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电气百科:汽车轻量化技术的应用发展趋势

日期:2018-10-28 22:55

  作为实现节能减排的重要措施之一,汽车新材料、先进的设计和工艺制造技术,能促进汽车工业可持续发展。轻量化材料一方面节约汽车制造成本,另一方面还可以低碳环保循环利用。新材料和新技术之间相辅相成,先进的工艺技术为轻量化材料更新提供基础,新材料的广泛应用推动工艺技术的发展。在未来汽车制造中,轻量化材料取代钢材已经成为一种趋势。

  高强度钢板性能大大优于一般的钢材,高强度钢板具有厚度薄、质量轻的特点,同时具有更高的强度保证车身安全性。在当前高科技新材料成本高、普及率低的背景下,并考虑综合性能,高强度钢板是车身轻量化的首材料,主要应用于车辆的关键结构件,如地板、AB柱、门槛等。宝马部分车型中的B柱、中通道、车门防撞杆、地板均采用高强度钢。

  凯迪拉克通过结构优化设计,使钢制下车体结构比铝制车体减重6 kg,其AB柱内板、横梁、地板中通道等关键部件均采用先进的高强度钢。

  轻质金属铝合金在汽车领域的用量逐步增加,且种类多样化,是汽车轻量化的理想材料。铝合金拥有诸多优良性能,不仅耐腐蚀而且强度和刚度高,加工成型性良好,回收利用率高。铝合金一般分2种,以熔融金属充填铸型,获得各种形状零件毛坯的铝合金就是铸造铝合金;还有一种是变形铝合金,是将铝合金通过冲压、弯曲、轧、挤压等工艺使其组织、形状发生变化而成。铸造铝合金多用于重力铸造件和特种铸造件,变形铝合金多用于空调系统零件、行驶系部分零件、发动机冷却系统散热器件等。制动卡钳、驱动轴及车轮等汽车零件一般采用铝基复合材料,这是一种由多种性质不同材料组成的复合材料。

  马自达、奥迪等采用铝合金板材制造外覆盖件,发动机罩和行李厢盖是铝合金在车身上应用最早的部位,后面逐渐发展到全铝车身,国外部分汽车铝合金和铝复合材料的比例可达80%以上。铝合金材料作为性能优异的新材料同时还具有很好的循环利用性,回收1 t铝合金要比加工制造1 t少耗能95%,目前汽车用铝合金材料中60%以上的都是再生铝。另外,相比加工铝合金,加工钢铁所需的工装设备需要汽车制造商投资更多资本,以铝挤压型材为主的汽车铝制车身框架,焊点少、装配效率高。

  热塑性塑料主要应用在汽车的后尾门,市场上比较典型的应用是雷诺汽车的后尾门,其比钢制后尾门减重10%,不仅能降低生产成本,并且注塑、组装工艺简单,装配效率高。

  复合材料是由至少2种不同材料通过先进的材料制备技术组合而成的新材料。组合优化后,其综合性能比单一的原组成材料更加优异,能满足不同的要求。如碳纤维复合材料是汽车轻量化应用中比较典型的复合材料,耐腐蚀、质量轻、高模量而且强度是钢的5倍。由于该材料的优良性能,其在汽车市场已经得到了广泛推广,但是该材料成本较高,最初仅在超级跑车、F1赛车、小批量车型上应用,在汽车中的应用有限。随着复合材料制造工艺的成熟,碳纤维制造成本有所下降,如今已推广至高级轿车上。

  热冲压成型技术用于高强度钢板冲压件成型,成型后强度达到1500 MPa以上。热成型件车身安全性高、舒适性好,能减轻车身质量,提高零件尺寸精度,控制回弹。AB柱、前纵梁、车门防撞梁、地板横梁、铰链加强板等关键部件用热成型件较多。

  从多种轻量化材料的匹配及零部件的优化等方面着手,再加上辊压成型、差厚板等工艺技术,这可以大幅减少零部件数量实现车身轻量化。雷诺采用的差厚板设计,实现了减重2 kg。在保证汽车整体性能不受影响的前提下,优化的结构设计还能减少制造工序,从而降低生产成本。目前国内已经有汽车轻量化技术采用了结构的轻量化设计和分析,汽车设计的前期就已经融入结构轻量化设计。国产欧宝的B柱就是采用热成型与差厚板结合的方式,形成局部低强度区和局部高强度区,车身刚度及吸能性得到提高。

  设计方法要实现汽车车身轻量化,在最开始的车身实体结构设计时就要开始考虑,可以通过优化结构、差厚板等方式合理设计,具体方法有:

  1.通过结构优化设计,优化车身强度和刚度的校核,减轻车身钢板质量,减小车身骨架,确保汽车在满足性能要求下减轻自重;

  2.主要功能部件在使用性能不变的情况下,缩小尺寸,通过结构的小型化,实现汽车轻量化;

  3. 通过改变运动结构方式实现汽车轻量化。如采取发动机后置、后轮驱动,使整车的局部变小,实现轻量化的目标。或采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等,使结构更紧凑。

  目前,随着经济的发展,对汽车的需求会越来越强烈,但是考虑到环境环保问题日益严峻,汽车空气污染不容忽视。试验表明,汽车车身质量降低一半,汽车燃料消耗也能降低一半。从环保和节能的角度来看,未来,汽车轻量化设计将是汽车制造的潮流。本文从新材料、新技术方面着手分析汽车轻量化技术的发展现状,认为目前材料、工艺、设计等方面在汽车轻量化技术中的应用水平在不断提高,未来汽车设计发展的方向是针对不同的产品、材料、工艺的混合结构设计,以实现所用的材料与零件功能的组合。

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