新能源汽車輕量化技術(shù) 課件 項目3、4 汽車節(jié)能減排與輕量化介紹；汽車輕量化技術(shù)路徑認識

新能源汽車輕量化技術(shù)項目3汽車節(jié)能減排與輕量化介紹任務(wù)1

我國汽車發(fā)展與能源消費介紹1、我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述2、我國能源需求發(fā)展概述任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述近20年來，我國汽車消費市場快速擴張，汽車產(chǎn)銷量一直保持穩(wěn)定增長，并于2009年突破整車銷量1360萬輛成為世界第一大汽車消費市場。2010年，在國家擴內(nèi)需、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)變等一系列政策措施的積極作用下，我國汽車工業(yè)延續(xù)2009年發(fā)展態(tài)勢，保持平穩(wěn)較快發(fā)展。我國汽車消費市場的快速增長，也帶來能源消費增長，交通擁堵和排放增長等社會問題。任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述初期發(fā)展新中國誕生不久，我國從前蘇聯(lián)引入技術(shù)開始發(fā)展汽車工業(yè)。這一時期，以第一汽車制造廠的建設(shè)為中心，在北京、上海、濟南和南京等地逐步形成了地方性汽車生產(chǎn)制造基地。第一汽車制造廠的建設(shè)是在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下全面移植蘇聯(lián)生產(chǎn)、技術(shù)、管理的方式進行建設(shè)。第一汽車制造廠于1956年7月13日在長春成功生產(chǎn)出新中國第一輛汽車，其具體型號為解放牌CA10卡車。該卡車的原型為蘇聯(lián)莫斯科斯大林汽車廠生產(chǎn)的Gis-150載重汽車，由此開啟了中國汽車工業(yè)發(fā)展新篇章。第一汽車制造廠1958年實現(xiàn)汽車產(chǎn)量15000輛，到1965年實現(xiàn)汽車年產(chǎn)量接近3萬臺的生產(chǎn)規(guī)模。任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述初期發(fā)展1978年中央政府工作報告明確指出要加快社會主義經(jīng)濟建設(shè)，并拉開了改革開放的序幕。改革開放后，我國不斷加強與世界各國的交流，大力促進了我國社會經(jīng)濟和科技等各領(lǐng)域的發(fā)展。我國汽車工業(yè)也看到了與世界汽車工業(yè)強國的差距。直到1982年，我國汽車產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，全國轎車的產(chǎn)量為5300輛，汽車保有量僅為20萬輛。任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述合資發(fā)展改革開放初期，為了提升我國的汽車產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)制造和研發(fā)等技術(shù)，吸引外商資本和外資車企進入我國發(fā)展，我國政府讓渡部分國內(nèi)消費市場，通過與外商的合資模式重點發(fā)展我國轎車產(chǎn)業(yè)及其配套的零部件能力。隨著吉普、大眾、標(biāo)致等國外車企相繼進入中國合資后，讓很多車企開始意識到中國市場的重要性。而之后中國更是推出一系列措施來促進中國汽車的發(fā)展。任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述合資發(fā)展在1980年前后至2000年期間，中國汽車工業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的機遇。在政府政策的引導(dǎo)下，中國汽車市場逐漸開放，外資企業(yè)紛紛進入中國，與國內(nèi)合作伙伴建立合資企業(yè)。這一階段的發(fā)展對中國汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型起到了關(guān)鍵作用。從1988年2000年，中外車企一共建立了一汽奧迪、長安鈴木、南京依維柯、上汽通用、廣汽本田、天津一汽等20多家合資型汽車企業(yè)。這一輪外資和技術(shù)的引入，更加促進了中國汽車工業(yè)快速前行。任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述自主品牌發(fā)展隨著我國改革開放政策的不斷推進和經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展，我國汽車消費市場的重心逐漸從傳統(tǒng)的載貨汽車和客車市場發(fā)展成為以乘用車為主體的家庭用車消費市場。隨著我國汽車消費市場快速增長，合資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)絕對市場份額，明顯制約我國汽車工業(yè)核心技術(shù)發(fā)展。在此背景下，發(fā)展自主品牌汽車成為我國汽車消費市場迫在眉睫的需求。任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述1997年，奇瑞汽車公司在安徽蕪湖成立。公司成立之初便以研發(fā)和生產(chǎn)小排量、高性能、低能耗的乘用車為主導(dǎo)目標(biāo)。奇瑞研發(fā)團隊在出國考察后，選擇一款名叫Toledo的車型作為參考，該車型屬于三廂車，車型價格為1萬美元左右。該基礎(chǔ)車型在實用性和價格等方面都非常適合當(dāng)時中國消費者審美和消費水平。不僅如此，Toledo是大眾旗下的產(chǎn)品，整車產(chǎn)品配套體系建設(shè)完善，整體技術(shù)水平甚至優(yōu)于捷達。隨后，項目組便開始尋找合適的發(fā)動機等零部件生產(chǎn)線，籌集資金招攬人才，著力新車型開發(fā)。1999年，奇瑞汽車生產(chǎn)的第一輛轎車--奇瑞QQ正式下線，如圖3-1所示圖3-1奇瑞QQ任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述吉利汽車的前身創(chuàng)始于1986年，最初只是一家小型機械加工廠。吉利汽車創(chuàng)建后很快開始涉足汽車零部件制造，并逐漸積累了汽車零部件生產(chǎn)制造技術(shù)和經(jīng)驗。在初創(chuàng)階段，吉利汽車面臨著資金、技術(shù)、人才等各方面的困難，但企業(yè)創(chuàng)始人憑借著堅定的信念和頑強的毅力，帶領(lǐng)團隊不斷探索、創(chuàng)新，終于在1998年成功推出了第一輛吉利汽車--吉利豪情，如圖3-2所示。圖3-2吉利豪情任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述2006年7月，長安汽車發(fā)布了自主品牌轎車發(fā)展戰(zhàn)略并宣告正式進軍轎車領(lǐng)域，并在四個月之后上市首款車型長安奔奔，如圖3-3所示。長安奔奔屬于長安汽車首款自主研發(fā)的轎車，奔奔搭載的發(fā)動機是以長安鈴木羚羊轎車發(fā)動機為基礎(chǔ)自主開發(fā)制造的1.3升發(fā)動機。圖3-3長安奔奔任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述近20年來，我國汽車消費市場快速擴張，汽車產(chǎn)銷兩保持穩(wěn)定增長，并于2009年突破整車銷量1360萬輛成為世界第一大汽車消費市場。2010年，在國家擴內(nèi)需、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)變等一系列政策措施的積極作用下，我國汽車工業(yè)延續(xù)2009年發(fā)展態(tài)勢，保持平穩(wěn)較快發(fā)展。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2023年，我國汽車產(chǎn)銷量首次雙雙突破3000萬輛，創(chuàng)歷史新高。2023年，我國汽車產(chǎn)銷分別完成3016.1萬輛和3009.4萬輛，同比分別增長11.6%和12%，其中汽車出口491萬輛，同比增長58%。自2009年我國汽車消費市場突破1360萬輛以來，我國汽車市場保持穩(wěn)定發(fā)展，中國市場汽車總產(chǎn)銷量一直蟬聯(lián)世界第一。任務(wù)1材料基本物理特性認識1.我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述任務(wù)1材料基本物理特性認識2.我國能源需求發(fā)展概述能源是貫徹于生產(chǎn)與生活的每一個環(huán)節(jié)的重要資源。正因為如此，任何國家的能源儲備和開發(fā)利用的形勢也就決定了國家的經(jīng)濟實力、發(fā)展模式和發(fā)展前途。人類社會發(fā)展的各個階段都是與那個階段能源生產(chǎn)與消費形勢有關(guān)。任何生產(chǎn)過程，必須有相應(yīng)的能源的投入?？傮w而言，我國能源結(jié)構(gòu)是以化石能源為主，其中煤炭占據(jù)主導(dǎo)地位。中國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，在一次能源消費中，煤炭占比為70%左右。中國擁有較為豐富的可再生能源資源。水力資源理論蘊藏量折合年發(fā)電量為6.19萬億千瓦時，經(jīng)濟可開發(fā)年發(fā)電量約1.76萬億千瓦時，相當(dāng)于世界水力資源量的12%，列世界首位。近年來，中國政府大力發(fā)展水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、核能等非化石能源。在保證能源供給的同時，減少二氧化碳的排放。據(jù)統(tǒng)計，2023年我國能源消費總量約為43.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中非化石能量消費約為5.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占總量的13%。任務(wù)1材料基本物理特性認識2.我國能源需求發(fā)展概述2014年是我國能源行業(yè)發(fā)展史上重要的一年，“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略的提出，為能源行業(yè)的體制改革指明了方向。與之配套的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014～2020年）》提出，要堅持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針，重點實施節(jié)約優(yōu)先、立足國內(nèi)、綠色低碳和創(chuàng)新驅(qū)動四大戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系。任務(wù)1材料基本物理特性認識2.我國能源需求發(fā)展概述我國石油工業(yè)取得良好的發(fā)展成長，但我國能源構(gòu)成呈現(xiàn)的“富煤、貧油、少氣”基本特點并未得到改變。自1996年起，中國由原油凈出口國轉(zhuǎn)變?yōu)樵蛢暨M口國。為了彌補日益擴大的原油需求缺口，中國加大了從國際市場進口原油的規(guī)模與力度。自此，對國際原油市場的依賴不斷加深，原油對外依存度從1996年的1.4%快速攀升至2018年的73%，遠超國際公認的50%的安全警戒線。我國汽車消費市場的快速增長和汽車保有量的不斷增加，使得我國燃油消費需求不斷增長。我國石油對外依存度居高不下，促使我國汽車產(chǎn)業(yè)更加重視節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。任務(wù)1材料基本物理特性認識2.我國能源需求發(fā)展概述任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識1.概述近20年來，我國汽車消費市場的快速增長和汽車保有量的不斷增加，燃油消費需求也隨之不斷增長。我國石油對外依存度逐漸攀升，促使我國更加重視新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展布局和實施推廣。能源對每個國家來說都具有十分重要的作用，是推動各個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力之源。隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口總量持續(xù)增加，能源消耗和環(huán)境污染日益嚴峻，給人類社?？沙掷m(xù)發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。1981年“聯(lián)合國新能源和可再生能源會議”指出：以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)，更合理地開發(fā)利用傳統(tǒng)能源，大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮?、氫能和核能等新能源。大量的汽車尾氣排放不僅影響環(huán)境，還嚴重危害人們身體健康。發(fā)展綠色節(jié)能技術(shù)一方面發(fā)展傳統(tǒng)燃油車節(jié)能減排技術(shù)，另一面是大力發(fā)展新能源汽車技術(shù)。任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識2.汽車節(jié)能減排據(jù)統(tǒng)計，目前我國汽車燃油消費量在占全國汽油、柴油消費的占比接近70%。與此同時，每年新增石油消費量的70%是由新增汽車消耗所致。近年來，我國每年新增燃油型汽車達到2000萬輛以上，明顯高于燃油車報廢淘汰量。因此，在今后相當(dāng)一段時間內(nèi)，我國汽車市場的能源消費仍然是以傳統(tǒng)化石燃料為主。燃油型汽車作為人們?nèi)粘＝煌ǔ鲂械闹匾ぞ?，每天都要向空氣中排放大量的碳氧化物、氮氧化合物、硫化物、鉛化物等污染物。汽車尾氣排放物不僅引發(fā)大氣污染，還給人類身體健康和生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的危害。因此，推動傳統(tǒng)燃油車節(jié)能減排和大力發(fā)展新能源汽車是汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要基礎(chǔ)，也是汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的主要方向。任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識2.汽車節(jié)能減排汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排具有以下重要意義：1.減少能源消耗全球能源資源日益緊張，節(jié)約能源已經(jīng)成為社會可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。汽車采用節(jié)能技術(shù)和措施，可以有效降低其能源消耗，從而減輕對能源資源的壓力，為實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用做出貢獻。2.改善空氣質(zhì)量汽車尾氣排放中包含大量的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、硫化物、鉛化物等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)不僅對人體健康構(gòu)成威脅，還對環(huán)境造成嚴重的負面影響。實施汽車節(jié)能減排措施，可以減少這些有害物質(zhì)的排放，從而改善空氣質(zhì)量。3.汽車節(jié)能減排是全世界共識在全球范圍內(nèi)，節(jié)能減排已經(jīng)成為公認的緊迫目標(biāo)，在環(huán)境、政治、經(jīng)濟和外交等方面都具有重要意義。汽車的節(jié)能減排不僅有助于降低能源消耗和污染物排放，還能推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新，為社會的綠色轉(zhuǎn)型提供動力。任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識2.汽車節(jié)能減排汽車節(jié)能減排的路徑汽車節(jié)能減排其實質(zhì)就是不斷發(fā)展和利用新技術(shù)，解決汽車節(jié)能和降低排放兩大主要問題。概括起來，汽車節(jié)能減排實現(xiàn)的路徑可以分為三個方面：采用新技術(shù)提高燃油經(jīng)濟性；開發(fā)替代能源以減少排放；改善用車環(huán)境提高效率。任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識2.汽車節(jié)能減排新技術(shù)應(yīng)用針對燃油型汽車而言，不斷開發(fā)新型節(jié)能技術(shù)和推動新技術(shù)應(yīng)用，不斷提高汽車的燃油經(jīng)濟性。例如，大力發(fā)展先進發(fā)動機技術(shù)，增加電子控制技術(shù)、缸內(nèi)直噴技術(shù)等應(yīng)用，精準(zhǔn)控制發(fā)動機燃油供給，提升燃油經(jīng)濟性。發(fā)展發(fā)動機增壓技術(shù)、提高發(fā)動機熱機效率，增強發(fā)動機動力性，提高發(fā)動機工作效率；采用流線型整車造型，降低整車空氣阻力，采用低滾阻輪胎降低車輛行駛阻力等提升車輛運行助力；通過采用輕質(zhì)材料和改進車身結(jié)構(gòu)降低汽車的整車重量，提高車輛載重效率；提高汽車尾氣排放要求，減少有害氣體和顆粒物排放。任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識2.汽車節(jié)能減排2.開發(fā)替代能源替代能源是指可以替代傳統(tǒng)汽油、柴油燃料為汽車提供動力的能源。按使用能源的不同，替代能源汽車通常可以分為：①燃氣汽車，這類汽車是基于天然氣和石油伴生氣為燃料的汽車。如壓縮天然氣汽車和液化石油氣汽車等；②以化石燃料制油為燃料的汽車，如以煤制油汽車、天然氣制油汽車和二甲醚汽車；③生物燃料汽車，是指以生物燃料為能源的汽車，包括燃料乙醇汽車和生物柴油汽車；④電能汽車,主要是指以電能為能源的汽車，主要包括混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車等；⑤其他清潔能源汽車，如氫發(fā)動機汽車。任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識2.汽車節(jié)能減排3.改善用車環(huán)境改善用車環(huán)境是指采用包括養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣和改善交通運行環(huán)境等措施來減少車輛使用過程中不必要的燃油消耗。良好的駕駛習(xí)慣包括平穩(wěn)的駕駛風(fēng)格、保持適當(dāng)胎壓水平、減少車輛負重、避免頻繁急加速和急制動、盡量選高速檔等。改善交通環(huán)境至少包括以下內(nèi)容：①發(fā)展節(jié)能型交通模式，城際間的交通運輸盡量使用能效高的軌道交通，減少汽車運輸?shù)氖褂?；②合理布局城市功能，?gòu)建高效的城市交通系統(tǒng)，提高道路利用率；③構(gòu)建智能交通系統(tǒng)，減少交通擁堵，提高汽車行駛效率；④大力發(fā)展公共交通，提倡綠色出行，減少家庭用車的代步使用，降低燃油消耗總量。任務(wù)2

節(jié)能減排與新能源汽車認識2.汽車節(jié)能減排據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析，2023年新能源汽車持續(xù)快速增長，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成958.7萬輛和949.5萬輛，同比分別增長35.8%和37.9%，市場占有率達到31.6%，高于上年同期5.9個百分點。2012年以來，我國新能源汽車銷量統(tǒng)計以及新能源汽車與我國汽車銷售總量比較統(tǒng)計如圖3-6所示。圖3-62012年以來我國汽車銷量構(gòu)成統(tǒng)計任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹1.導(dǎo)入汽車輕量化對整車節(jié)能減排、安全性能等都具有重要的意義。如何有效推動整車輕量化是汽車全產(chǎn)業(yè)鏈共同的目標(biāo)，也是世界各國汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢。目前汽車基礎(chǔ)材料端、零部件產(chǎn)業(yè)鏈、整車企業(yè)等各方都越來越重視汽車輕量化技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識輕量化是一個具有廣泛含義的概念，其目標(biāo)是減少產(chǎn)品重量。汽車輕量化是在保證車輛結(jié)構(gòu)強度、零部件安裝剛度、整車碰撞安全等車輛性能的前提下，采用現(xiàn)代設(shè)計方法和驗證技術(shù)優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括并不限于應(yīng)用先進材料、先進工藝和最優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)盡可能地減輕整車重量。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識汽車輕量化有助于減輕整車重量，降低燃油消耗和減少排放等作用。據(jù)研究指出，整車重量每減輕10%，其整車輕量化具有以下效益。（1）整車燃油效率可以提升6%~8%，減少尾氣排放；（2）整車加速性能提升；（3）整車制動距離減少；（4）整車及零部件疲勞耐久壽命提升；（5）整車碰撞動能減少10%，提升碰撞安全性能；（6）減少整車轉(zhuǎn)向摩擦力，提高操縱安全性。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識當(dāng)前汽車輕量化的主要技術(shù)路徑包括以下方面：（1）采用比強度高的輕質(zhì)材料，例如：鋁合金、鎂合金、工程塑料、纖維增強材料、新型陶瓷材料、復(fù)合材料等。（2）采用現(xiàn)代設(shè)計方法以及計算輔助技術(shù)，如計算機輔助設(shè)計CAD、計算機輔助工程CAE、計算機輔助制造CAM等，準(zhǔn)確提取零部件產(chǎn)品工作載荷，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化產(chǎn)品制造工藝工序等。（3）采用先進制造工藝技術(shù)，更經(jīng)濟合理地適應(yīng)新材料、新結(jié)構(gòu)等汽車零部件產(chǎn)品制造。例如，激光拼焊技術(shù)實現(xiàn)零件厚薄組合，熱成型技術(shù)實現(xiàn)超高強鋼生產(chǎn)制造等等。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識汽車輕量化與節(jié)能據(jù)公安部信息發(fā)布顯示，截止2023年底全國機動車保有量達4.35億輛，其中汽車3.36億輛，新能源汽車2041萬輛。我國近20年汽車工業(yè)擴張和汽車消費市場的大幅增加也是導(dǎo)致我國近年來原油進口持續(xù)增加的重要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，2023年中國進口原油為56399萬噸，同比增長11.0%。由此可見，如何平衡汽車工業(yè)發(fā)展和能源消耗并促進我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展是我國當(dāng)前經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的重要課題。隨著汽車技術(shù)進步，汽車的輕量化逐漸成為汽車產(chǎn)品節(jié)能減排的主流技術(shù)。研究表明，汽車整車重量減少10%，燃油消耗量可降低6%～8%，尾氣排放量也相應(yīng)減少，同時汽車輕量化的實現(xiàn)增強了汽車加速性能，而且改進了車輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動等各方面的綜合性能。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識汽車輕量化與安全汽車安全性是綜合性能，通常是指汽車在行駛中避免事故或者在發(fā)生事故時如何最大程度的減輕人員傷害。汽車的輕量化，就是在保證汽車安全性能的前提下，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。早期的車身結(jié)構(gòu)輕量化主要是大量使用高強度鋼和超高強鋼。采用高強度鋼材可以在保證強度強度條件下減薄板料厚度，而從達到減輕車身重量的設(shè)計效果。如圖3-7所示為某車身設(shè)計的選擇，其中前碰撞橫梁采用了剛強度鋁合金材料和螺栓連接工藝；車身A柱、B柱、C柱、中央通道、地板橫梁等采用了高強度鋼材形成封閉框架結(jié)構(gòu)；前圍板、流水槽等采用普通中等強度鋼板成型；前縱梁等前面碰撞重要吸能區(qū)與采用了超高強度設(shè)計。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識圖3-7高強度應(yīng)用任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展愿景結(jié)合《中國制造2025》重點技術(shù)，規(guī)劃我國汽車產(chǎn)業(yè)輕量化技術(shù)5~10年技術(shù)研究應(yīng)用于發(fā)展路線，提出我國汽車產(chǎn)業(yè)輕量化技術(shù)發(fā)展的愿景：到2030年，鎂鋁合金、超高強鋼、碳纖維復(fù)合材料等輕量化材料技術(shù)取得較大突破，輕量化材料體系達到較好的應(yīng)用水平，掌握先進的制造工藝和連接技術(shù)，擁有完善的汽車零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能力，掌握材料、性能、成本一體化設(shè)計應(yīng)用能力，大幅提升我國汽車產(chǎn)業(yè)輕量化技術(shù)水平，具備汽車輕量化整車產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件自主開發(fā)驗證和生產(chǎn)制造能力，輕量化技術(shù)綜合應(yīng)用水平進入國際先進行列，由輕量化技術(shù)帶動的汽車節(jié)能減排效益顯著。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展目標(biāo)中國汽車工業(yè)協(xié)議等機構(gòu)結(jié)合我國車輛燃油及排放目標(biāo)以及國際主流汽車企業(yè)整車輕量化目標(biāo)，基于我國汽車輕量化技術(shù)水平現(xiàn)狀和發(fā)展特點，綜合材料技術(shù)、工藝技術(shù)、成本以及汽車行業(yè)利潤等因素，提出我國汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。目標(biāo)指出，到2030年，我國汽車輕量化技術(shù)水平有較大幅度提升，基本掌握汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)。該總體目標(biāo)分三個階段實施，以2015年為基礎(chǔ)，各階段乘用車和商用車單車減重目標(biāo)如表3-1所示。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識目標(biāo)2016~2020年2021~2025年2026~2030年整車整備質(zhì)量比2015年降低10%比2015年降低20%比2015年降低20%高強度鋼應(yīng)用抗拉強度600MPa以上的鋼材占比達到50%第三代汽車用鋼占比達白車身重量的30%抗拉強度2000MPa以上的鋼材有一定應(yīng)用鋁合金應(yīng)用單車用量190kg單車用量250kg單車用量350kg鎂合金應(yīng)用單車用量15kg單車用量25kg單車用量45kg碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用碳纖維材料有一定應(yīng)用，成本比2015年降低50%碳纖維應(yīng)用占比2%，成本較上一階段下降50%碳纖維應(yīng)用占比5%，成本較上一階段下降50%任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識國外汽車輕量化發(fā)展介紹汽車節(jié)能降耗政策是推動汽車輕量化的主要動力之一，世界各國都相繼出臺節(jié)能降耗相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，提出各類車型分階段燃油消耗限值目標(biāo)，制定汽車燃油經(jīng)濟性申報制度、汽車燃油消耗量標(biāo)示制度以及燃油消耗量公布制度等。與此同時，也不同程度的推出汽車燃油消耗量相關(guān)的獎懲政策，如燃油稅、財政激勵、研發(fā)資助等。為推動汽車輕量化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，各國從技術(shù)層面和管理制度兩個層面制定了相應(yīng)的政策。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識美國是世界上第一個制定汽車油耗的國家，早在1975年美國國會就通過了能源節(jié)約法案。該法案要求提高車輛燃油效率，為小轎車和輕型貨車建立企業(yè)平均燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟對車輛油耗思路與美國有比較大的差異，其主要是控制發(fā)動機的CO2排放來達到控制油耗的目的。1980年，歐盟頒布了關(guān)于燃油消耗的法令，并進行了三次修訂。2009年歐盟正式通過并發(fā)布了乘用車CO2排放的法規(guī)。2015年，汽車制造商在歐盟注冊銷售車輛的CO2排放量要求小于130g/km；2020年，新車最高碳排放量要求小于95g/km。2030年新車燃油排放標(biāo)準(zhǔn)降低到小于59g/km。任務(wù)3

汽車輕量化發(fā)展介紹2.汽車輕量化相關(guān)知識日本是世界汽車強國之一，汽車產(chǎn)業(yè)也是日本國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。日本政府按車輛重量進行分類，并為各類車型制定了一系列平均燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)。在財政政策方面，日本實行汽車重量稅收政策，對汽車輕量化發(fā)展具有直接的推動作用。車主購買汽車后，將按規(guī)定按期繳納車輛重量稅，車輛越重，納稅越多。此外，日本政府要求汽車制造企業(yè)對車輛進行燃油經(jīng)濟性認證，達不到法規(guī)要求的企業(yè)將被勸告、罰款等處罰，政策有力刺激了汽車輕量化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。任務(wù)4

汽車輕量化政策調(diào)查1.任務(wù)目的我國在汽車輕量化領(lǐng)域起步較晚，從政策層面如何推動我國汽車輕量化實現(xiàn)跨越式發(fā)展，加快推動汽車輕量化技術(shù)實踐應(yīng)用，是我國汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至國家政策的重要工作。為此，我國汽企業(yè)工業(yè)協(xié)議，工信部等政府機構(gòu)結(jié)合我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也相繼推出了汽車節(jié)能減排法律法規(guī)、汽車輕量化發(fā)展指導(dǎo)意見等政策。請你結(jié)合本實踐任務(wù)學(xué)習(xí)需要，收集并整理分析相關(guān)政策、法規(guī)的主要內(nèi)容要相關(guān)要求。結(jié)合汽車輕量化相關(guān)政策、法規(guī)和指導(dǎo)意見閱讀，樹立職業(yè)規(guī)范意識，培養(yǎng)職業(yè)素養(yǎng)。2.任務(wù)內(nèi)容分別調(diào)查和收集汽車工程協(xié)會、工信部等專業(yè)機構(gòu)關(guān)于排放法規(guī)的要求和發(fā)展更新過程，調(diào)查和解讀汽車輕量化相關(guān)激勵政策和財政刺激政策等內(nèi)容。對比分析，法規(guī)發(fā)展更新及其變化情況，探討汽車節(jié)能減排和輕量化的發(fā)展趨勢，本任務(wù)主要實踐內(nèi)容如下：（1）收集我國汽車燃油排放法規(guī)。（2）收集我國汽車輕量化激勵政策。（3）分析我國汽車排放法規(guī)發(fā)展及新要求。（4）整理分析并預(yù)測我國汽車節(jié)能減排與輕量化趨勢。（5）完成對比分析和討論匯報。任務(wù)4

汽車輕量化政策調(diào)查項目3

汽車節(jié)能減排與輕量化思考題1.請簡要描述我國主要自主品牌汽車及其產(chǎn)品？2.請簡要分析近十年來，我國汽車消費市場及特點？3.請簡要分析近十年來，我國石油消費市場及特點？4.請簡要介紹汽車節(jié)能減排的主要路徑？5.請簡要分析汽車節(jié)能減排的意義？6.請簡要汽車開發(fā)可替代能源的類型？7.請簡要描述汽車輕量化的意義？8.請簡要分析我國汽車輕量化各階段的主要目標(biāo)？9.請簡要分析政策引導(dǎo)對汽車產(chǎn)業(yè)輕量化的作用？新能源汽車輕量化技術(shù)項目4汽車輕量化技術(shù)路徑認識任務(wù)1

輕量化材料技術(shù)應(yīng)用1、動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用2、底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用3、車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用4、內(nèi)外飾系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用1.導(dǎo)入汽車零部件都是采用不同材料并根據(jù)設(shè)計意圖和制造工藝生產(chǎn)而成，材料密度、強度、彈性模量等基本性能參數(shù)影響零件性能和整體質(zhì)量（俗稱重量）。整車質(zhì)量是由成千上萬的汽車零部件單件質(zhì)量組成的。因此，整車輕量化的重要途經(jīng)之一就是從零部件制造材料本身入手，盡可能選用比強度高、密度小的材料。在實際工程中，汽車零部件材料選擇跟零件工作狀態(tài)、成本和制造工藝密切相關(guān)。2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用汽車動力系統(tǒng)是汽車核心系統(tǒng)，燃油汽車的動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機和變速器兩大系統(tǒng)組成；電動汽車的動力系統(tǒng)主要由電動機和減速器組成。汽車動力系統(tǒng)是整車的心臟，同時其重量在整車重量的占比也較大。以乘用車為例，動力系統(tǒng)及附件在整車整備質(zhì)量的占比可以高達15%~20%。因此，動力系統(tǒng)輕量化對整車減重具有重要的意義。2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用早期的汽車發(fā)動機多數(shù)采用鑄鐵材料制造，鑄鐵是一種含碳量為2%~4%的鐵碳合金材料，它的主要成分是鑄鐵母體和石墨，密度約為6600~7400kg/m3。發(fā)動機缸體缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作強度要求高，傳統(tǒng)的制造工藝是采用鑄鐵和機械加工相結(jié)合的方式生產(chǎn)。缸體缸蓋在發(fā)動機整機重量中占比為30%~40%，因此采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料替代鑄鐵生產(chǎn)發(fā)動機缸體缸蓋將為整機重量減輕20~40kg。鋁合金、鎂合金材料采用壓力鑄造成型的發(fā)動機具有外觀質(zhì)量高、不生銹等優(yōu)勢。如圖4-1所示為采用鋁合金材料生產(chǎn)制造的發(fā)動機缸體零件。鋁合金等輕質(zhì)材料是當(dāng)前乘用車汽油機最常用生產(chǎn)材料，其成型質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，整機輕量化效果明顯。2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-1鋁合金缸體2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用發(fā)動機活塞、連桿等缸內(nèi)機構(gòu)是發(fā)動機工作的核心部件，發(fā)動機苛刻的工作環(huán)境要求其具備耐磨性、耐高溫、強度高、加工精度高等特點。汽車制造行業(yè)應(yīng)用鋁合金、鎂合金材料的輕質(zhì)化和高比強度等性能優(yōu)勢，制造發(fā)動機活塞、連桿等發(fā)動機部件，有助于減輕發(fā)動機整體重量，同時滿足耐磨、耐高溫和高強度等性能要求。如圖4-2所示為采用鋁合金等輕質(zhì)材料生產(chǎn)的發(fā)動機活塞及連桿機構(gòu)等零件。此外，鋁合金、鎂合金發(fā)動機活塞與鋁合金發(fā)動機缸體屬于同質(zhì)材料，具有相同的熱膨脹系數(shù)，有助于提高氣缸活塞與氣缸的密封性。2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-2輕質(zhì)合金活塞及連桿系統(tǒng)2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用變速箱與發(fā)動機組合構(gòu)成車輛動力輸出裝置，總稱為動力總成系統(tǒng)。不論是手動變速器還是自動變速器，都是由殼體和變速傳動機構(gòu)組成。變速箱殼體如圖4-3所示，其既有結(jié)構(gòu)安裝尺寸和剛度要求，又有一定的強度要求。變速殼體常常使用大量加強筋設(shè)計以增加殼體剛度和滿足整體強度要求。變速傳動機構(gòu)采用一些列齒輪組構(gòu)成，齒輪主要由優(yōu)質(zhì)工具鋼制造；變速器殼體主要可以采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料制造。鋁合金、鎂合金材料制造變速箱殼體具有良好的成型性、外觀質(zhì)量和良好的輕量化效果。2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-3輕質(zhì)合金變速箱殼體2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用發(fā)電機等設(shè)備是汽車發(fā)動機不可或缺的附件系統(tǒng)。汽車發(fā)電機的重量一般在5~25kg之間。這個范圍涵蓋了不同型號和功率的汽車發(fā)電機。對于小型車輛，如轎車或SUV，發(fā)電機的重量可達5~8kg。而對于大型車輛，如卡車或巴士，由于它們需要更大的功率，相應(yīng)的發(fā)電機重量甚至超過25kg。所以，發(fā)電機輕量化也是汽車動力系統(tǒng)輕量化的路徑之一。如圖4-4所示，采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料制造汽車發(fā)電機外殼、安裝機支架、輪軸等結(jié)構(gòu)，可以有效減輕發(fā)電機整車重量。2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-4鋁合金發(fā)電機及零部件2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用如圖4-5所示的懸置支架是連接發(fā)動機和車身的重要部件，汽車懸置支架通常分為主動側(cè)懸置支架和被動側(cè)懸置支架。主動側(cè)懸置支架通常屬于發(fā)動機的附屬零件，是發(fā)動機提供的安裝連接部件；被動側(cè)懸置支架主要用于連接車體結(jié)構(gòu)。主動側(cè)和被動側(cè)兩懸置支架通過襯套實現(xiàn)發(fā)動機與車身支架的柔性安裝連接。通過襯套的強力減震功能和位移約束，既保證發(fā)動與車身的連接關(guān)系，又避免發(fā)動機振動直接傳遞到車身結(jié)構(gòu)。因此，剛度性能和強度性是發(fā)動懸置支架設(shè)計的重要考察參數(shù)，采用輕質(zhì)合金、鎂合金等輕質(zhì)材料制造汽車發(fā)動機懸置支架可以有效保證懸置支架的剛度和強度要求，同時其相比傳統(tǒng)鑄鐵材料可以減重30%~40%。2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-5輕質(zhì)合金懸置支架2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用隨著以純電動汽車為代表的新能源汽車的快速發(fā)展和用戶對新能源汽車續(xù)航里程要求的不斷提升，新能源汽車輕量化要求日益迫切。新能源汽車動力總成主要由驅(qū)動電機和減速器組成，其中驅(qū)動電機外殼、減速器外殼等結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，又有較高的工作強度要求。如圖4-6所示，采用鋁合金、鎂鋁合金等輕質(zhì)材料制造驅(qū)動電機殼體、減速器殼體是當(dāng)前主要的主流的輕量化技術(shù)路線。圖4-6新能源汽車動力系統(tǒng)2.動力系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用鋁合金、鎂合金材料除了上述典型應(yīng)用外，隨著汽車輕量化和鋁合金、鎂合金技術(shù)的發(fā)展，以鋁合金、鎂合金為代表的輕質(zhì)材料在汽車動力總成及其附件系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。在新能源汽車動力系統(tǒng)制造領(lǐng)域，以鋁合金、鎂合金為代表的輕質(zhì)材料的應(yīng)用更為普及。如圖4-7所示的純電動汽車動力電池包通常采用輕質(zhì)鋁合金材料制造，充分利用輕質(zhì)材料特性，更大程度的搭載動力電池，提升整車續(xù)航里程。圖4-7鋁合金動力電池包3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用汽車底盤系統(tǒng)是保持車輛正常行駛和傳遞車輛運動載荷重要系統(tǒng)。底盤系統(tǒng)由懸架、減震、制動、車輪等子系統(tǒng)組成，幾乎所有底盤系統(tǒng)金屬零件都可以采用鋁合金、鎂合金等輕量化材料制造，這也是目前底盤系統(tǒng)輕量化主要的技術(shù)路徑之一。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用汽車輪轂是承載整車重量的重要載體，車輪行駛時還受到巨大的沖擊載荷作用，因此要求車輪輪轂具有足夠的強度性能和減震吸能功能。相對傳統(tǒng)鋼質(zhì)汽車輪轂，采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料制造輪轂具有良好的輕量化效果，能有效提升燃油效率,降低環(huán)境污染。如圖4-8a所示，以普通15英寸車輪轂為例,鋼輪轂重約8.2kg,鋁合金輪轂重約5.4kg,鎂合金輪轂僅重4.2kg。整車應(yīng)用鋁合金、鎂合金材料制造輪轂比鋼輪輪轂減重15~20kg,對車輛的輕量化貢獻極大。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用鋁合金和碳纖維輪轂任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車重要的底盤零部件，連接著汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)、減震器、車軸等重要零部件系統(tǒng)。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車部件中應(yīng)力最為集中、最為復(fù)雜的零件，直接關(guān)系到汽車的安全性能。如圖4-9a所示，采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)制造汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，相比較同等強度和功能的鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)減重可達30%左右。如圖4-9b所示，菲亞特與熱塑性塑料供應(yīng)商索爾維合作推出了首個碳纖維轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品。該轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品采用了40%的碳纖維材料，相對與同等功能的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，碳纖維轉(zhuǎn)向節(jié)可減重25%左右。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-9轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-10所示，采用球墨鑄鐵制造的下擺臂具有良好的強度性能，其重量也可達8kg左右。采用4mm左右高強鋼或者超高強鋼沖焊成型可以滿足強度要求，整體重量可比鑄鐵減輕30%~40%。除此之外，采用鋁合金、鎂合金制造同等強度的下擺臂比鑄鐵下擺臂減重40%~50%。隨著工程塑料、纖維材料等應(yīng)用，鋼塑結(jié)合等方式制造的復(fù)合材料下擺臂較鋁合金、鎂合金等材料的減重更有優(yōu)勢。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-10下擺臂產(chǎn)品任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-11所示，雙叉臂的上擺臂可以采用鑄鐵、高強鋼和鋁鎂合金等材料制造。采用輕質(zhì)合金、高強鋼、超高強鋼等材料相對鑄鐵可以減重10%~20%。圖4-11上擺臂產(chǎn)品任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-12所示，副車架結(jié)構(gòu)常常采用剛強度以沖焊焊接的形式完成生產(chǎn)制造，副車架單體重量可達12~20kg，尺寸較大的乘用車副車架重量甚至達到30kg左右。因此，副車架輕量化對整車輕量化貢獻還是比較明顯。副車架常用的材料輕量化路線是采用鎂鋁合金鑄成型或者采用超高強鋼沖焊焊接制造而成，使用鎂鋁合金是發(fā)揮輕質(zhì)材料優(yōu)勢，采用超高強鋼替代普通鋼、高強鋼是利用超高強鋼的力學(xué)性能優(yōu)勢達到減重的效果。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-12副車架任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用3.底盤系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-13所示，塑料材的應(yīng)用為燃油箱提供了更廣的自由空間，同時，塑料油箱的重量一般僅為金屬油箱的二分之一，能夠直接減輕整車份量，從而降低整車能耗。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-14為鋼質(zhì)車身各區(qū)域鋼材選用示意圖。優(yōu)質(zhì)的汽車車身產(chǎn)品開發(fā)是一個集批量制造工藝性、低成本、高強度、輕量化和節(jié)能環(huán)保相結(jié)合的綜合體。鋼材是現(xiàn)代工業(yè)主要的工業(yè)材料也是冶煉技術(shù)成熟、冶煉成本低等優(yōu)質(zhì)材料，可以說鋼材是支撐現(xiàn)代工業(yè)的骨骼。汽車前碰撞橫梁、B柱、門檻梁等區(qū)域是正面碰撞、側(cè)面碰撞等工況負責(zé)吸收碰撞能量，保護乘員艙足夠生存空間的重要部件。隨著碰撞安全性能要求的不斷提升，中高檔乘用車設(shè)計開發(fā)時，上述區(qū)域廣泛采用超高強度鋼，其抗拉強度高達1200MPa甚至1500~1800MPa。鋼材強度顯著提升后，可以有效降低板材厚度，從而達到既保證車身強度有降低車身重量的目的。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用圖4-14超高強鋼車身框架4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用以圖4-15所示的全鋁合金車身為例，先進制造企業(yè)結(jié)合整車結(jié)構(gòu)設(shè)計布局和不同強度的各系列鋁合金、鎂合金材料特性，制造全鋁鎂合金車身。與鋼質(zhì)車身類似，鋁合金車身也可以采用多片體板材沖壓成型，再應(yīng)用電阻點焊、鉚接、摩擦焊、粘接、弧焊等連接工藝實現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)制造。B柱區(qū)域采用7系、6系多層鋁合金板材成型并焊接連接；地板采用多片板材成型拼接制造；減震塔采用鑄造或者擠壓成型，制造加強筋結(jié)構(gòu)；前碰撞橫梁采用高強度鋁合金擠壓型材等制造工藝。4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-15鋁合金車身結(jié)構(gòu)任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用高檔乘用車、跑車等結(jié)構(gòu)為提升乘坐舒適性，采用非承載式車身結(jié)構(gòu)，整車重量和行駛沖擊載荷主要由車架承擔(dān)。車身結(jié)構(gòu)與車架支架采用橡膠隔振設(shè)計，大幅衰減路面激勵對車內(nèi)空間的傳遞，提升整車乘坐舒適性。如圖4-16所以，以高強度鋁合金材料制造車架系統(tǒng)，采用輕質(zhì)碳纖維材料制造車體，既提升整車舒適性，由大幅降低車身重量和整車重量。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-16碳纖維車身結(jié)構(gòu)任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用如圖4-17所示。汽車開閉件系統(tǒng)通常包括發(fā)動機罩、前后車門、尾門或者行李箱等幾大部分。四車門和前后蓋總體質(zhì)量相當(dāng)于白車身結(jié)構(gòu)的30%左右，因此開閉件系統(tǒng)輕量化也是整車輕量化的重要途徑。發(fā)動機罩、尾門等通?？梢杂脧姸鹊燃壍偷牟牧现圃?，比如鋁合金、鎂合金或者工程塑料等，如圖4-17b所示為全塑料尾門。碰撞調(diào)節(jié)的乘員保護對前后車門強度由一定要求，通?？梢圆捎萌X合金、高強高或者鋁合金和高強高相結(jié)合的方式制造，既保證車門強度又減輕車門重量。任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用4.車身系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用圖4-17開閉件輕量化任務(wù)1輕量化材料技術(shù)應(yīng)用5.內(nèi)外飾系統(tǒng)輕量化材料應(yīng)用汽車內(nèi)外飾系統(tǒng)主要是裝飾性零部件，僅有座椅骨架屬于承載性結(jié)構(gòu)件。如本書前面所述，在輕量化背景下，鋁合金材料、鎂合金材料等輕質(zhì)金屬材料是制造汽車座椅骨架的主流技術(shù)方案。汽車門護板、車身護板、外飾件等零部件大多采用輕質(zhì)塑料材料制造。如圖4-18所示，為庫里南使用的鍛造碳纖維尾翼擾流板，具有強度高，質(zhì)量輕等優(yōu)點。圖4-18碳纖維尾翼擾流板任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用1.導(dǎo)入汽車輕量化工藝指的是以整車輕量化設(shè)計為基礎(chǔ)，在綜合考慮所采用輕量化材料的特性和產(chǎn)品控制成本要求前提下而采用的制造技術(shù)。任何輕量化設(shè)計、輕量化材料的應(yīng)用最終都需要制造工藝來實現(xiàn)。因此，汽車輕量化制造工藝對整車輕量化以及輕量化設(shè)計和輕量化材料選擇都有重要的意義。本學(xué)習(xí)任務(wù)將向你介紹激光焊接技術(shù)、液壓成型技術(shù)、高強度鋼熱成型技術(shù)、高強度鋼輥壓成型技術(shù)、先進壓力鑄造成型技術(shù)、不等厚板軋制技術(shù)等先進的成型技術(shù)及連接技術(shù)等目前主要應(yīng)用的輕量化工藝技術(shù)。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊激光拼焊技術(shù)是利用激光精準(zhǔn)加熱將不同厚度、不同材質(zhì)、不同強度、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的汽車板料毛坯拼焊在一起。經(jīng)過激光拼焊的汽車板料就相當(dāng)于適合制造零件產(chǎn)品的一張完整的板料，再結(jié)合汽車板材沖壓成型的一種制造技術(shù)。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊如圖4-19所示某車門內(nèi)板就是采用激光拼焊技術(shù)，靠近鉸鏈安裝側(cè)采用加厚高強度鋼板設(shè)計，內(nèi)板左右兩側(cè)在分割線位置用激光拼焊連接成為車門內(nèi)板整體。激光拼焊可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需要，完成不等厚度，不等強度的多塊板料拼接，能夠保證產(chǎn)品強度的同時減輕產(chǎn)品重量。圖4-19激光拼焊車門內(nèi)板任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊B柱設(shè)計空間有限，通常被設(shè)計成如圖4-20所示的下粗上細的截面形狀。B柱是車輛側(cè)面碰撞乘員艙空間保持重要部件，為滿足苛刻的碰撞性能要求，B設(shè)計往往采用強度600~1000MPa級的高強鋼成型制造。圖4-20激光拼焊B柱骨架任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用2.激光拼焊如圖4-22所示，采用激光拼焊技術(shù)，根據(jù)縱梁隔斷截面、材料、厚度等參數(shù)要求，將不同強度和厚度的板料拼接后整體成型不經(jīng)可以輕量化縱梁總成產(chǎn)品而且可以減少制造工藝工序，提高制造質(zhì)量。圖4-22激光拼焊縱梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)管件液壓成形是將管坯放入模具內(nèi)，利用高壓液體充入管坯空腔，同時輔以軸壓補料，使其直徑脹大至貼靠凹模的成形過程，其工作原理如圖4-23所示。首先將管件置于成型模具并閉合模具，通過沖頭封閉管件并向管內(nèi)注入高壓液體，管件在高壓作用下膨脹并充滿模具型腔，最后釋放高壓液體開模即完成產(chǎn)品成型。圖4-23液壓成型原理任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)如圖4-24a所示，其扭力梁橫梁采用600~1200MPa優(yōu)質(zhì)高強鋼管梁液壓成型，封閉截面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能明顯由于開口截面，采用液壓成型的扭力梁橫梁還可以充分發(fā)揮高強鋼強度特性，達到減薄橫梁厚度的作用，從而減輕扭力梁整體重量。圖4-24b所示為開口式扭力梁橫梁結(jié)構(gòu)，相比封閉式液壓成型橫梁，滿足相同剛度、強度性能要求的開口梁結(jié)構(gòu)需要采用更厚的板材和更大截面，甚至有時還需要增加一條扭桿。據(jù)多款車型對比分析，封閉式液壓成型橫梁橫梁板厚一般為2.0~2.5mm；同等級別的開口式扭力梁橫梁板厚通才為5.0~6.5mm，甚至還需要增加一條直徑20mm，厚度2.0mm左右的扭桿。液壓成型扭力梁較開口式扭力梁單件減重為3.0~5.0kg，并且封閉式扭力梁疲勞壽命更高。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)圖4-24扭力梁結(jié)構(gòu)任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)副車架圈梁可以采用多片沖壓焊接成型，也可以采用液壓成型。普通多片板沖壓焊接成型方式難以發(fā)揮剛強度優(yōu)勢，分片充液焊接也將增加模具和焊接工裝夾具，加工質(zhì)量不如管梁整體液壓成型。采用液壓成型可以使用更高強度鋼材，達到以薄代厚目的而實現(xiàn)整體輕量化。這就是應(yīng)用液壓成型工藝制造輕量化汽車產(chǎn)品的核心原理，基于這一思想，車輛結(jié)構(gòu)中有封閉界面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都可以采用這一制造工藝進行產(chǎn)品輕量化。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用3.液壓成型技術(shù)圖4-25液壓成型副車架圈梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)所以高強度鋼材的成形難度較大，難以成型復(fù)雜零件并且沖壓回彈現(xiàn)象也較為嚴重，給工裝制造和調(diào)試帶來了很大的挑戰(zhàn)。熱成型鋼和熱成型工藝的出現(xiàn)為解決上述難題提供一個完美的技術(shù)方案。首先，熱成型鋼具有很高抗拉強度和剛度，同時其密度與普通鋼材基本一致，這為“以強代弱，以薄代厚”的產(chǎn)品輕量化技術(shù)提供基礎(chǔ)。熱成型工藝顧名思義，就是在制造過程中對高強度的熱成型鋼進行高溫處理。經(jīng)過高溫處理的超高強度鋼的塑性延伸率明顯提升，這可以大幅提升其成型工藝性，可以跟傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)低碳鋼一樣沖壓成型各種復(fù)雜零件且經(jīng)過熱處理工藝，零件成型回彈現(xiàn)象也可以得到很好的控制。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)熱成型鋼和熱成型工藝技術(shù)對提升車身強度、碰撞安全性能和減輕車身重量具有重要的意義。同時熱成型制造工藝苛刻，制造成本較普通冷沖壓工藝明顯增加，因此熱成型技術(shù)主要用于制造車身關(guān)鍵零件。如圖4-26所示，某乘用車車身結(jié)構(gòu)前碰撞橫梁、B柱、中央通道、前圍板、后縱梁前段、A柱上框架等位置采用了熱成型零件，車體結(jié)構(gòu)以高強度鋼材制造形成“骨骼”，在輕量化車身設(shè)計的同時有效保證了車身強度性能和碰撞安全性能。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)圖4-26車身熱成型鋼應(yīng)用任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)據(jù)報道，寶駿RS-5車型在R平臺的車身基礎(chǔ)上全面提升碰撞安全性，車身高強度鋼板比例達65%以上，熱成型鋼比例7%以上，車身剛度提升20%，重量降低15%。沃爾沃XC90車型開發(fā)的熱成型鋼選用更為明顯，2015年VolvoXC90車型單車車身結(jié)構(gòu)熱成型鋼用量達到了38%，最新車型甚至已經(jīng)達到40%以上。隨著整車輕量化、強度耐久和碰撞安全等性能要求提升，熱成型鋼和熱成型工藝的應(yīng)用越來越普及。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用4.熱成型技術(shù)底盤系統(tǒng)中仍有副車架、擺臂、扭力梁以及非承載式車身結(jié)構(gòu)的車架大多還是鈑金沖焊成型。如圖4-27為五菱凱捷后扭力梁結(jié)構(gòu)，該扭力梁橫梁采用了1500MPa級的熱成型鋼和熱成型工藝制造，保證扭力梁剛度、強度等性能的同時，還有效降低了扭力梁總成的重量。圖4-27熱成型扭力梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用5.其他先進工藝技術(shù)激光拼焊、液壓成型、熱成型等制造工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車零部件生產(chǎn)制造，有效促進了整車輕量化技術(shù)發(fā)展。此外，隨著制造技術(shù)的發(fā)展和提升，針對高強度材料單體零件制造或者多種材料混合生產(chǎn)等方面還有許多不斷發(fā)和完善的制造工藝技術(shù)。例如，輥壓成型制造、變厚度板制造、一體式鑄造技術(shù)等。任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用如圖4-28所示，輥壓成型工藝常用于成型截面形狀穩(wěn)定的零部件，例如B型截面超高強鋼前碰撞橫梁，高強鋼車門門框等。輥壓成型工藝具有模具簡單、加工效率高、適應(yīng)高強度鋼等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。5.其他先進工藝技術(shù)任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用汽車制造商都已將變厚度板技術(shù)當(dāng)做輕量化的重要選項。奧迪在扭力梁中采用液壓成形的變厚度鋼管，厚度從1.8mm變化到3.2mm，減重1.18kg，幅度達23%。同時奧迪也在前擋板加強橫梁、中通道以及側(cè)翼加強件、門檻梁和地板橫梁加強件等零件中使用變厚度板技術(shù)，并且將變厚度板與熱成形技術(shù)結(jié)合起來。5.其他先進工藝技術(shù)圖4-29變厚度前擋板加強橫梁任務(wù)2輕量化工藝技術(shù)應(yīng)用5.其他先進工藝技術(shù)例如鋼鋁混合車身、全鋁合金車身、一體式鑄造車身等陸續(xù)面世。特斯拉、凱迪拉克等車企為進一步提高車身制造效率和整車輕量化率，在采用鋁合金車身的同時引入一體式鑄造成型技術(shù)。將車身結(jié)構(gòu)按模塊分區(qū)，把車身整合為幾大功能模塊，每個模塊集成了數(shù)十個零件，并且采用鑄造成型技術(shù)制造出強度高、結(jié)構(gòu)輕、零件數(shù)量少的車身結(jié)構(gòu)。如圖4-30所示為一體式鑄造成型的下車體部分模塊。圖4-30一體式鑄造車身任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用1.導(dǎo)入整車輕量化是以保證產(chǎn)品性能本質(zhì)為前提，其中產(chǎn)品輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)是兼顧產(chǎn)品性能、成本最佳途徑，因此，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計也是最核心的輕量化技術(shù)。整車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方法有：拓撲優(yōu)化設(shè)計、尺寸和型狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化等技術(shù)，在保證零部件產(chǎn)品主要性能要求前提下，優(yōu)化材料布局，降低產(chǎn)品重量。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓撲優(yōu)化及應(yīng)用拓撲優(yōu)化是保證結(jié)構(gòu)滿足位移、應(yīng)力等條件要求下去除掉沒用的材料，保留有用的材料，通常是尋求結(jié)構(gòu)的材料體積最小的布置形式。拓撲優(yōu)化涉及的變量更多，它不僅可以改變結(jié)構(gòu)的拓撲形式，還可以改變結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀及單元的屬性，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中拓撲優(yōu)化是最為復(fù)雜的優(yōu)化方法。拓撲優(yōu)化主要是在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，為設(shè)計人員提供前期的設(shè)計指導(dǎo)，能使設(shè)計人員產(chǎn)生更多的靈感，對產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)起著重要作用。應(yīng)用拓撲優(yōu)化技術(shù)重新布局材料，得到圖4-31b所示的鏤空設(shè)計狀態(tài)是滿足產(chǎn)品性要求的最小體積材料分布，通過拓撲優(yōu)化可以更合理布置材料減輕零件重量。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓撲優(yōu)化及應(yīng)用圖4-31拓撲優(yōu)化示意任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓撲優(yōu)化及應(yīng)用拓撲優(yōu)化以其出色的優(yōu)化能力而被廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計領(lǐng)域，如圖4-32所示的汽車擺臂拓撲優(yōu)化設(shè)計。不論采用高強度鋼、鋁合金、鎂合金的材料輕量化還是采用激光平焊、熱成型等輕量化工藝，都是要求依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計而制造。因此，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局是整車及零部件產(chǎn)品輕量化的關(guān)鍵。擺臂設(shè)計中，根據(jù)零件受力狀態(tài)和性能考核要求，詳細驗證產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計性能并結(jié)合拓撲優(yōu)化，以最小的材料體積設(shè)計出滿足性能要求的產(chǎn)品。結(jié)合拓撲優(yōu)化結(jié)果，去除擺臂中多余材料，是減輕擺臂重量的關(guān)鍵。任務(wù)3輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用2.拓撲優(yōu)化及應(yīng)用圖