以, 国内外汽车制造业均大量采用空心构件取代实心构件, 不但实现结构的轻量化, 而且节省材料、降低成本。
AT&M记者:您认为怎样评价汽车车身轻量化水平最合适?
王登峰:首先, 介绍车身轻量化系数和轻量化评价方法。
汽车轻量化是汽车节能、减排、降耗的有效途径之一, 符合国家汽车产业中长期发展规划。
汽车车身分为内外饰车身和白车身。带有内外饰的全装备车身质量约为整车质量的2/3左右, 而白车身质量接近整车质量的1/3, 该比例会随着不同类型和级别的乘用车而有所不同, 但差异不大。因此, 车身的轻量化对汽车轻量化意义重大。
按照国家标准GB/T 4780—2000《汽车车身术语》中的定义, 白车身是由车身本体、开启件及其他可拆卸结构件组成的总成, 不含门窗和风挡玻璃, 其中车身本体定义为结构件和覆盖件焊接或铆接后不可拆卸的总成。欧洲关于白车身的定义通常不包括四门两盖等开启件和其他可拆卸结构件, 相当于国标中车身本体的定义。不论白车身的定义如何, 其轻量化水平均可用白车身轻量化系数进行评价。该评价指标表明, 白车身的轻量化系数越小, 其轻量化水平越高。但在对不同车型白车身轻量化水平进行对比评价时, 必须明确白车身是如何进行定义的。按不同定义方法计算出的白车身轻量化系数差异较大, 只有按同一白车身定义方法计算出的白车身轻量化系数才具有可比性。目前, 国内许多文献上关于白车身轻量化系数的计算方法比较模糊和混乱。有些文献在计算白车身轻量化系数时, 参考欧洲的定义方法计算白车身的结构质量, 其中不包含四门两盖等开启件和其他可拆卸结构件以及风挡玻璃, 有的包括风挡玻璃。也有按国标GB/T 4780—2000定义的白车身计算其结构质量, 从而导致计算出来的不同车型白车身轻量化系数不具有可比性。因此, 用轻量化系数对白车身轻量化水平进行评价时, 首先必须给出明确的白车身定义, 这样才能对不同车型白车身的轻量化水平进行有效对比评价。带有内外饰的全装备车身的轻量化水平也可以参考白车身的轻量化系数来定义车身的轻量化系数, 并对其轻量化水平进行评价, 但白车身的结构质量应改为整个内外饰车身的质量, 白车身静态扭转刚度应改为带有内外饰时车身的静态扭转刚度。
其次, 谈谈影响车身轻量化水平的主要因素。车身的轻量化水平主要受车身结构和内外饰的轻量化优化设计、高强钢和轻质材料的应用和轻量化制造工艺三方面应用程度影响。在控制车身成本的基础上, 只有综合运用高强度钢、轻质合金、塑料和非金属复合材料, 进行结构和材料一体化轻量化优化设计, 才能使合适的材料用在车身合适的位置, 使每部分材料都能发挥出其最大的承载、抗撞、吸能和减振吸声作用。再通过合理选用高强度钢先进成形、激光拼焊、内高压成形、辊压成形、复合材料成形和先进连接技术等轻量化制造工艺, 才能研发出满足强度、刚度、振动噪声、被动安全性和耐久性要求, 轻量化水平高的车身结构。
发动机连杆轻量化设计解析 篇5
0 引 言
连杆是发动机中传递动力的重要零件。它将活塞的往复运动变为区轴的旋转运动并把作用在活塞组上的力传给曲轴。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此在设计连杆时应首先保证其具有足够的疲劳强度和结构刚度。显然为了增加连杆的强度和刚度不能简单地加大结构尺寸因为连杆重量的增加会使惯性力相应增加所以连杆设计的一个重要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的强度和刚度即连杆轻量化设计是最终设计目标。
为了优化设计某发动机连杆减轻连杆重量选用朝柴发动机连杆作为评判的参考样品。分析某连杆发动机连杆现生产方案及其3 种改进设计方案以连杆疲劳安全系数为量的指标从3种改进设计方案中选出满足强度和刚度设计要求的重量最轻的方案为最终优化设计方案。1 有限元模型的建立
1.1 网格划分
发动机连杆是由连杆体连杆盖连杆轴瓦和连杆螺栓等零件组成连杆螺栓以巨大的预紧力5104 N 把连杆体和连杆盖连接在一起连杆轴瓦主要起耐磨作用因此进行有限元分析时不考虑连杆轴瓦和连杆螺栓而代之以连接预紧力作用于连杆体和连杆盖上连杆体和连杆盖接触面考虑接触和摩擦力。由于连杆结构和载荷的对称性。在建模型时仅取其一半结构进行有限元模型化。连杆的有限元模型采用四面体单元。
本文CAE分析前后处理软件为Altair/Hyper Mesh V7.0 分析软件为MSC Nastran 2001 各方案有限元模型规模见表1，有限元分析模型见图1。
图 1 有限元模型和连杆边界条件示意图
1.2 连杆有限元模型受力和约束
连杆总成的往复和旋转惯性力:
活塞组的往复惯性力：
拉伸工况下连杆大头载荷：
拉伸工况下连杆小头载荷：
活塞最大爆发压力载荷：
压缩工况下连杆大头受压力：
压缩工况下连杆小头受压力：
拉伸工况下沿连杆小头方向施加连杆总成的往复和旋转惯性力：
轻量化攀登装备推荐 篇6
羽绒服
The North Face Thunder Jacket
特点：非常轻(380克)，非常暖和，压缩后体积非常小!所有The North Face运动员人手一件的好东西。填充物为800蓬松度的羽绒，面料手感很好，揉成一团后体积极小，但穿上后非常温暖。
保暖外套
The North Face Redpoint Optimus Jacket
特点：轻(600克)，非常保暖，适合于技术攀登，高海拔攀登。这是The North Face外衣设计的一个创新。这件衣服的重量保温比非常出众，在保暖的情况下对攀登者攀登活动影响很小。填料采用轻质Primaloft材料，即使湿透了仍有很好的保温性能，并可以防止填料移位。防水防撕裂面料可以很好防止填充物潮湿。帽子设计非常合适佩戴头盔，保暖性很好，适合用作技术攀登外衣。本次活动我没有带大羽绒服，只是一件内衣加The North Face Thunder羽绒服再加这件衣服，就可以抵挡零下20度和10级风的肆虐。强烈推荐!
登山靴
La Sportiva Batura
特点：轻(1800克)，功能全面(冬季攀登，高海拔攀登，攀冰，混合攀登)，功能性和保暖性的完美结合。由于有六层保暖结构再加上防水雪套，极大地保证了保暖性，即使喜马拉雅极高海拔山峰的攀登都有出色的表现。雪套采用拉锁设计，非常方便：继承了La SportIve Nepal Extreme的突出的技术攀登功能性，并减轻了近500克重量，更轻便，更适合于高难度的技术攀登：本次攀登中，温度达到零下20度左右，大风，但是脚部保暖一直很好，攀登过程脚的感觉非常灵活，很舒服。7000米以下各种类型的攀登，包括冬季攀登，强烈推荐。注意：由于雪套不可拆卸，使用后注意保持雪套和鞋之间的干燥，防止长毛。
睡袋
The North Face Hightail
特点：舒适，轻(910克)，温暖(舒适温度零下10度)，压缩后体积小。这款睡袋属于The North Face飞翔系列，采用850蓬松度羽绒填充，非常轻，睡袋长度1/3的拉锁。这个睡袋我在5200米营地配合搓板垫感觉很不错，当时帐篷内温度低于-15度。在攀登时我们也携带这个睡袋防止意外露营，由于体积小，可以轻松地放进50升攀登背包。注意需要配合不错的睡垫使用，可能的话将羽绒服等垫在身下，可以加强保暖。适合技术攀登使用。
背包
The North Face Prophet 65
特点：容量大，重量轻(1626克)，功能性强。这款背包非常轻，拆掉背负系统的铝架后还可以更轻：容量很大(65升+10升)；面料结实：腰带上有好用的硬塑料装备环，方便挂铁锁，冰锥，岩石装备等；背负系统中有一块可以拆卸的垫子，在紧急露营时可以用作睡垫。这次攀登我们都使用这款背包，容量足够，主要是轻便，减少负重，再加上顶包可拆卸，很方便。
保护器
Black Diamond ATC—Guide
特点：功能全面。可用于下降，保护及多段攀登时保护多个攀登者，非常方便。本次攀登中，实际大量的保护都是用意大利半扣做的，只有在下降的时候用到了ATC-guide。但是这个下降器使用的范围很广，用起来也很方便，推荐使用。
安全带
Black Diamond Alpine Bod
汽车轻量化 篇7
节能减排大环境, 推动汽车进一步轻量化。既保强度又保安全, 对汽车零部件的材料应用、结构设计、生产制造提出更高要求。更轻、更小、更优质, 是我们追求的共同目标。
应用汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。那么, 汽车的轻量化又当如何去落实?本期策划从材料选择、结构设计、制造技术的综合集成应用等方面纵观汽车轻量化技术, 及其对汽车工业发展的现实意义进行了阐述, 敬请关注。
汽车轻量化,谁得?谁失? 篇8
重重标准下的一大出路
欧美发达国家对汽车燃油消耗量和汽车材料及结构的研究取得了显著而成功的成果, 形成了一系列的标准和制度。早在1998年3月, 国际钢协就开始在全球实施UISAB-AVC计划, 从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构 (车身、覆盖件、悬挂系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件) 。世界各大铝业公司同时也结成联盟, 如美国汽车材料合作伙伴 (USAMP) , 影响美国最深的当属“平均燃油率标准” (CAFE) 和“新一代汽车共同开发计划” (PNGV) 。PNGV计划于1993年开始实施, 政府每年投资2亿美元, 主要用于家庭用车的减重。近十几年来, 美国国家标准一直在加码, 不断提升对燃油消耗量的限制标准。
国际标准带来的压力, 让中国政府、企业无不谋求各种节能减排举措。从强制采购清单出台、发展可再生能源、再到新能源的提出, 中国政府可谓在节能减排上下了苦功夫。直至轻量化理念的提出, 让人们看到了一种更实际、效果更快的节能减排方法。早在上世纪70年代, 国外就开始提出轻量化理念并研发该技术。历经三十年发展, 轻量化无论在理念上还是技术上都已得到成功推广和应用。近十年来, 随着中国政府不断出台节能减排政策和法律法规, 规范道路运输和汽车燃料消耗量标准, 汽车生产商和运输商越来越看好轻量化技术, 并视之为企业工业未来发展的一大出路。早在2002年, 东风汽车厂就联合国内宝钢、武钢、攀钢开发轻量化、高强度汽车钢板, 使汽车的体重大大减轻。此后, 有关新材料的研发开始兴起。2008年1月, 中国汽车轻量化技术创新战略联盟成立, 旨在开展汽车轻量化材料应用共性关键技术研究, 攻克和自主掌握轻量化核心关键技术, 提升汽车行业轻量化材料应用水平。按业内人士的说法, 联盟的成立标志着我国汽车业整合行业及上下游产业资源, 进行重点共性技术创新与成果共享的联合舰队正式启航。
商用车厂商的努力与成效
轻量化理念的诞生和技术引进为生产节能减排汽车带来了方向和挑战。汽车制造商很快意识到, 应对低油耗, 走出能源困境, 轻量化是更具现实的节能减排方案, 也将是汽车工业未来的发展趋势。于是, 国内汽车生产厂家纷纷瞄准轻量化汽车市场, 不惜投入重金进行轻量化技术的研发和应用。在商用车制造企业, 轻量化技术显得更为重要, 即使没能像外国企业那样制造大规模全铝车身的轻量化汽车, 但很多厂家生产中已经自我要求“能轻的绝不能重”, 大有将轻量化技术做到极致的势头。
国内众多知名汽车制造商如东风、华菱、福田、金旅等, 纷纷进军商用车轻量化市场。早在2002年, 东风汽车厂就联合国内宝钢、武钢、攀钢开发轻量化、高强度汽车钢板, 使汽车的体重大大减轻。经过十几年的发展, 东风重卡已经在技术上取得了长足发展, 金霸、柳汽、天龙8X4等系列轻量化卡车的推出, 显示了东风抢占这一市场野心。不过, 由于目前的轻量化技术未能解决超载等问题, 东风并无大规模生产轻量化卡车的计划。
知名车企中通客车也开始了轻量化技术探索。相比其他企业对其轻量化汽车大力宣传, 中通在这方面则要低调得多。去年, 在新能源领域开拓甚大的中通客车, 推出了一款全承载技术设计车身。这款中通客车LGK6120GT为12m二级踏板公交车, 空车重心高度1040mm, 车厢内设有37+1坐席, 有9.9m2站立面积, 可站乘79人, 车辆标准容量可达117人。车辆标准实测值为3780kg, 车辆整备质量实测值10768kg。通过对车厢内部空间进行精妙的设计, 增大了载客量, 减轻了车身重量, 达到减少耗油量化的目的。中通的轻量化尝试无疑为人们提供轻量化的另一路径。实现轻量化并非一味寻求可替代钢材的材料, 通过合理的内部设计来减轻自身体重也是一个办法。不仅如此, 铝合金也不是唯一的轻量化材料。山西太钢不锈钢股份有限公司通过将普通钢材改造成高强钢板, 来达到汽车减重的效果。该公司认为, 随着汽车轻量化的进展, 节能、排放和安全法规的日趋严格, 高强度钢的用量将快速增长, 采用AHSS钢板是钢铁应对其它轻质材料挑战的有力措施。
另一个实例, 百路佳, 一个在中国名不见经传的汽车制造商, 却成为在美国、新西兰、中东等国际客车市场耳熟能详的知名品牌。与国内知名车企不同, 自投产之日起, 百路佳就选择走高端、国际路线。去年, 产销客车近千辆, 今年头5个月产销400辆, 仅在澳大利亚就建立了5个售后服务点, 占澳大利亚豪华客车市场32%的份额。凭借对澳大利亚市场需求的熟悉和过硬的技术与售后服务, 百路佳客车占据了澳大利亚市场的大份额。今年, 百路佳出口了3台全铝车身的城市巴士JXK6110到澳大利亚的墨尔本。与以往出口到该国的客车不同, 这三辆全铝车身巴士采用螺栓固定方式, 整车的重量比采用不锈钢架轻约600kg左右。并且, 该车在结构设计了创新。已获得澳大利亚ADR认证的百路佳显然不满足于这一张市场转入证, 力争在环保、新能源等方面做足功夫, 以满足澳洲客车市场对环境、能源等方面的要求。相对于轻量化技术较为成熟的澳大利亚, 百路佳此次出口的全铝车身巴士是一个勇敢尝试, 也为竞逐澳洲轻量化商用车市场特别是公交市场迈出了一步。
轻量化在中国的兴起, 不仅带动商用车轻量化生产领域的发展, 而且为轻量化汽车零部件生产商创造了巨大商机。早在2005年, 陆乃千就已经意识到国内重卡铝合金轮圈市场的空白, 在考察了美国、日本等国外重卡铝合金轮圈市场后, 他大胆引进日本和德国的锻造机等设备, 组建技术团队自主研发技术, 并于2006年初正式成立了浙江宏鑫科技有限公司。目前, 浙江宏鑫是国内第一家重卡铝合金轮圈生产企业。陆乃千总经理介绍, 与普通钢制轮圈相比, 铝合金轮圈重约24kg, 足足轻了一半。同时, 它具有载货量大, 损耗低, 使用寿命长, 耗油量低、散热性好等优势。公司创立之初, 由于国内市场对轻量化技术诸多方面的顾虑, 铝合金轮圈的销售情况并不乐观。原本将产品投向国内市场的宏鑫进而转向海外市场, 凭借良好的品质和价格优势, 产品远销北美、澳大利亚等国家与地区。自2009年起, 轻量化在国内市场逐渐兴起, 宏鑫的铝合金轮圈吸引了不少汽车生产厂家的眼光。北方奔驰、安徽华菱、金龙、宇通等厂家纷沓而至, 寻求与宏鑫的合作, 另有一些运输企业也开始购买铝合金轮圈。“对运输企业来说, 他们购买时最大顾虑就是铝合金轮圈的价格。但使用后, 普遍反映良好, ”陆乃千说:“铝合金轮圈的市场走势将会越来越好。当年我去美国考察的时候, 只有3%-4%的汽车使用铝合金轮圈, 几年后达到50%以上, 现在更是达到了90%以上。今天的美国也就是明天的中国。”陆乃千表示, 他对重卡铝合金轮圈市场很有信心, 目前宏鑫已经和国内第一家铝合金轮圈生产企业——中信戴卡轮毂制造股份有限公司达成合作意向, 进一步开拓国内铝合金轮圈市场。
运输企业的迷茫与盘算
相对于生产商的投产热情, 不少运输企业对轻量化技术却表现得比较茫然。虽然轻量化潮流已越来越明显, 但在国内卡车市场, 首要需求还停留在追求车辆的超载性能上, 以致卡车制造商的轻量化卡车大规模生产计划频频搁浅。
河南永城市银联汽车运输有限责任公司是一家主要经营物流运输、汽车销售、维修的运输企业。公司总经理张德信虽然早前就知道轻量化这个词, 但对使用这种技术产品显得很谨慎。“现在对轻量化概念有些模糊。什么是轻量化?怎么才能轻量化?”张德信坦诚地表示, “轻量化不能一味减轻配置而置车性能不顾, 不知现在有否这样的企业做的很好。”
采访中, 不少运输企业均表示对轻量化概念不甚清晰, 对这种技术产品的性能也不甚了解。一些企业表示, 对采购轻量化汽车兴趣不大, 他们认为没有目前没有使用的必要, 运载一般的货物, 高成本的投入不一定会带来同等收益。
当很多企业陷入对轻量化概念的茫然中时, 玉溪市康盛物流有限公司总经理甘国康却对此有着清晰的盘算。
汽车轻量化设计研究 篇9
在世界经济领域与人们现实生活中企业的地位毋庸置疑, 其发展的重要方向是舒适、安全、低成本、节能和智能化等, 随着不断提高的社会文明程度以及日益紧张的不可再生资源, 最大程度降低材料用量以及控制尾气污染, 这些都是汽车行业需要面对的挑战。相关资料表示, 每次减少10%的汽车质量, 可以节省6-8%的油耗。世界主要汽车生产国都在严格执行排放标准。我国北京也把汽车尾气排放强制执行欧洲三级标准。
控制节省车体质量, 也就是轻量化设计这一主要问题, 不仅可以减少材料消耗, 还可以降低排放尾气量, 这已经成为全球汽车行业的共识, 已经得到了巨大的成绩。同时加入WTO以后, 对轻量化设计的大量应用, 提高了我国汽车综合水平, 成功接轨于世界标准, 对于提升我国汽车行业国际竞争起到重要作用。
2 汽车灯具轻量化设计应用
2.1 替代材料
20世纪80年代, 由于能源危机造成的影响, 日本提出了汽车轻量化设计, 设计出对能耗与原材料有效节省的新车型。汽车灯具选择注塑材料制作, 提出了与灯具大型注塑件相适合的制造技术, 有效节省了手工操作所需的成本, 进一步提升了企业灯具轻量化设计水平。车灯具体能够划分为前照灯、后车灯、转向灯、雾灯等。PC由于具有较强的抗冲击能力要相当于250倍的无机玻璃, 相当于30倍的聚甲基丙烯酸甲酯板材, 最早代替剥离在前灯外罩中应用, 由于利用PC制作外罩, 造成灯体利用改性聚丙烯, 灯罩与灯体一般利用粘胶粘接式进行装配。此外, 车灯造型中装饰功能是主要部分, PC拥有极好的光学与着色性能, 可以制作车内装饰条对车灯进行点缀和装饰。一般利用透明有色的PC制作装饰条, 可以选择辅助喷底漆突出其颜色, 也可以同构镀铝方式对金属色积极改变和装饰;装饰圈通常利用镀铝方式改变金属色在照明灯外实施包嵌;灯具中反射镜是主要的零部件, 从前都是利用压铸件镀铝进行制作, 目前全部应用PC注塑镀铝, 降低了质量, 也对工艺进行了简化。灯具中一般是没有办法改变灯泡的发光颜色的, 而指示灯全部是发出颜色的灯光, 因此, 利用内配光镜的颜色对整灯光颜色进行调整, 通常有色透明PC的颜色包括红、黄、绿和蓝。
(1) 透明有色聚碳酸酯
由于光源颜色调整与装饰的要求, 采取聚碳酸酯可以着色的优点, 生产材料厂家按照用户的需求可以直接在生产中添加颜色以及一些添加剂等, 制作透明有色的PC料。在这些透明有色的PC料中, 最重要的是色母料的耐热性。
(2) 聚碳酸酯表面处理
PC塑件的表面较为坚脆, 尤其是透明件, 当其沾上大量灰尘, 即便是通过静电布搽拭, 轻易就划伤配光镜表明, 进一步对整个灯具的外观造成影响。通常PC作为灯具外的表面零件时, 要处理产品表面之后使用。当前具体是利用表面有机硅耐磨涂层的方法进行处理。从前灯具中的反射镜或者饰圈等零件都是采用金属件实施电镀或者镀铝, 金属件质量较重, 加工较为复杂, 成本很高。目前代替使用PC注塑件, 工艺成型便捷, 可以加工出较为复杂的形状, 通过镀铝工艺得到的拥有金属光亮的表面, 质量较轻。在工程塑料中, PC基材表面和铝层之间形成了很好的附着力。PC镀铝的主要工艺是在真空中蒸发金属纯铝, 使其在被涂覆的物体上沉积, 也可以称为真空镀铝。汽车灯具镀铝的零件基本包括灯体、反射饰圈, 在灯具中安装发挥了反射和折射功能。
2.2 工艺手段结合结构优化
在设计密封结构时应用工艺手段结合结构优化, 要对配光镜和灯壳的密封粘结方式进行确定。当前汽车配光镜和灯壳之间主要采取热熔胶粘接、冷硅胶粘接、PU胶粘接、热板焊接、摩擦焊接等方式进行。例如前组合灯和后组合灯。当前前组合灯采取的粘接方法具体包括热熔胶粘接、冷硅胶粘接、PU胶粘接。由于前组合灯一般使用的材料为配光镜PC和灯壳PP, 这两种材料不能实施热板焊接、摩擦焊接, 所以不适合通过这两种方式进行玻璃焊接。对于小面积产品适合利用超声波焊接, 例如侧转向灯等。
2.3 灯具零部件之间等寿命设计
在传统的设计过程中, 考虑灯具系统和各零部件之间的等寿命设计并不充分。按照相关的要求, 不同灯具零件出现了不一样的安全系数。通常在整车寿命的前提下, 各个灯具零件之间形成了较大寿命差异。损坏了一个零件, 另一个零件却完好无损, 进一步形成浪费。可以联系可靠性与耐久性试验得到的数据, 对灯具部件的疲劳强度有效考核, 实行寿命设计。在整车寿命要求下, 对安全系数积极调整。除了易损件之外, 其他零部件的寿命也近似于相同的数值, 防止了一些灯具零部件不必要的长寿命, 进一步降低了耗材, 减轻了重量。此外, 在目前汽车电子电气所占比例逐渐加重的情况下, 可以利用功能优化, 通过各种方式完成相同的功能, 进而达到以电子化替代机械功能的目的, 最终可以有效减少机械零件, 减轻重量。
3 汽车轻量化技术的应用前景
轻量化技术的发展始终联系材料的应用而开展, 各国为此利用了很多方法:美国PNGV计划决定选择包括高强度钢铝合金、镁合金以及复合塑料材料进一步完成汽车轻量化设计, 同时重点突出了扩大轻质材料的重要意义;国际钢铁协会考虑了很多因素, 吸收了很过国家的著名钢铁企业与汽车行业参加, 经历四年的时间, 完成了减轻目标轿车白车自身重量20%;在ULSAB-AVC计划实施中, 扩展轻量化目标到超轻刚悬架系统、发动机支架等构件, 有效改善白车燃油效率, 容易回收材料, 有效降低成本并且实现大批量生产。在安全、节能和环保等法规的影响下, 以及在性能与成本等因素的限制下, 预期汽车轻量化材料技术在未来的发展方向为:
(1) 碳纤维、钛合金以及金属基符合材料有可能被作为新型轻量化材料。
(2) 在轻量化材料技术的影响下, 设计思路将会出现重要的突破。
(3) 制造零部件技术依然是未来研究的关键。
4 结束语
当今汽车工业最为关键的研究方向是汽车轻量化的发展。尽可能降低汽车自重以及减少油耗, 一般是通过对轻质材料的积极革新, 研究快捷的先进制造工艺积极实现的。我国应当掌握内高压成型技术、半固态据合金成型技术和超高强度钢成型技术等先进的轻量化材料和成型技术, 以及努力节省轻量化工艺成本, 推动我国汽车轻量化技术发展。
摘要：企业产业发展的主要方向就是汽车轻量化, 也是一个汽车厂商是否拥有先进技术的主要标志。我国汽车制造业很早已经把轻量化作为发展课题, 如今面对逐渐提高的环保要求以及不断上涨的原材料价格, 积极发展汽车灯具轻量化已经显得至关重要。文章主要分析了汽车轻量化设计的现状和意义, 汽车灯具轻量化设计应用, 汽车轻量化技术的应用前景。
关键词：汽车轻量化,设计,发展
参考文献
[1]冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J].汽车工程, 2014 (3) .
汽车轻量化技术途径研究 篇10
1 可用于汽车轻量化设计的金属材料
(1) 轻质合金材料
福特汽车公司负责人在一次国际材料学会议上强调指出, 21世纪的汽车将发生巨大的变化, 而材料技术是推动汽车技术进步的关键, 如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。以乘用车来说, 1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的质量比为5.0%, 1980年增至5.6%, 而1997年则达到了9.6%。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。
铝合金:铝的密度约为钢的1/3, 是应用最广泛的轻量化材料。以美国生产的汽车产品为例, 1976年每车用铝合金仅39 kg, 1982年达到62kg, 而1998年则达到了100 kg。
a.铸造铝合金
许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素, 但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。当然, 在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金, 而是多种元素同时添加以获得良好的综合性能。
汽车工业是铝铸件的主要市场, 例如日本, 76%铝铸件、77%压铸铝件为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件及壳体类零件等。
b.变形铝合金
变形铝合金工艺是指铝合金板带材、挤压型材和锻造成形, 在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。
c.铝基复合材料
铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好, 但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约, 还没有形成很大的规模。目前, 铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验显示出了其优越性。
镁合金:镁的密度约为铝的2/3, 在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好, 很适合制造汽车零件。应用镁合金的实例有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速器壳体、发动机悬置骨架、气缸盖和气缸盖罩盖等。
(2) 高强度金属材料
钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势, 通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力, 迄今为止仍然是汽车生产中使用最多的材料。
a.高强度钢板
一汽于20世纪90年代末, 在国内率先应用冷轧高强度钢板生产商用车车身零件。大量采用抗拉强度340 MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产商用车车身零件, 使零件厚度减薄。2000年开始, 开发屈服强度500 MPa级高强度大梁板, 陆续应用在一汽新开发的中、重型商用车上;与传统材料16Mn L相比, 屈服强度提高43%, 疲劳强度提高44%;冲压工艺条件不变, 进行了车架优化设计, 使车架减重300 kg左右。BH340烘烤硬化钢板共有23种零件, BIF340钢板共有18种零件, 2种钢板每车用量228 kg, 单车降重约21 kg。高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车车身上有41种零件得到应用, 使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的8%提高到当前的57.6%;从2006年开始, 研究开发了屈服强度700MPa级超高强度钢板, 用辊压成形技术制造商用车纵梁。
目前, 国内外轿车自重的25%在车身, 车身材料的轻量化举足轻重。90%的车身钢板使用现已大量生产的高强度钢板, 可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%, 且静态扭转刚度提高80%, 静态弯曲刚度提高52%, 第一车身结构模量提高58%, 满足全部碰撞法规要求。在普通的IF钢板的基础上相继开发了高强度IF钢板、烘烤硬化IF钢板, 在保持高成形性的同时提高了强度和抗凹陷性, 为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750 MPa, 可用于车轮和其他底盘零件。近年来开发的多相钢有相当大的应用潜力, 其中铁素体-贝氏体钢强度级别为500 MPa, 双相钢 (DP) 和相变诱发塑性钢 (TRIP) 强度级别为600~800 MPa, 复相钢 (CP) 强度级别在1 000MPa或更高。这些钢的成形性能也很好。
b.汽车用弹簧钢
悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化, 材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素, 开发出强度和韧性都很高的钢种, 设计许用应力可达1 270 MPa, 这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能, 结合改进的奥氏体轧制成形, 可使钢的拉伸强度达到1 800 MPa的水平。2002年, 一汽将50Cr Mn VA弹簧新材料应用于少片簧, 具有高疲劳性能, 弹簧质量减轻30%;2005年, 成功研制FAS3550弹簧扁钢新材料, 应用于主、辅一体少片簧, 减轻质量50%。
气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V, 通过晶粒细化确保韧性, 通过增C提高强度。这样改进后, 弹簧的高周疲劳强度约提高8%, 可实现15%的轻量化。通过有限元分析, 螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发, 使弹簧实现7%的轻量化。
c.高强度铸铁
奥贝球铁 (ADI:Austempered Ductile Iron) 具有很高的强度和韧、塑性, 奥贝球铁最高强度级别可达到1 400 MPa, 超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量, 代替锻钢制造曲轴可以降重10%, 代替铝合金制造商用车轮毂每件可降重0.5 kg。
(3) 粉末冶金材料
粉末冶金材料具有成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点, 其在汽车上的应用有增加的趋势, 特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品, 它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮, 然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比, 可降重25%~30%。粉末锻造连杆已经成功应用, 近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低, 可实现11%的轻量化。
2 塑料在汽车轻量化技术中的应用
塑料在汽车行业的应用前景同样看好。使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、尼龙和聚乙烯等在内的塑材市场得以迅速放大。近两年, 车用塑料的最大品种——聚丙烯, 每年以2.2%~2.8%的速度加快增长。预计到2020年, 发达国家汽车平均用塑料量将达到500 kg/辆以上。主要部件有保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板等;内装饰件的主要部件有仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、座椅、后护板等;功能与结构件主要有燃油箱、散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶片等。
一汽应用研究实例如下。
实例1:发动机SMC油底壳具有低翘曲、高抗冲和高强度的特点, 实现减轻质量50%、降低整车通过噪声0.5d B。
实例2:PA6&66+GF、PA46+GF、PPA+GF等高性能塑料复合材料应用研究, 达到降成本20% 30%, 降重30% 50%。
实例3:用耐高温热塑性工程塑料制造发动机中冷器端盖、弯管等, 替代现有的铸铝件, 实现减轻质量40%。
实例4:采用低密度聚乙烯 (LDPE) 材料, 用滚塑或吹塑成型制造汽车燃油箱。减轻质量50%左右, 材料可回收再利用。
实例5:采用橡胶悬架限位及减振, 替代钢板弹簧。整车减轻质量350 kg。
3 结构设计优化在汽车轻量化技术中的应用
CAD/CAE/CAM一体化技术有着非常重要的作用, 涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化, 实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。采用有限元分析、局部加强设计、拓扑优化等, 包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等, 从结构上减少零部件数量;在满足强度的前提下, 可减少材料消耗, 减轻产品质量。
实例1:原结构经过拓扑优化后, 质量可减轻15%, 见图1。
实例2:采用压铸铝材料和结构优化, 减轻质量可达40%以上, 见图2。
实例3:采用CAE分析技术, 零部件性能提高41.6%;质量减轻39.1%, 见图3。
