文档介绍：金属与非金属材料对汽车轻量化的影响
1汽车轻量化
汽车轻量化的必要性
2007年,我国汽车销量达到了880万辆,汽车消费规模居世界第二。我国汽车产量和保有量的持续高速增长为汽车及相关行业的进步带来巨大机遇的同时,汽车工业也面临着一个巨大的挑战。汽车及相关行业的发展对社会能源供给、环境保护等方面的影响日益明显,因此要承受的节能减排的压力也日趋增大。
有关研究数据表明,若汽车整备质量降低10%,燃油消耗可减少6%~8%。由此可见,伴随轻量化而来的突出优点就是油耗的显著降低。尤其汽车车身约占汽车总质量的30%,对空载而言,约70%的油耗是用在车身质量上的,因此车身的轻质化对减轻汽车自重,提高整车燃料经济性至关重要。同时,轻量化还将带来车辆操控稳定性和冲撞安全性的提升:因为车辆行驶时的颠簸会因底盘重量减轻而减轻,整个车身会更加稳定;轻量化材料对冲撞能量的吸收,又可以有效提高冲撞安全性。因此汽车轻量化已成为汽车发展产业中的一项关键性研究课题。
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产品进行优化设计,或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下,尽可能降低汽车产品自身重量,以达到减重,降耗,环保,安全的综合指标。然而,汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响,既要有目标地减轻汽车自身的重量,又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性,同时汽车本身的造价不被提高,以免给客户造成经济上的压力。
实现汽车轻量化的主要途径
合理的结构设计
目前国内外汽车轻量化技术发展迅速,主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析,设计已经融合到了汽车设计的前期。轻质材料在汽车上的应用,包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等,并在前期与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。
在现代汽车工业中,利用CAD/CAE/CAM一体化技术起着非常重要的作用,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。利用
CAD/CAE/CAM一体化技术,可以准确实现车身实体结构设计和布局设计,对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析,并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件,还可以进行布局进一步分析和运动干涉分析等,使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。此外利用CAD/CAE/CAM技术可以用仿真模拟代替实车进行试验,对轻量化设计的车身进行振动、疲劳和碰撞分析。通过开发汽车车身、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,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。
通过结合参数反演技术,多目标全局优化等现代车身设计方法,研究汽车轻量化结构优化设计技术,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,确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。
具体结构合理设计有以下3个方面:
1)通过结构优化设计,减小车身骨架,车身钢板的质量,优化对车身强度和刚度进行校核,确保汽车在满足性能的前提要求下减轻自重。
2)通过结构的小型化,促进汽车轻量化,主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下,缩小尺寸。
3)采取运动结构方式的变化来达到目的。比如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,或采取发动机后置,后轮驱动的方式,达到使整车局部变小,实现轻量化的目标。
使用新型材料
据统计,汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此,首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体说来可以有如下几种方案:
1)使用密度小、强度高的轻质材料,像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等
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2)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)使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材,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。
2高强度钢在汽车轻量化中的应用
有资料表明,使用高强度钢板,-~,车身质量减小15%~20%,节油8%~15%,为此,世界各国大力开发各种高强度钢板,主要包括双相钢(DP钢)板以及目前最先进的相变诱发塑性钢(TRIP)板等等。
与常用的低合金高强度钢相比, 在相同强度级别下, DP钢具有低的屈强比、较高的伸长率(均匀伸长率和断裂