汽车非金属材料轻量化应用指南(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-07-30 21:06:24

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作者:田亚梅

出版社:机械工业出版社

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汽车非金属材料轻量化应用指南

汽车非金属材料轻量化应用指南试读:

前言

2018年,中国经济发展进入新时代,已进入由高速增长向高质量增长转变的阶段。作为国民经济支柱的汽车产业也愈发显示出巨大的活力,成为拉动中国经济发展与消费升级的重要引擎。经过100多年的发展,汽车行业面临的问题和挑战也日益增多。尤其表现在动力性、经济性、油耗、环保等方面,轻量化理念的推出则好似“万金油”,其优点能够覆盖到汽车凸显的这些问题。在《中国制造2025》对汽车轻量化的需求中强调:“汽车轻量化重点工作领域包含推广应用塑料及非金属复合材料等整车轻量化材料和车身轻量化、底盘轻量化、动力系统、车身内外饰以及核心部件的轻量化设计。”在《中国制造2025》有关“先进基础工艺、关键基础材料”的“四基”论述中,也把高性能结构材料、功能性高分子材料、先进复合材料等作为发展重点。随着轻量化概念的不断升温,车用非金属材料的应用迎来了新的发展机遇和激烈的竞争。

当前,汽车轻量化新材料、新技术的发展日新月异,新材料产品的推出速度越来越快。尤其在快速发展的中国市场群雄逐鹿。对于汽车从业人员来说,如何在这些先进材料中选取所需,快速地查询各种非金属材料的品种、规格,以及品牌优势等方面的内容并非易事。因此,为了便于汽车主机厂、零部件企业、非金属材料企业、设备模具等企业能够快速获取所需,在田亚梅女士的组织下,“鉴·新”项目于2016年12月开始启动,在行业权威协会和学会的专家、领导,权威研究院校的院士、教授,国家重点实验室的带头人、整车企业及汽车研究院的领导、各关键零部件企业的领导,以及各部委及各地政府的支持下,历时18个月,“鉴·新”项目组就本书的大纲、定位、框架结构、内容选择等进行了多次交流和讨论,最终完成了《汽车非金属材料轻量化应用指南》一书。本书图文并茂,技术数据翔实,深入浅出地结合许多实例进行介绍,为汽车从业人员提供了汽车轻量化材料选择、结构设计、加工工艺和装备技术方面的大量资料。

为了编好本书,“鉴·新”项目组还通过实地考察走进企业,了解企业轻量化技术创新实力与管理经验,同时组织了企业互访对接会和专业性的采访活动。在2017年2月至10月,“鉴·新”项目组主办或联合主办了15场线下研讨交流会。来自各地汽车主机厂、零部件厂,以及设备、模具、材料企业的代表共2476人参加了会议,影响人数多达5000余人。通过会议对行业发展趋势、技术经验等的深入交流与分享,对汽车轻量化发展起到了重要的指导意义,并借此为参与企业搭建了上下游交流平台,从而为本书提供了更多的案例参考及创新经验借鉴。

可以说,《汽车非金属材料轻量化应用指南》的出版集百家智慧、融名家所思,当之无愧地成为中国汽车非金属材料轻量化创新发展的集大成者!

希望书中介绍的应用案例,可以帮助国内汽车零部件企业改善设计开发能力有限、工程经验积累不足的短板,突破制约产品升级的共性技术,促进产品向轻量化、绿色化和电子化方向升级。同时,也期望在本书的出版后,我国汽车零部件企业多年来对原材料和元器件不够重视,上下游企业的协作不畅等弱点能得到改善,以便为下阶段提升中国品牌汽车零部件产品的整体轻量化水平夯实基础。

在本书的撰写过程中,得到了众多行业领导、企业及团体的大力支持,在此深表感谢。也感谢本书的编辑整理团队——化塑汇北京公司的全体工作人员所付出的努力。

由于新材料及新技术不断出现,有些新技术、新材料、新工艺等不便公开出版,可能存在内容不够全面的情况,加之编者学识有限,不当之处在所难免,恳请广大读者及专家批评指正。编者第1章 绪论1.1 汽车轻量化发展背景概述

1.汽车轻量化的需求背景

随着我国经济的蓬勃快速发展,汽车保有量持续快速增长,同时近几年来油价的一路攀升,使汽车工业面临着前所未有的压力,特别是传统汽车排放的尾气给环境带来了巨大的危害,怎样最大限度地在减少材料用量的同时,对尾气排放污染进行有效控制,是汽车行业面临的极为重要的挑战。节约资源、减少环境污染成为世界汽车工业界急需解决的两大问题。

同时汽车工业在国家经济发展中起着重要的支柱作用。汽车行业的发展推动着许多相关工业部门的发展,诸如钢铁业、制造业、化学工业等。汽车行业本身属于高技术密集型,涉及科学领域中的新材料、新装备、新技术和新工艺等,上述领域中汇集了大批的科学家和工程师以推动行业不断地向前发展。在“十二五”规划中,节能减排是经济结构调整的重点,汽车行业的节能减排更是重中之重。汽车轻量化是汽车降低油耗、减少排放最有效的途径,数据表明,汽车质量每减轻300kg,寿命期内的排放可降低约20%。因此汽车轻量化是未来汽车发展中的重中之重。

此外,汽车轻量化能非常有效地改善汽车性能。首先,轻量化能够降低整车重心高度,整车重心的降低能明显改善汽车的行驶性能,使汽车行驶更加平稳、舒适。同时,它也能改善汽车的加速性能和弹性,降低转动和振动部件的噪声,提高汽车抗侧翻能力。其次,随着国家正面碰撞与侧面碰撞安全法规相继出台,人们对汽车的安全性的重视程度也逐年提高,而汽车轻量化也是提高汽车被动安全性的有效途径之一,汽车重量减轻将有效地缩短制动距离,减少碰撞惯性与碰撞过程中产生的动能。同时,随着具有良好吸能性能的轻量化材料在汽车车身上的应用逐年增多,不仅增大了碰撞过程中的能量吸收,而且使车辆的碰撞被动安全性得到显著提升。再次,汽车轻量化能有效减少汽车的滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力等,为提高汽车的动力性创造了有利条件。综上可知,减轻汽车自重是节约能源、提高燃料经济性和改善汽车性能的基本途径之一。汽车轻量化技术必将成为各个汽车公司的核心竞争技术之一。

2.国外汽车轻量化发展背景概述

汽车轻量化始于发达国家,最早由传统汽车巨头引领,经过发展已形成一定规模。德国是当前汽车轻量化材料领域占比最高的国家,其次是美国和日本。德国汽车工业十分发达,在新材料工业和机械制造领域聚集了世界上最优秀的几个生产企业,具有推动汽车轻量化得天独厚的优势。一方面由于欧洲在能耗和排放政策上越发严格,另一方面德国是目前豪华品牌车型最多的国家,新材料、新技术对于高端车型也有增加科技豪华感的作用,所以德国以ABB(Audi、Benz、BMW的缩写,指奥迪、奔驰和宝马)为代表的车企对于新材料的使用更为热衷,尤其是奥迪在铝合金车身、宝马在碳纤维车身方面都处于行业领先地位。2015年德国新生产汽车铝合金和其他新材料在车身和底盘中的占比高达25%,是目前全球汽车轻量化材料使用比例最高的国家,到2020年新材料的使用趋势会继续上涨,将达到34%。美国虽然高端豪华品牌车型也较多,但是美国汽车行业对于新型轻量化材料的热衷主要来源于新能源汽车的发展以及排放和能耗的压力,代表企业是特斯拉、通用、福特等。特斯拉Model S和Model X在车身和底盘上基本都采用了铝合金和其他复合材料,而通用的高端品牌凯迪拉克在近两年的新车型中也开始采用钢铝复合车身结构,比如凯迪拉克CT6。福特则是将铝合金车身首先搭载在F150这类高端皮卡车型上。目前日本汽车企业轻量化材料的使用也主要是集中在一些非结构件上,比如铝合金的发动机舱盖、塑料翼子板和尾门等,还有就是底盘和发动机的一些铸铝件。其中代表企业是丰田雷克萨斯和本田讴歌。随着全球能耗和排放政策越发严格,预计2020年日本汽车企业轻量化材料在底盘和车身中的占比会赶上美国,达到20%。

3.国内汽车轻量化发展背景概述

相比国外而言,我国在汽车轻量化方面的研究尚还处于起步阶段,继我国加入WTO(World Trade Organization,世界贸易组织)后,经济全球化进程不断加快,我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加深。我国已成为世界第二大能源消费国,当前国际原油及工业原材料价格不断攀升,势必对我国经济发展造成极大的阻碍,汽车轻量化进程刻不容缓。国内很多院校和学者都在轻量化方面做了大量的工作,林忠钦教授课题组在结合汽车的耐撞性与轻量化方面做了卓有成效的工作,华中科技大学、北京航空航天大学和扬州大学等结合有限元优化方法开展了客车轻量化研究。在“十三五”期间,我国在汽车轻量化材料技术方面开展了深入的研究并取得一些成果,包括非金属材料、新工艺、加工技术及设备等方面。另外,宝山钢铁公司也在开发乘用车用高强度钢板上做了大量的工作,并成功开发出DP(双相钢)、TRIP(相变诱导塑性钢)系列的车用高强度钢板,并逐渐推广运用到一些汽车公司的乘用车车身上等。

近十年来,中国品牌汽车在追随轻量化技术应用方面取得了明显进步,高强度钢、轻合金、非金属材料在乘用车、商用车上的应用比重逐步增加。近两年,随着清洁能源汽车在国内的发展,在全铝车身、钢铝混合车身甚至碳纤维车身技术方面,也有企业开始了工业化小批量生产并投放市场接受考验。

汽车轻量化技术已经成为各个汽车公司的核心竞争技术。我国逐年兴起并蓬勃发展的汽车工业要迅速缩小与世界发达国家的差距,增强国际竞争力,就必须在引进消化吸收国外先进技术的同时花大力气开展汽车轻量化材料关键技术研究,不断攻克并自主掌握轻量化核心关键技术,使我国的汽车工业在全球经济化的激烈竞争中立于不败之地并实现可持续发展。

➔作者:

❖黄宗斌,徐志丹.上汽通用五菱汽车股份有限公司

参考文献

[1] 陈辛波,杭鹏,王叶枫.电动汽车轻量化技术研究现状与发展趋势[J].汽车工程师,2015 (11):23-28.

[2] 王磊,刘莹,乔鑫.基于正向开发流程的车身轻量化设计[J].汽车工程学报,2015,5(6);461-465.

[3] 芦长椿.低成本碳纤维复合材料在乘用车上的应用[J].高科技纤维与应用,2016,41(2):14-18.

[4] 胡群林,温秀海,陈晓锋.汽车车身轻量化发展方向探讨[J].成组技术与生产现代化,2014,31(4):38-45.

[5] 刘磊.研究汽车轻量化材料及制造工艺[J].工程技术(英文版),2016(11):3.

[6] 何杰.新材料助推汽车轻量化[J].农机使用与维修,2015(4):60-61.

[7] 李建峰.碳纤维材料在汽车零部件的应用前景[J].中国科技纵横,2015(21):76.1.2 汽车轻量化的重要意义1.2.1 汽车轻量化的必要性

1.汽车保有量的飞速发展产生严峻的能源危机和环境问题

根据中国汽车工业协会(China Association of Automobile Manufactures,CAAM)发布的数据,2016年世界汽车生产总量达到9788万辆,中国汽车产量达到2812万辆(表1-1),占全世界新车产量的1/4以上。2009年我国首度成为世界第一大汽车产销国,至今已连续8年蝉联世界第一大汽车产销国,全国机动车保有量达到2.9亿辆,其中汽车保有量达1.94亿辆。世界汽车产量和保有量的不断攀升对推动全球经济发展起到了积极的作用,同时也对日益短缺的能源状况和日益恶化的环境状况产生了重大的影响和压力。表1-1 近年来世界及中国汽车产量

随着汽车行业的飞速发展,以化石燃料为主的各类能源需求也日益旺盛,能源危机日趋严重,各国越来越重视本国的能源安全,尤其对于需要进口大量燃油的国家更是如此。中国作为当今世界上汽车保有量最大的国家,石油对外依赖程度也越来越高。根据中国石油集团经济技术研究院的统计数据,2013年我国石油对外依赖度为57.4%,2014年为59.6%,2015年为60.6%,2016年为65.4%,2017年以来我国石油对外依赖度还在进一步加大。在各类石油消费中,道路交通占比尤其大,全球汽车保有量不断上升,尽管各国政府在大力推广清洁能源汽车,但在2020年之前,传统能源汽车仍将占全球汽车保有量的绝大多数。

同时石化燃料消耗的增加势必导致CO(二氧化碳)排放量的快2速增长以及微小颗粒物(PM2.5)的增加。在总体的CO排放中,汽2车的排放量所占比例较大,根据国际能源机构(International Energy Agency,IEA)统计,全球超过15%的CO排放量来自于道路交通,2尤其是汽车,发达国家或地区的汽车排放的CO已经占其总量的25%。2根据相关研究,空气中PM2.5含量主要来源之一为尾气排放。近年来,我国CO排放总量快速增加,2013年的CO排放量约为1990年的4倍,22单位GDP的CO排放量处在全球首位。碳排放与经济规模密切相关,2我国政府承诺2020年单位GDP的CO排放强度较2015年水平削减40%2~45%,由此看出,低碳已经成为我国迫在眉睫要解决的问题。在环境污染方面,2014年我国首次大部分地区出现雾霾天气,严重影响了人们的健康和正常生活,这和汽车尾气排放以及汽车生产制造过程中污染物的排放也有一定关系。由此看来汽车行业节能减排势在必行。我国政府制定了大量的措施去推进汽车节能减排工作,如开发替代能源、发展公共交通和智能交通、推广电动汽车等,同时在此基础上大力降低传统燃油汽车的燃油消耗和CO排放量,制定了汽车油耗法规2和CO限制法规。2

为减少汽车CO排放量和控制环境污染,我国政府也相继出台了2各种油耗法规,以实现节能目标。2004年9月我国颁布了GB 19578—2004《乘用车燃油消耗量限值》,明确规定:2010年前乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上;2007年7月我国颁布了GB 20997—2007《轻型商用车辆燃料消耗量限值》,该标准是我国第一个控制商用车燃料消耗量的强制性国家标准,它不仅规定了轻型商用车辆燃料消耗量的限值,也提出了测量和记录CO排放量的要求,这为以后控2制轻型商用车的CO排放量提供了基础数据。2008年4月和6月,交通2运输部分别发布了JT/T 711—2008《营运客车燃料消耗量限值及测量办法》和JT/T 719—2008《营运货车燃料消耗量限值及测量办法》。2012年,国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2010—2020年)》提出:到2015年,当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9L/100km,节能型乘用车燃料消耗量降至5.9L/100km以下;到2020年,当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/100km,节能乘用车燃料消耗量降至4.5L/100km以下,商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。

汽车轻量化是现阶段实现汽车节能减排的最有效手段。在当今车用动力电池与发动机技术提升难度日益增加、交通压力越来越大的背景下,大力发展并推进汽车轻量化技术成为节能减排现实可行的重要途径之一。

2.汽车平均整备质量不断增加产生诸多环保问题

随着社会的发展,人们对汽车安全性、舒适性、智能化和可靠性的要求不断增加,随之而来的是汽车整备质量不断增加。

汽车安全性分为两个部分:一部分是主动安全技术,其意图是防止汽车发生事故,它们的特点是提高汽车行驶稳定性、操纵性和制动性能,尽可能防止车祸发生,如ABS(防抱死制动系统)、EBD(电子制动力分配系统)、EBA(紧急制动辅助系统)、AFS(灯光随动转向系统)、高位制动灯、前后雾灯、后窗除雾等驾驶辅助系统,还有自动驾驶技术;另一部分是被动安全技术,即事故发生后如何对乘员进行保护,汽车被动安全系统可以分为安全车身结构和乘员保护系统,其中安全车身结构主要是为了减少一次碰撞带来的危害,而乘员保护系统则是为了减少二次碰撞造成的乘员损伤或避免二次碰撞。随着汽车性能的大幅提升,汽车行驶速度也越来越高。为确保汽车高速行驶的安全性,汽车制造企业在汽车上不断增加安全性配置、不断增强车身结构性能,最终导致汽车重量不断增加。

自20世纪80年代以来,全球汽车的平均整备质量在持续增加,如美国1982年乘用车的平均整备质量为1275kg,到2004年乘用车的平均整备质量已增加到1470kg,较1982年上升了15%;欧洲汽车整备质量变化趋势与美国十分相似,中国也是如此,2009年乘用车平均整备质量为1227kg,2012年上升到1295kg,年平均增长率为1.8%。

现在各国政府、汽车制造企业也逐步意识到这个问题,正在大力研究汽车轻量化技术,降低汽车的整备质量。以宝马公司的7系乘用车为例(图1-1),1977年整备质量的1600kg,到2008年整备质量增加到1820kg,再到2015年宝马公司通过大幅度的轻量化设计使其整备质量下降到1725kg。

总之,随着全球汽车工业的飞速发展,给全球经济的发展带来巨大推动力的同时,也带来能源危机和环境污染等问题。各国为了实现经济的可持续发展,纷纷致力于汽车节能减排技术的研究,以期解决日趋严重的能源危机和环境污染问题,“环保、低碳”已经成为世界公认的可持续发展的主题。图1-1 宝马7系整备质量变化1.2.2 汽车轻量化的战略意义

1.汽车轻量化是实现节能减排的有效手段之一

能源问题是我国乃至全球汽车产业稳定发展所必须面对的严峻挑战,汽车节能不仅关系着汽车产业的可持续发展,而且与各国的能源安全息息相关。节能减排已经成为全球汽车发展的必然趋势。一般来说,开发替代能源、改善用车环境和提高燃油经济性是汽车能源战略中三个主要的发展领域,也是汽车节能减排的三种基本途径。

替代能源是指能够替代汽油、柴油为汽车提供动力的能源,如天然气、石油伴生气、乙醇、氢气、电能等。在上述各种替代能源中,尽管清洁能源汽车在节能减排方面有着巨大的潜力,但受到核心技术尚在发展中、基础设施建设不足和短周期成本等因素的制约,在一定时期内,传统汽车不能规避承担节能减排的重任。

改善用车环境是指通过良好的驾驶习惯和改善交通环境等措施来减少汽车使用过程的燃油消耗。改善用车环境强调了汽车使用人员和汽车使用时的环境因素,与汽车性能无关。

提高燃油经济性则是针对汽车本身的性能。提高燃油经济性有两层含义:一是提高燃油经济性,即降低汽车的油耗水平;二是提高平均燃油经济性,即降低汽车社会平均油耗水平。前者是针对某一辆车而言,后者则着眼于某一类或某一范围的全体汽车,提高单车的燃油经济性和提高平均燃油经济性的措施就涉及技术节能和产品结构调整的概念。

技术节能即通过一系列的节能技术,提高汽车的燃油经济性。一般认为,汽车节能技术有发动机节能技术、整车集成节能技术、汽车轻量化技术、底盘节能技术等。产品结构调整节能是通过调整全社会的车型结构,达到降低社会平均油耗及降低全社会燃油消耗总量的目的,但这在很大程度上受到汽车市场的影响,调整难度极大。虽然各国在应对能源危机和环境污染的战略侧重和战略意图不尽相同,但仍有很多重要的共同性。西门子公司发布的在汽车上采取不同技术的节能潜力对比如图1-2所示,从图中可见,汽车轻量化是现阶段实现汽车节能减排的最有效手段。在当今车用动力电池与发动机技术提升难度日益增加、交通压力越来越大的背景下,大力发展并推进汽车轻量化技术成为节能减排现实可行的重要途径。图1-2 西门子公司发布的不同技术措施的节能潜力对比

轻量化已经成为世界汽车发展的潮流,减小汽车自身质量是降低汽车燃油消耗率及减少排放的有效措施之一。随着汽车整备质量的增加,汽车燃油消耗量也随之增加,但不同车型增加的幅度不同。

研究表明,汽车行驶过程中必须克服多种阻力,包括滚动阻力、上坡阻力、加速阻力和空气阻力,除了空气阻力外,其他阻力都与整车质量成正比,所以降低汽车质量可有效降低油耗和排放,汽油乘用车质量每降低100kg将节油0.64L/100km。非金属会议报告也指出,汽车质量每降低10%,可降低油耗6%~8%,排放下降4%。若滚动阻力减少10%,燃油效率可提高7%。有数据显示,在过去的20年间,欧盟、日本等国家或地区的汽车平均质量已降低了25%,在未来10~15年内,汽车平均质量还将降低20%~25%。通过轻量化节能减排与其他技术手段并不冲突,无论采用哪种手段,轻量化都可以在此基础上实现进一步节能减排。即使是电动车,减轻了车身质量,一方面可以降低能耗,另一方面也可以在同样整备质量的前提下增加动力电池容量,这两方面能都可以提升电动车的续驶里程。可见,无论是传统汽车,还是新能源车,轻量化都是重要的节能减排手段,轻量化已成为目前汽车行业的重点研究内容之一。

2.汽车轻量化是提升国家汽车工业自主创新的驱动力

近年来,消费者对汽车轻量化的认识不断提升,乘用车轻量化可有效提高燃油经济性和动力性,商用车轻量化可有效提高汽车的燃油经济性和运输效率,从而降低油耗和运用成本。同时,汽车轻量化与安全性相辅相成,汽车轻量化对于主动安全影响是正面的,轻量化可以有效增加汽车的操纵稳定性,缩短制动距离,为在紧急情况下采取主动安全措施提供了更多的时间。根据国际铝业协会的研究成果,汽车整备质量减少10%,制动距离可减少5%,转向力减小6%。轻量化有利于提高汽车行驶稳定性,有利于驾驶人在汽车碰撞发生之前采取紧急措施来避免事故的发生。汽车轻量化有利于各种主动安全控制措施的实施,对主动安全是有利的。通过结构轻量化设计和高强钢、轻质材料的使用,并辅以先进的轻量化工艺,在一定程度上也可实现汽车被动安全性的提升。

随着国内外消费者对于汽车轻量化认识水平的不断提升,我国自主品牌要在国内外市场上有大的作为,提升产品自身的轻量化水平,是提高产品竞争力的重要途径之一。汽车轻量化已经成为世界汽车技术发展的重要方向,开展汽车轻量化技术研究与应用也是调整汽车产品结构和产业结构的需要,对提升我国汽车工业自主创新能力有着重要意义。众所周知,汽车电气化、轻量化和智能化是未来汽车技术发展的三个重要方向。汽车轻量化是汽车电气化和智能化的基础,汽车轻量化水平的提升,不论对于传统的燃油汽车,还是对于清洁能源汽车,都是一项共性的基础技术,对于整个汽车产业的可持续发展有着重要的意义。汽车轻量化又涉及汽车材料技术、汽车产品设计技术、汽车产品制造技术等多个学科,需要多产业联合突破。

当今世界汽车工业面临的难题是:节能减排和安全,同时面临着自然资源日趋缺少的发展局面。全球形成共识的目标就是进一步降低汽车的自重,减少燃油消耗量,减少废气排放量。应对日益提高的车辆安全法规、燃油消耗量限值法规和汽车排放法规,汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一。汽车轻量化是国家节能减排战略的紧迫需要,更成为车企和全行业提高核心能力的现实需求。

➔作者:

❖鲁后国,唐淳.安微江淮汽车集团股份有限公司

❖黄宗斌,徐志丹.上汽通用五菱汽车股份有限公司1.3 汽车轻量化技术发展现状概述1.3.1 评价体系与轻量化现状

汽车轻量化技术是汽车产业发展的重要方向之一,汽车轻量化是实现汽车节能减排的有效途径之一,是提高安全性、降低油耗的重要手段,对汽车工业的可持续发展具有重要意义。随着汽车轻量化越来越受重视,汽车轻量化技术在我国处于一个飞速的发展期,但目前我国的汽车轻量化水平与国外相比还有一定的差距。本节阐述我国汽车轻量化现状和汽车轻量化评价体系。

1.我国汽车轻量化评价体系

随着我国汽车行业对汽车轻量化技术的重视,以及研究的逐步深入,行业内对于汽车轻量化的评价逐步形成整车轻量化水平、子系统轻量化水平两个层级评价。(1)汽车轻量化的定义 所谓汽车轻量化,是指在满足汽车安全性和强度的条件下,通过轻量化设计技术、轻量化材料技术和轻量化制造技术的集成应用,实现汽车整备质量的降低,从而降低汽车燃料消耗,降低排气污染,提高汽车的动力性。(2)整车轻量化水平评价 对于乘用车,我国汽车行业一般采用名义密度ρ和整车轻量化指数E两个参数来描述乘用车整车轻量化水平。

1)名义密度。名义密度定义为整备质量与名义体积的比值,该参数反映了整车轻量化的水平,名义密度小的车辆轻量化水平高。其计算公式为3

式中,M是汽车整备质量,单位为kg;V是名义体积,单位为m;3ρ是名义密度,单位为kg/m。

根据变速器类型、乘用车类型(跑车、轿车、SUV、大型车、微型车)等对整备质量影响程度的研究结论(表1-2):对整车参数中的轴距、车身投影面积、整车投影面积和名义体积进行分析,得出名义体积对整备质量的关联性最大。

2)整车轻量化指数。综合以上分析,引入了整备质量、名义体积、百公里综合油耗和发动机指标,提出了用于整车轻量化评价的指标—整车轻量化指数E,其表达式为

式中,E是整车轻量化指数;M是汽车整备质量,单位为kg;Q是百公里综合油耗,单位为L/100km,按照GB/T 19233—2008《轻型3汽车燃料消耗量试验方法》测算;V是汽车名义体积,单位为m;P是发动机的功率,单位为kW。表1-2 整备质量与整车相关参数关联性分析(3)子系统轻量化水平评价 车身作为汽车的四大系统之一,占整车质量的1/4~1/3,是整车轻量化的主要方面。车身系统主要分为覆盖件与结构件,因覆盖件与结构件的功能不同,对用材要求也不同。车身轻量化水平被誉为汽车轻量化技术水平的标志之一。

汽车轻量化通常按照车身→电气系统→底盘→动力传动系统顺序进行,因为车身和电气系统轻量化后,底盘零部件承载减小,其轻量化空间更大。经过上述轻量化后整车质量会明显降低,发动机功率也可以减小,传动系统也需要重新匹配,这样才能实现全面彻底的汽车轻量化。可见,车身轻量化是汽车轻量化的首选,故本节只对车身轻量化评价体系进行描述,车身轻量化水平主要从车身轻量化系数、白车身面密度两个方面进行评价。

1)车身轻量化系数。目前,被普遍接受的汽车车身轻量化技术水平评价指标是车身轻量化系数L,该参数最早由宝马公司提出。车身轻量化系数的定义为

式中,L是车身轻量化系数;M是不含翼子板的车体重量,单位为kg;C是包括风窗玻璃和副车架等安装加强件在内的车身静态扭T转刚度,单位为N·m/(°);A是车身脚印面积,等于轴距与前后轮距2均值的乘积,单位为m。

2)白车身面密度。白车身面密度表征了汽车车身重量与整车尺寸的关系,其值的大小体现汽车车身轻量化水平的高低,白车身面密度的定义为

式中,M'是白车身的重量,单位为kg;L是整车长度,单位为2m;W是整车宽度,单位为m;ρ是白车身面密度,单位为kg/m。

2.我国汽车整车轻量化现状(1)我国乘用车名义密度现状 对我国2005—2012年间的上市车辆进行统计分析。在乘用车市场上,自主品牌汽车产品主要覆盖中低端市场,车型级别主要包括A00级、A0级、A级车(紧凑型),对其名义密度进行统计计算,并与合资品牌汽车总体及各系品牌车型的名义密度对比,如图1-3所示。

从图1-3中可以看出,在紧凑型汽车市场中,自主品牌车型的名义密度均值与合资品牌车型相当,低于欧系和美系车型,但高于日系韩系车型的平均值水平。也就是说,在不考虑自主品牌与合资品牌车型性能(动力性、经济性和安全性等)的情况下,仅从车型尺寸角度考虑,自主品牌车型的轻量化水平与同类合资品牌汽车相当,但低于日系和韩系车型,高于欧系和美系车型。(2)我国乘用车整车轻量化指数现状 各系乘用车车型整车轻量化指数对比结果,如图1-4所示。结合百公里油耗和发动机功率指标,自主品牌车型整车轻量化水平仅略优于欧系车型,而显著低于日系、韩系和美系车型。图1-3 自主品牌与合资品牌乘用车总体名义密度对比图1-4 自主品牌与合资品牌乘用车整车轻量化指数对比

自主品牌汽车与不同系列车型整车轻量化指数差距对比,如图1-5所示。

在名义密度方面,自主品牌的轻量化水平低于日系和韩系车型,高于欧系和美系车型,与同类合资品牌汽车相当;在整车轻量化指数方面,自主品牌汽车的整车轻量化指数比合资品牌高4.87%,比日系车高11.79%,有着较大的轻量化空间。(3)车身轻量化水平

1)车身轻量化系数对比。图1-6为历年欧洲车身会议参展的乘用车车身轻量化系数平均值变化趋势,可以看出,2010—2016年,车身轻量化系数平均值由3.14减小到2.50,2010—2016年的轻量化系数平均值为2.94。图1-5 自主品牌汽车与其他各系乘用车整车轻量化指数差距对比注:轻量化指数差距对比=(E-E)/E。其中E指其他各系乘用车的轻量化指数。X自主XX图1-6 欧洲车身会议参展乘用车车身轻量化系数变化趋势

图1-7为2013—2016年CLCB(中国车身年会)乘用车车身扭转刚度和轻量化系数。轻量化系数的平均值由3.8减小到3.6,2013—2016年的轻量化系数平均值为3.7。可见,国内在汽车轻量化整体水平上与国外相比还存在一定的差距。

2)白车身面密度对比。图1-8为历年欧洲车身会议参展的乘用车白车身面密度平均值变化趋势,可以看出,2010—2016年,白车身面密度平均值由44减小到42.85,2010—2016年的白车身面密度平均值为43.51。图1-7 中国车身会议乘用车车身扭转刚度和轻量化系数图1-8 欧洲车身会议乘用车白车身面密度变化趋势

图1-9为2013—2016年中国车身会议参展的乘用车白车身面密度平均值变化趋势,可以看出,2013—2016年,白车身面密度平均值由48.22减小到47.44,2013—2016年的白车身面密度平均值为47.93。国内白车身面密度与国外先进水平相比仍然较大差距。

轻量化是节能减排的重要手段,有利于提升整体操纵稳定性、制动性能、加速性能,是汽车产业发展的重要方向之一。汽车轻量化的评价包括整车轻量化水平、子系统轻量化水平两个层级评价,通过对比自主品牌与其他各系乘用车的轻量化系数发现,国内白车身面密度与国外先进水平仍然存在较大差距。国内主要汽车企业与相关行业协同,已在汽车结构轻量化设计、材料应用及轻量化成型工艺方面取得了一定的进展。图1-9 中国车身会议乘用车白车身面密度变化趋势

➔作者:

❖阚洪贵,张顺,牛瑞丽.安徽江淮汽车集团股份有限公司

❖曲兴,王利刚,赵宣.国汽(北京)汽车轻量化技术研究院有限公司

参考文献

[1] 余志生,汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2000:21.

[2] 中国汽车工程学会.中国汽车轻量化发展-战略与路径[M].北京:北京理工大学出版社,2015:53-54.1.3.2 汽车轻量化技术剖析

目前,世界交通运输车辆总的发展趋势之一是轻量化,以达到节能降耗和降低排放污染的目的。与20年前相比,国外汽车自重减轻20%~26%。未来汽车不管选用何种动力驱动,都必须轻量化,尤以乘用车最为突出。研究表明乘用车重量每降低100kg,百公里油耗将减少0.4~0.6L,加速和制动性能显著提高。汽车轻量化技术主要包括三方面:轻量化设计技术、轻量化材料技术和轻量化制造技术。

1.汽车轻量化技术途径

我国乘用车整车应用的轻量化手段包括结构优化设计,采用新型高强、轻质材料(高强度钢、铝合金、镁合金、塑料复合材料等)和先进的制造工艺(液压成形、辊压成形、超高强钢热成形等)。汽车轻量化技术途径如图1-10所示。图1-10 汽车轻量化技术途径

整车各系统的轻量化思路如图1-11所示。图1-11 整车各系统的轻量化思路

2.汽车轻量化设计技术

汽车轻量化设计技术最早由通用汽车提出,指的是通过计算机辅助进行汽车设计。随着计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)的广泛应用,基于CAE分析的轻量化设计技术成为汽车轻量化技术的基础。轻量化设计技术主要分为尺寸优化、形状/形貌优化、拓扑优化、多学科和多目标优化。

尺寸优化是应用最早,也是应用最成熟的一种汽车轻量化技术。它一般以汽车零部件的尺寸如冲压件的壁厚、梁截面尺寸、减重孔的尺寸等参数为设计变量,以满足不同工况下的刚度、强度、振动、吸能等为约束条件,以结构质量最小为目标函数构建优化模型。

形状优化主要是指改变结构的整体或局部形状/形貌,让受力结构更均匀,使材料得以更充分的应用。形状优化和尺寸优化有一定的关联,尤其是规则几何外形的结构,即参数结构化的几何外形,将形状优化转化为更简单的尺寸优化;而对于不规则的几何外形结构,目前更多采取的是无参形状的优化方法。

拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化设计,自由度更多,设计空间更大。使用在结构概念设计阶段,拓扑优化的对象为材料的分布。通过软件计算,得出最佳传导路径,获得优化方案。

汽车轻量化本质上是一个多学科设计优化问题。随着结构分析能力和手段的不断完善,以及现代优化设计理论的不断发展,汽车结构轻量化优化设计的研究已从单一准则减重优化发展到考虑结构强度、刚度、耐撞性、NVH性能和耐久性优化在内的多学科和多目标优化设计。常用的多目标优化设计算法主要有线性目标规划法、分层求解法、响应面法、模糊优化方法、遗传算法和神经网络方法等。常用的多学科/多目标优化设计软件有Isight和Optimus等。以其为核心,结合专用的结构参数化设计软件SFEConcept和DEPMorpher,通过综合调用相关的结构性能分析软件,即可实现汽车零部件的多学科、多目标优化设计。(1)汽车结构优化设计 国外汽车工业发达国家,各大汽车制造商纷纷开展汽车车身结构优化研究,非常重视汽车结构轻量化设计开发工作。国外已经在汽车概念设计阶段就快速建立参数化的模型,进行多目标的结构优化分析,输出优化后的车身架构和主要梁断面,指导后续工程化详细零件设计,这样减少了整车开发后期的风险,缩短了研发周期。欧洲每年都举办国际汽车车身会议,进行车身轻量化先进设计与制造技术交流,已经积累了丰富的车身轻量化设计数据库资源,在汽车产品开发阶段对于不同级别的轿车已经形成了一套成熟的车身轻量化设计方法,并把轻量化设计纳入汽车的产品开发流程中去,所设计的轻量化车身能够很好满足汽车的使用性能要求。

车身结构设计一般分为正向设计和逆向设计,其结构优化相应的也分为正向分析和逆向分析(包括局部结构拓扑优化分析)。

正向设计是指根据造型数据,以及预定的车身功能结构,利用已有或新构建的车身框架断面,搭建车身的结构构架,进行拓扑结构优化,使之通过优化,满足目标性能要求。逆向设计是指利用已有的有限元车身模型,构建车身的参数化有限元模型,进行结构拓扑优化,达到性能目标要求。或者根据参数化模型,通过改变参数,使其结构参数与开发的目标车身基本一致,得到用于优化的参数化模型,进行车身结构拓扑优化,满足性能目标要求(图1-12)。

正向过程和逆向过程的主要区别在于车身参数化模型建立上,一个是直接搭建模型,但需要断面数据库支撑;一个是利用有限元模型,搭建参数化模型,其结构形式比较明确,在建模过程中同时可以补充断面数据库,为今后搭建模型所用。无论是正向设计还是逆向设计,参数化基础模型在车身开发中是必需的。

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