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车身轻量化的思路及途径:材料的应用、结构设计、制造工艺

   日期:2018-08-02 17:43     来源:AI汽车制造业    
核心提示:车身轻量化对减少尾气排放、提高燃油效率和车辆安全性意义重大。
轻量化材料的应用

车身轻量化对减少尾气排放、提高燃油效率和车辆安全性意义重大。
汽车轻量化发展主要有三个方向:



除了第一项“新型材料”,后面两项是什么呢?敬请期待明天的内容
今天小编先从轻量化材料应用为大家梳理

轻量化材料的应用
1. 高强度钢
高强度钢的分类和定义国内外尚无统一的定义和分类方法,一般按照强度划分和强化机理划分。车身轻量化实现的总体思路及途径如图 1 所示,将屈服强度小于 210 MPa 的钢称为“软钢”,210 ~ 550 MPa 之间的称为“高强度”钢,高于 550 MPa 的称为“超高强度钢”。



高强度钢的价格相对较低,具有较高的结构强度、优越的碰撞吸能性和抗疲劳强度,且冲压成形性、焊接性和可涂装性优良,关键是能够利用现有汽车生产线生产从而节约设备投资,所以在现阶段,高强度钢是车身减重的首选材料。



如图 2 的例子所示,车身上高强度钢多用于车身侧围板、顶盖、发动机罩和车门板等覆盖件上,其中影响车身整体强度的车身框架部分又多选用超高强度钢,如保险杠、底板梁和顶盖横梁等。

2. 铝合金材料
铝合金材料密度是钢的 1/3,吸能性是钢的 2倍,在碰撞安全性方面有明显优势,且铝的可回收性和耐腐蚀性较好,是最常见的车身用轻金属材料。虽然铝材的弹性模量较低,但它有很好的挤压性,能够得到复杂界面从而从结构上补偿部件的刚度,因此在满足刚性和强度等多方面力学性能的前提下,能够大大降低材料消耗和制件的质量,进而实现车身轻量化、提高整车燃油效率。

目前阶段,铝合金在车身上多应用于发动机罩内外板上,如长城汽车某车型的零部件,通过应用铝合金材料并优化结构设计,实现了部件整体减重 50% 以上的目标(如表所示)。



由于铝合金具有上述优良特性,自 20 世纪 70年代石油危机以来,欧美日等汽车大国就开始在量产车上应用铝合金,如铝合金机罩、行李箱盖、翼子板、保险杠、车厢地板和散热器框架等,随着铝合金加工工艺和装配工艺日渐成熟,奥迪 A8和捷豹路虎 XJ 系列车型甚至实现了全铝车身的设计和制造(见图 3),实现了车身减重 40% 以上的效果。



3. 镁合金材料
镁的密度是 1.74 kg/m3,是铝的 2/3,且镁合金材料吸振性好,生产模具寿命高、尺寸稳定,作为轻量化材料应该更合适,但镁的化学活性高,加工过程中容易发生燃烧和爆炸,存在安全生产问题,且耐腐蚀性、蠕变强度和再生技术不如铝,所以现阶段相比于铝合金,镁合金的研究和发展很不充分,只应用于个别车型的发动机罩盖、转向盘、座椅支架、车内门板和变速器外壳等方面。图 4 所示的奇瑞 L11 车型镁合金转向盘,相比传统钢材质减重 0.83 kg。



4. 工程塑料和复合材料
现代汽车为节约资源、满足轻量化、防腐蚀、低成本和美观等要求,材料方面正在大量采用非金属材料,目前主要有工程塑料和复合材料。

汽车上的工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS 和 PA 等,这些工程塑料具有密度小、成形性好、耐腐蚀、防振和隔音隔热等优良特性的同时,又具有金属钢板不具备的外观(颜色、光泽)和触感,所以在汽车上应用广泛,例如,前后保险杠、仪表板、前后车灯、后备箱盖、翼子板及众多内外饰件等。

复合材料是指两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制成的一种多相固体材料,通常由增强材料和基体材料复合而成,其中增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维和高分子材料。复合材料具有很多金属材料无法比拟的优点,例如,防锈、隔热、隔音、保护人体、密度小、强度高以及抗疲劳度大等特点。



近年来复合材料主要应用于前端托架、仪表板骨架、电池托架、悬架和车架等汽车结构件上,如高强度有机纤维增强复合材料有很高的机械强度,能代替钢架材料从而减轻车身质量;碳纤维增强复合材料能够代替钢板弹簧运用于悬架系统。如图 5 所示,奥迪 A8 行李箱隔舱隔板采用碳纤维材质,质量仅 2.6 kg,却能够将后部车身刚性强度提高 30%。
轻量化结构设计

除直接运用轻量化材料代替普通钢板外,还需要对车身整体结构进行分析和优化,实现汽车零部件的整体化、集成化和精简化。
轻量化结构设计
随着结构设计软件的发展,一般利用 CAD、CAE 技术进行车身布局设计和车体结构优化,对各构件的形状、配置、板厚进行强度以及刚性的计算和分析,在保证性能的前提下,寻求零部件壁厚减薄、数量精简和结构的整体化、合理化设计。图 6 所示为吉利汽车 FE 车型散热器上横梁总成通过结构优化设计、精简制件,在保证安全的前提下减重2.2 kg。



1. 布局优化
布局优化即考虑实际工况来实现车身整体或局部结构的最佳布局形式,如采用前置前驱布置可减少很多传动系统制件从而达到减重目的,另外,采用承载式车身可以取消车架从而大大减轻车身重量。

2. 尺寸优化
尺寸优化过程中,往往根据质量、强度等优化目标对板厚、梁截面及截面惯性矩等尺寸进行优化,使应力分布均匀化,而且,尺寸优化一般以汽车零部件的形状尺寸为变量,以满足各种工况下的刚度、振动、强度和吸能性等。汽车设计中线性静力学问题和线性振动问题可以使用传统的数值优化算法对轻量化直接进行设计,以线性弹性尺寸优化为基础的设计方法可以对汽车上使用的零部件进行优化并对汽车进行减重。



3. 形状优化
形状优化即通过适当改变制件的外形使结构更加均匀地受力,具体措施是对汽车结构整体或局部进行形状优化,从而使材料能够发挥出更大的潜力。工程师们一般利用有限元法来避免应力高峰,使应力分布尽可能均匀化,具体做法是向承受高负荷的部位储存或增强材料,在承受低负荷的部位减薄或去除材料。



4. 拓扑优化
拓扑优化即对指定设计空间的材料分布进行分析,通过拓扑算法自动得到最优化的动力传递路径以达到尽可能多节省材料的目标。拓扑优化就是寻求材料在空间的最佳分布,被广泛承认是一种最具有应用价值的方法,常用的结构拓扑优化方法有均匀化方法和变密度法。在工程分析过程中,为了更清晰地定义设计空间、目标和约束,如图 7 所示,一般遵循该流程。



轻量化制造工艺
车身轻量化的思路及途径的第三个重要方法——轻量化制造工艺

轻量化制造工艺
在使用轻量化材料和优化结构设计后,往往需要革新制造工艺来满足材料和结构的变化,如目前已广泛应用的激光拼焊板、热冲压成形和液压成形等工艺。

1. 激光拼焊板
激光拼焊板(TWB)可将不同材质、不同厚度、不同强度和不同表面镀层的板坯拼合起来然后整体进行压型。激光拼焊板工艺已在汽车领域应用成熟,用于制造车门内板、加强板、立柱、底板和轮罩等部件,大众第 7 代Golf 车身的激光焊缝总长度甚至达到了 70 m。



激光拼焊板工艺通过减少制件数量、局部钢板减薄及去除点焊凸缘来实现轻量化目的。车门内板边缘因需加装铰链,需要在 0.8 mm 的主板基础上应用 2 mm 厚的裁剪板来加强,因无需加装额外的增强板故车门整体减重 1.4 kg。

2. 热冲压成形工艺
高强度钢板由于屈服强度和抗拉强度的提高,冲压成形性能下降,主要表现为成形缺陷多、所需成形力大以及回弹严重制件尺寸精度难以保证。如当强度超过1 000 MPa 以上时,对于一些几何形状比较复杂的零件,使用常规的冷冲压工艺几乎无法成形,所以高强度钢的热冲压成形工艺应运而生。



热冲压成形工艺首先将高强度钢板加热至奥氏体化状态,然后快速转移到模具中进行冲压成形,在保证一定压力的情况下,制件在模具本体中以大于 27℃ /s 的冷却速度进行淬火处理,保压淬火一段时间,以获得具有均匀马氏体组织的超高强钢零件。

3. 液压成形工艺
液压成形工艺一般有预成形、成形以及校准三个过程,可用于板材和管材成形。



板材液压成形技术尤其适用于有深冲要求的复杂工件及较少凹槽的大型工件,如车身的结构件和外覆盖件。在车门外板的液压成形过程中,由于预成形使材料产生了期望的预应力,可以使车门等外板件在保持耐冲击性不变的情况下减少壁厚,从而达到轻量化效果。

管材液压成形是指管坯在内外部液体压力作用下贴合内部的芯棒成形,该工艺可提高管件的内、外表面精度,也可用于两个部件的连接。管材液压成形的主要车身制件有发动机歧管、车顶支架、侧门横梁、散热器支架和传动轴零件等。

4. 铝合金压铸新工艺
铝合金的加工方法有铸造、压铸、辊压、挤压和冲压等。随着铝合金在车身上的应用日益广泛,工程师们开发了一系列铝合金压铸新工艺,如冲压压铸法、针孔压铸法和无孔性压铸法等,其中无孔性压铸法最受欢迎,压铸时注入型腔的金属液与氧气发生反应,型腔内随即形成真空状态,从而实现无气孔且可热处理的高质量压铸件。目前用无孔性压铸法生产的铝合金大量应用于车轮、进气歧管以及动力转向壳等部件上,由于应用铝材且壁厚减小,轻量化效果显著。



总结
随着国家环保法规加严,在消费者对驾乘感受要求提高以及整车价格持续下探的压力下,车身轻量化已成为众多车企的重点发展方向,而实现车身轻量化主要有新材料应用、车身结构优化和生产工艺革新三方面途径。

新材料应用方面基于目前技术条件和成本考虑,高强度钢、铝合金和工程塑料等已广泛应用,镁合金、碳纤维及其他复合材料目前大多处于研发阶段;车身结构优化主要有布局优化、尺寸优化、形状优化和拓扑优化四个方向;在轻量化车身设计时,可以细化到通道界面改进、传力路径优化、断面优化、减重孔优化和修边线优化等方面;新工艺革新方面,目前热冲压成形、激光拼焊板、铆接、胶接以及液压成形已经实现规模化量产应用。

总之,在满足车辆安全性能要求及量产成本的考量下,实现车身轻量化需要综合考虑新型材料和结构优化,而这往往需要革新生产工艺来实现。所以,综合新材料、新结构和新工艺才能实现安全、低成本的轻量化车身。

 
标签: 轻量化
 
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