汽車輕量化教學(xué)課件

1、汽車輕量化作為有效的節(jié)能手段，汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要研究課題之一。汽車輕量化是國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的緊迫需要，更成為車企和全行業(yè)提高核心能力的現(xiàn)實需求。輕量化技術(shù)無論對傳統(tǒng)汽車，還是新能源汽車，都是一項基礎(chǔ)的共性技術(shù)。 - 前言汽車輕量化 英文名稱：Lightweight of Automobile定義：汽車的輕量化 ，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。主要指導(dǎo)思想：在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化車型譜。 汽車輕量化不能以簡單的減重多少來衡量，必須與所設(shè)計車身的尺寸和

2、功能相關(guān)對于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設(shè)計是降低重量而保持原功能不變，其輕量化的效果是直接的減重；現(xiàn)有功能尚不能全部滿足要求或需要提升的汽車，輕量化設(shè)計是完善功能而保持質(zhì)量不變；既要提高改進性能，同時也使汽車減重。汽車輕量化設(shè)計實際上是功能改進，質(zhì)量降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理價格的結(jié)合。 汽車輕量化汽車輕量化設(shè)計與整車性能之間關(guān)系注：此統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于通用小轎車統(tǒng)計汽車輕量化對汽車技術(shù)的不斷發(fā)展起到了重要作用（1）降低油耗：汽車行駛方程式為： F =Gf+Gsin+ma +CdAv / 21.15 其中：F 為行駛阻力；G 為車重；f 為滾動阻力系數(shù)；為道路坡度；為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為

3、汽車質(zhì)量；Cd 為風(fēng)阻系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積；v 為車速。等速百公里燃油消耗量： 其中，C為常數(shù)；F為行駛阻力，F(xiàn)=Ft+Fw降低油耗汽車行駛阻力越大，耗油越多。汽車行駛阻力包括滾動阻力、爬坡阻力、加速阻力和空氣阻力等四項，從上式可以看出，其中前三項均與車重成正比。經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，空氣阻力約占行駛阻力的25。目前，減少這部分阻力的措施通常有：流線型車身、全粘接擋風(fēng)玻璃、隱蔽式雨刮器、下地板全封裝等。這些措施能將風(fēng)阻系數(shù)降到0.3 ，但這已到瓶頸，其進一步減小的可能性只能寄希望于更為流暢低矮的車身。只是這樣不僅需要巨大的技術(shù)與資金的投入，且不適用于要求空間寬敞的日常用車，因而應(yīng)該將目光轉(zhuǎn)移到其它的阻

4、力因素上。而剩下的75，即滾動阻力、爬坡阻力、加速阻力，從公式可以看出，均與車重成正比。因此，減輕汽車質(zhì)量，就成為減輕阻力從而節(jié)約燃油的重要措施。結(jié)果表明，輕量化對汽車節(jié)能減排具有重要意義 汽車自身質(zhì)量對燃油消耗的影響 各類車型的燃油效率與車身自重的關(guān)系除空氣動力學(xué)阻力之外 ,車子運動的各類阻力都和車子質(zhì)量呈線性關(guān)系諸多乘用車，車重減少 100 kg,每升油多行駛 1 km降低油耗降低油耗實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提6%8%，汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.30.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世

5、界汽車發(fā)展的潮流。車重與燃油利用率的關(guān)系 油耗與CO2排放關(guān)系降低油耗是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段 研究表明 ,約 75 %的油耗與整車質(zhì)量有關(guān) ,降低汽車質(zhì)量就可有效降低油耗以及排放。目前 ,大量研究表明 ,汽車質(zhì)量每下降 10%，油耗下降 8 % ,排放下降 4 %。美國在歐洲全順車的實驗表明 ,在滿足歐 標準條件下 ,每百公里油耗 Y與自重 X滿足以下關(guān)系 Y = 0 . 003X + 3 . 3434 (1) 對商用車的研究表明 , 汽車質(zhì)量每減少1 000 kg,油耗可降低6 %7 %。油耗的下降 ,意味著 CO2 ,氮氧化物 (NOx)等有害氣體排放量的下降。據(jù)報道 ,在美國汽車質(zhì)量如

6、果減少 25 % ,燃油消耗按減少13 %計 ,一年可節(jié)省 2 . 7億桶石油 , 每消耗 1 L燃油 ,將產(chǎn)生 CO222 . 5 kg。 因此燃油消耗的降低 ,就意味著溫室氣體和其他有害氣體排放的下降。（2）改善性能( 2）改善性能：汽車輕量化，有利于改善汽車的行駛、轉(zhuǎn)向、加速、制動等運動性能和排氣性能等多方面的性能。其中，發(fā)動機的輕量化還可改善前輪荷重分擔(dān)率，進而改善汽車的操縱穩(wěn)定性，還可為降低噪聲、振動、實現(xiàn)大功率化創(chuàng)造條件。同時還有利于減輕部件振動和降低噪聲，提高舒適性能，對于某些承載件，其承載的重量減輕，有利于降低元件疲勞，提高耐久性。例如一輛重量1543 kg的汽車，若車重減輕2

7、5% ，可使該車加速到60 km/h的時間從原來的10 秒減少到8 秒。改善動力性汽車行駛方程式為： Ft=Ff+Fi+Fw+Fj 其中：Ft 為行駛阻力；Ff滾動阻力；Fj為加速阻力；Fi為坡道阻力；Fw為空氣阻力。 Ft Fw/G=+du/gdt令Ft Fw/G=D,D為汽車的動力因數(shù)，表示扣去空氣阻力后單位車重得到的驅(qū)動力。動力因數(shù)越大，汽車的動力性越好。因此降低了汽車質(zhì)量，相應(yīng)動力因數(shù)增大，汽車的動力性增強。(3)波及效果( 3）波及效果：汽車各部分的質(zhì)量是相互關(guān)聯(lián)的。例如，發(fā)動機質(zhì)量的減輕，使有關(guān)底盤部分也 可以相應(yīng)地減輕，即汽車整車減少的質(zhì)量將大于發(fā)動機減少的質(zhì)量；又如，車身零部件

8、的輕量化，使支承它的行駛系統(tǒng)（車架、車橋、車輪、懸架等）負荷減小，尺寸和質(zhì)量即可適當(dāng)減小，發(fā)動機和制動器也可相應(yīng)減小、減輕。通常，當(dāng)平衡系統(tǒng)中某個部位質(zhì)量減少1 kg，給予整個系統(tǒng)的波及效果是質(zhì)量減少K kg ，稱K 為增長因子，K 值因部位而異，汽車的K 值在1.5 2.0 之間。輕量化設(shè)計的基本思想在不降低性能的前提下，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，先進的工藝及輕質(zhì)的材料應(yīng)用，同時兼顧性能，質(zhì)量及成本三大因素，達到最優(yōu)輕量化目的，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。輕量化設(shè)計的步驟輕量化設(shè)計四部曲減少用戶不必要的功能去除冗余結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化新材料及新工藝使用輕量化目標以整車重量為管控目標，制定分解輕量化目標，基于成本及工藝

9、考慮，采用輕量化設(shè)計四部曲的方法，對整車材料選擇，結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝實施進行全方位的考慮實施。輕量化設(shè)計方法面積和厚度減少通過CAE分析，優(yōu)化設(shè)計，減少多余的面積和厚度是取得輕量化設(shè)計的主要手段。功能減少或體積減少形狀和截面更改底盤支架拓撲優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化座椅框架優(yōu)化設(shè)計車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化材料更換新工藝的使用 行業(yè)、企業(yè)、高校、院所聯(lián)盟是推動 汽車材料技術(shù)進步的有效組織形式美國的新一代汽車合作項目（PNGV）歐盟超輕車身聯(lián)合研發(fā)項目(ER Collaborative R&D Project -SuperLIGHT-CAR)美國汽車材料合作項目U.S. Automotive Materials Par

10、tnership（USAMP）新型鋼車身項目New Steel Body（NBS）國際鋼鐵協(xié)會超輕鋼汽車車身項目Ultralight Steel Auto Body（ULSA）世界各大鋁業(yè)公司結(jié)成了汽車鋁材聯(lián)盟 （Auto Aluminum Alliance）中國汽車輕量化產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟工作任務(wù)典型車型輕量化技術(shù)輕量化材料的共性技術(shù)研究汽車輕量化材料的開發(fā)和研究 輕量化聯(lián)盟的主要成員單位 中國汽車工程學(xué)會、一汽、東風(fēng)、吉利、奇瑞、長安、 重慶汽車研究院、吉林大學(xué)、哈工大、寶鋼、西南鋁業(yè)、 中國石油天然氣股份有限公司、石油化工科學(xué)研究院鋁合金板材在汽車車身上的應(yīng)用汽車車身約占汽車總重的30%，而在

11、汽車內(nèi)外板上用鋁合金來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼板就可使白車身減重約40%-50%，進而使整車減重10%左右亨利福特Model T 型汽車福特Prodigy、Jaguar new XJ法拉利360等賽車DaimlerChrysler Prowler大眾 3L Lupo、奧迪A2、A8本田混合動力轎車 Insight、 NSX均采用鋁制車身典型的鎂合金汽車零件 鎂密集輕量化車身結(jié)構(gòu) Daimler-Chrysler-Benz轎車 鎂合金門內(nèi)板 AM50 重量：2.5kg Ford Jaguar轎車 鎂合金儀表板 AM50 重量2.07 kg Audi PP-GM40:3.8 kg (2/3), 2.8 kg (

12、1/3)Nissan MuranoGMT,以連續(xù)玻纖氈為芯材,與熱塑性樹脂改性聚丙烯復(fù)合而成的片材。成型快，壓力低，密度低，韌性好，可再生利用。綠色環(huán)保復(fù)合材料。 用于座椅骨架可以顯著減重，降幅可達50成本可降低1020PP-GM40GMTexTM :10.5 kg長玻璃纖維增強聚丙烯（LGF-PP）STAMAX公司最近開發(fā)了一種高彈性模量復(fù)合材料LGF-PP，玻璃纖維的長度為1225毫米LGF-PP可取代現(xiàn)有的材料，用于儀表板托架、保險杠梁、防濺板、車門等零件圖為用LGF-PP制造的福特Fiesta后車門，同鋼車門相比，其重量減少了50 LGF-PP制造的福特Fiesta后車門長玻纖材料用于

13、高度集成的前端系統(tǒng)福特 Fusion 車型-集成了超過10個傳統(tǒng)金屬部于一個塑料部件把多個金屬零部件的功能集成 在同一塑料零件上，如前端模塊 支架 減輕重量40% 降低制造成本歐洲和美國 SMC（復(fù)合材料） 汽車部件用量最多應(yīng)用領(lǐng)域包括懸架零件、車身及車身部件、發(fā)動機蓋下部件、車內(nèi)裝飾部件等尤以保險杠、車頂、發(fā)動機罩、發(fā)動機隔音板、前后翼子板等部件用量最大 奔馳駕駛室MAN駕駛室結(jié)構(gòu)泡沫實際上是一種泡沫材料聚氨酯、環(huán)氧樹脂和尼龍玻璃纖維復(fù)合材料作為加強內(nèi)襯用于轎車前端、擺梁（Rocker）、后側(cè)骨架和保險杠，A型柱鉸鏈柱結(jié)合部、車頂縱梁B型柱結(jié)合部等關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)泡沫能吸收更多的沖擊能量碳纖維增

14、強聚合物基復(fù)合材料。適于制造車身和底盤零部件減重幅度通?？蛇_5065%歐盟最近采用樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝成功地試制出某轎車碳纖維底板零件的數(shù)量由28個減少到8個，重量較鋼約減輕50，而白車身的性能達到了原鋼車身水平材料美國除低成本碳纖維制備技術(shù)開發(fā)外，還在進行碳纖維增強樹脂的開發(fā)，探索碳纖維增強塑料零部件的大規(guī)模制造工藝VW公司的1-L概念車，采用碳纖增強復(fù)合材料車身外殼，車身質(zhì)量: 290 Kg 試制的轎車碳纖維底板在2005年JEC展會中展出的復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)一款A(yù)級轎車輕量化工作：高強度鋼目前現(xiàn)生產(chǎn)車型應(yīng)用的品種有：烘烤硬化鋼、加磷鋼、低合金高強度鋼、雙相鋼及TRIP鋼在個別車型

15、中，為了達到輕量化設(shè)計要求，滿足碰撞法規(guī)，在設(shè)計中使用了780MPa和980MPa 高強度鋼應(yīng)用研究：雙相鋼980Y原從日本進口，現(xiàn)與寶鋼合作試制；將在一車型中研究成形性及回彈補償工藝完成TRIP鋼與HSLA鋼點焊工藝研究進行門防撞梁（強度1200MPa）冷成形工藝研究一汽 高強度鋼應(yīng)用技術(shù)一汽卡車大量采用抗拉強度340MPa級烘烤硬化鋼板、含磷鋼板代替普通強度鋼板生產(chǎn)CA1092車身及駕駛室零件，使零件厚度減薄BH340烘烤硬化鋼板共有23種零件，BIF340鋼板共有18種零件，兩種鋼板每車用量228kg，單車降重約21kg高強度冷軋鋼板BIF340、BH340在商用車駕駛室上41種零件的應(yīng)

16、用，使高強度鋼板占整車用冷軋鋼板的用量由原來的8提高到當(dāng)前的57.6一汽與韓華綜化（北京）合作完成了V221車型GMT材料保險杠加強板的開發(fā)一汽熱沖壓成型輕量化制造技術(shù)研究高強度鋼板防撞梁等零件成形工藝研究與大連理工大學(xué)合作在長春建生產(chǎn)線現(xiàn)為一汽大眾試制部件，逐漸為一汽集團配套生產(chǎn)一汽卡車大量采用抗拉強度340MPa級烘烤硬化鋼板、含磷鋼板代替普通強度鋼板生產(chǎn)CA1092車身及駕駛室零件，使零件厚度減薄BH340烘烤硬化鋼板共有23種零件，BIF340鋼板共有18種零件，兩種鋼板每車用量228kg，單車降重約21kg高強度冷軋鋼板BIF340、BH340在商用車駕駛室上41種零件的應(yīng)用，使高強

17、度鋼板占整車用冷軋鋼板的用量由原來的8提高到當(dāng)前的57.6一汽 滾壓成型技術(shù)應(yīng)用研究滾壓設(shè)備模型車門窗框、前后保險杠骨架采用了滾壓成型技術(shù)；高強度鋼板縱梁的成形試驗研究；北方工業(yè)大學(xué)試制一種柔性滾壓設(shè)備，生產(chǎn)變截面零件；正協(xié)商一種零件的柔性滾壓技術(shù)，已發(fā)去數(shù)模。滾壓成型窗框滾壓成型窗框斷面奇瑞輕量化材料的應(yīng)用長安輕量化材料技術(shù)340 MPa390 MPa440 MPa590 MPa780 MPa白車身高強度鋼應(yīng)用示意圖 吉利 NL-1車型已采用的輕量化技術(shù) 大量應(yīng)用高強度鋼板 241.1/445.6=54.2%， 車身減重39.3 Kg (39.3/484.3=8.1%) 采用激光拼焊新工藝：

18、減重1.66 Kg；設(shè)計已完成,正在進行模具開發(fā)厚度1.8mm厚度1.2mm厚度1.6mm厚度1.2mm左/右中柱加強板左/右門檻加強板此部位減薄0.6重量減少1.04Kg此部位減薄0.4重量減少0.62KgNL-1前橫梁總成采用GMT減重2.86kg東風(fēng)駕駛室鋼板材料技術(shù)應(yīng)用駕駛室共有沖壓件539種約有160余件采用高強度鋼冷軋板340MPa熱軋板510MPa用量約86我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題目前，我國汽車輕量化技術(shù)無論在理論研究方面還是在實際應(yīng)用方面與國外均有較大差距。輕量化技術(shù)的發(fā)展主要面臨如下問題：1、輕量化技術(shù)涉及眾多學(xué)科的研究領(lǐng)域 需要運用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、

19、系統(tǒng)性知識體系,而在目前的研發(fā)體系下，各研發(fā)機構(gòu)往往只注重單個技術(shù)的研發(fā)很少開展各技術(shù)間的交叉與融合2、汽車輕量化技術(shù)涉及眾多的共性技術(shù)和前沿技術(shù) 其關(guān)鍵、核心技術(shù)的突破不可能由單個企業(yè)或科研機構(gòu)獨立完成。必須要由國家級的研究機構(gòu)對其關(guān)鍵、重大問題進行戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署。而目前此類機構(gòu)尚未建立。3、 產(chǎn) 、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密 沒有明確定位、合理分工。基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機銜接不夠。企業(yè)規(guī)模小而分散。輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后。結(jié)論盡管面臨種種障礙，人們?nèi)匀粵]有放棄努力，專業(yè)軟件的開發(fā)成果越來越多，新材料技術(shù)、新生 產(chǎn)技術(shù)和新設(shè)計方法不斷進步，鋁、鎂、復(fù)合材料 和特種鋼等新材料在汽車制造中的使用比例在逐步加大。雖然在目前看來汽車工業(yè)短期內(nèi)不會在減重方面出現(xiàn)革命性突破，但是由于不斷地努力，人們 實際上正在一步步接近制造出輕量廉價的新一代汽車的目標。 輕量化技術(shù)是一項涉及基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計、工廠制造、實踐驗證的內(nèi)容豐富、涉及廣泛的課題，必將經(jīng)歷一個努力的探索過程。經(jīng)過努力，汽車將在不遠的將來，以清潔、強大、輕量的嶄新形象引導(dǎo)新一代的潮流。謝謝要正直地生活，別想入非非！要誠實地工作，才能前程遠大。8月-228月-22Wednesday, August 3, 2022最困難的事情就是認識自己。16:46:5016:46:501