车体轻量化材料课件.ppt

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1、.,汽 车 车 身轻量化结构与轻质材料,福州大学 材料学院,第一章 绪论,全世界汽车工业界已清楚地认识到，节省资源和减少对环境的污染是汽车可持续发展迫切需要解决的两大问题。要使汽车更省油、更环保，目前一个可行的重要措施就是汽车轻量化，广泛和更多地使用轻质材料。,汽车设计和制造的五大方向,1.1 汽车轻量化的紧迫性,节能的需求,车重与行驶阻力的关系,车重与定速燃料效率的关系,W汽车重量0滚动阻力系数斜率a加速度等价旋转重量比空气阻力系数A迎风面积V车速,1.1 汽车轻量化的紧迫性,1.2,1.3,1.4,1.5,轻量化有助于减小行驶阻力,轻量化有助于降低油耗,1.1 汽车轻量化的紧迫性,美国的排

2、放法规,欧洲的排放法规,日本的排放法规,我国的排放法规,环保的需求,日益严格的排放法规要求车辆自重降低,1.1 汽车轻量化的紧迫性,方法,可行,在保证动力性和安全性的前提下实现轻量化,1.2 汽车轻量化研究的方法,高强度钢,铝合金,塑料,镁合金,复合材料,密度小，强度大，吸能性好,密度小，耐腐性能好,密度、强度人为可控，吸能性更好,可使板厚减薄，强度刚度增加,密度更小，强度大，吸能性好,新材料的应用,1.2 汽车轻量化研究的方法,结构优化设计,板壳厚度梁截面平面惯性矩,对汽车零部件的精简和整体化、集成化,尺寸优化,应力分布均匀化,减小质量延长寿命,形状优化,向承受高负荷的部位储存材料将承受低负

3、荷的部位去除材料,1.2 汽车轻量化研究的方法,革新工艺,革新工艺拓宽汽车轻量化的可能性,1.3 车身零件的轻量化对整车轻量化的贡献,1.2,1.3 车身轻量化对整车轻量化的贡献,1.4,1.5,1.1,质量占整车的0,安全性、舒适性要求高,结构复杂材料众多,车身的轻量化对于整车轻量化举足轻重,形状复杂美观、防腐要求高,制造成本占整车的0,铝合金发动机气缸、离合器壳体,大众甲壳虫,1.4 车身结构轻量化设计发展,玻璃增强纤维复合材料车身外壳,克莱斯勒CCV复合材料概念车,平均油耗实际为2.99L/100km，轿车自重800kg世界上第一辆批产低油耗轿车,大众3升车Lupo,全铝空间框架车身(A

4、SF)，世界上第一种大批量生产的全铝车身轿车,奥迪A2,1.4 车身结构轻量化设计发展,以全铝结构件为基础，使用钛，镁和碳纤维等贵重材料,福特P2000,广泛应用轻质材料，自重750kg,Ecobasic“3L”,镁合金和复合材料的车身框架，自重700公斤,丰田ES3,铝质车身,法拉利360Modena /Spider,1.4 车身结构轻量化设计发展,全铝车身的豪华型轿车,捷豹XJ8,全铝车身的高级跑车,法拉利612-Scaglietti,资源丰富，体系完善 ；我国汽车用铝与国际水平差距较大 ；使用潜力大。,1.5 我国汽车的轻量化现状,1.高强度钢,2.铝合金,镁合金的时代已经到来；我国是镁

5、资源大国；目前国内用量很少。,3.镁合金,已经起步，逐年上升；多元化发展；品种较少，与国外差距大 。,4.复合材料,与国际先进水平差距大；可生产低级别的双相钢；冷轧超高强度钢可生产一部分；先进的高强度钢板在研发阶段。,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,第二章 车身用轻质材料,由于不断推广使用各种性能优异的轻质材料，汽车轻量化成绩显著。高强度钢比例稳步攀升，复合材料比例也呈上升态势，而全塑车身的出现也显出了复合材料在未来汽车工业中的巨大潜力。除此以外，铝合金、镁合金、高强度钢、钛合金等轻质材料也越来越多地应用于

6、汽车。,2.1高强度钢,汽车用高强度钢板的开发进程,1975 1980 1985 1990 1995 2000,2.1.1 高强度钢的发展历史,高强钢的应用越来越广，我国在这方面起步较晚,2.1高强度钢,北美轿车高强度钢的应用趋势,价格低，经济性好；性能优越，能保证大零件的刚性；利用现有的汽车生产线，节约设备投资。,2.1.2 高强度钢在车身轻量化发展中的地位和作用,目前，钢材乃车身主要用材。未来，高强钢的比例会大幅增加,2.1高强度钢,2.1.3 高强度钢在车身上应用的示例,车身结构减重抗扭抗弯提高造价降低90%高强钢板,减重32%无框架车门结构高强钢车门外板超高强钢车门杆件,减重约30%制

7、造成本降低成本低于铝材30%,五星碰撞标准生产成本被接受油耗降低钢铁高回收性,2.1高强度钢,ULSAC,ULSAC项目试制车门的结构及装配过程,ULSAB,2022/12/18,2.1高强度钢,ULSAB-AVC,ULSAB-AVC项目中采用的材料强度和加工工艺,ULSAB-AVC项目中采用的各种高强度钢板,PNGV项目的研究成果表明：高强钢是目前轻质车身用材的首选,2.1高强度钢,2022/12/18,2.1.4 高强度钢在车身上应用的基础,车身用高强钢的分类,2.1高强度钢,屈服强度小于210MPa的钢为软钢210-550MPa的为高强度钢(HSS)高于550MPa的为超高强度钢(UHS

8、S)。,汽车用钢屈服强度和伸长率的关系,590MPa级残留奥氏体热、冷轧钢板的机械性能,2.1高强度钢,2022/12/18,材料结构方式,变截面技术对于车辆的轻量化、安全性和其结构本身的承载适应性都有显著提高,各种结构板料的减重效果比较,2.1高强度钢,各种结构板料的机械性质比较,综合新方案,连续变截面板技术，轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整变化，从而使轧制出的薄板沿轧制方向上具有预先定制的变截面形状。,2.1高强度钢,TRB的应用实例,运用TRB技术的宝马后横梁,2.1高强度钢,2022/12/18,高强钢拼焊应用于车身,欧洲激光拼焊板历年使用量,激光拼焊板，采用激光焊接技术把不同厚度

9、、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压。,2.1高强度钢,2022/12/18,空心变截面钢管技术，实现进一步的轻量化，而且与传统的矩形截面相比，具有同样的抗拉压和突出的抗扭力学性能。,TRT在NSB项目中的应用,TRT在Scalight项目中的应用,2.1高强度钢,对不同部位，起不同作用的部件，使用不同强度的高强钢,车身用高强钢的结构与性能,2.2铝合金,“四门两盖”阶段,“壳式支撑结构”车身,比较昂贵的权宜之计，对车身承载性影响不大,带加强筋钢结构的一种替代品,2.2.1铝合金的发展历史,“空间框架结构”车身,实现了全铝车身设计制造,铝合金在汽车车身上的应用主要经

10、历三个阶段,2.2铝合金,2.2.2铝合金在车身轻量化发展中的地位和作用,北美、欧洲、日本轿车用铝合金占车身质量比例,铝合金比强度高，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截面的构件，从结构上补偿了部件的刚度；吸能性好，碰撞安全性优势明显，而且由于车身质量减轻，在碰撞时产生的动能减小。,2.2铝合金,2.2.3铝合金在车身中应用的示例,奥迪A8 第一代铝合金ASF车身,奥迪 A2第二代铝合金ASF车身,新奥迪A8第二代铝合金ASF车身,2.2铝合金,铸造铝合金 直接用铸造方法浇注或压铸成零件或毛坯的铝合金。,2.2.4车身用铝合金的特点,变形铝合金 是经熔炼铸成铸锭后，在经过热挤压加工形

11、成各种型材、棒材、管材和板材。,离合器壳体、变速箱壳体等壳体类零件；发动机部件；保险杠、轮辋、制动钳等非发动机结构件。,制造保险杠、发动机罩、车门行李箱等车身面板、车轮的轮辐、轮罩、轮外饰罩等结构件仪表板等装饰件。,2.2铝合金,.,密度低,耐蚀性好,柔性的强度设计,高的导热性能,表面美观,铸造性好,是钢的1/3,不易生锈,在常温下的强度不低于铸铁,约比铝高三倍,无色透明的氧化膜,溶化温度低，易成复杂形状,切削性好,耐磨性好,是铸铁的4-5倍，工具磨损小,2.2铝合金,主要铝合金板的机械性能,奥迪铝车身空间框架结构中的材料,2.3镁合金,2.3.1镁合金在车身上应用的示例,近年来世界汽车用镁合

12、金压铸件统计表,镁合金压铸件对减轻质量和提高性能的影响十分显著，故障车身上应用的发展极其迅猛,2.3镁合金,2.3.2镁合金在车身上应用的出发点,铸造镁合金多用于压铸工艺生产。生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织优良、可生产薄壁及形状复杂的构件。,变形镁合金可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工。具有更高的强度、更好的塑性和更多的样式规格。,按化学成分分类,按是否含变质剂锆分类,按成型工艺分类,2.3镁合金,镁合金的力学性能,2.3镁合金,.,质量轻,比强度高,稳定性高,阻尼系数良好,点此屏蔽性好,可回收性好,是钢的1/5,是铝合金的1.8倍,工件尺寸精度高,减振降噪,防电磁干扰

13、,符合环保要求,切削性好,铸造成型性好,易加工,壁薄，并生产效率高,镁合金压性能非常优越，在工艺技术支持下应用前景广泛,2.4复合材料,复合材料应满足的条件 由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组成；用人工方法制造的；性能优于各组分单独存在时的性能，具有协同增强的特点。,2.4.1 复合材料的发展历史,玻璃纤维增强材料,碳纤维增强树脂基复合材料,有机纤维复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,复合材料性能人为可造、可控，是二十一世纪新兴材料,2.4复合材料,2.4.2 复合材料在车身轻量化发展中的地位和作用,在汽车用材料中复合材料正占有越来越重要的地位,改善性能、赋予功能性、改善加工性、

14、降低成本是开发复合材料的目的,2.4复合材料,2.4.3 复合材料在车身上应用的示例,BMW CFRP 侧围骨架,复合材料的框架结构,复合材料车身顶盖,复合材料备胎总成,2.4复合材料,雷诺 Avantime 车身塑料件,克莱斯勒的CCV车身,通用概念车Ultralite,2.4复合材料,2.4.4 复合材料在汽车车身上应用的出发点,聚合物基体 分为热固性和热塑性两大类，以热固性树脂为主，主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等。,增强材料 复合材料中的增强用纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和金属纤维等，其中应用最广泛的是玻璃纤维。,玻璃纤维对乙烯基酯树脂的增强作用,2

15、.4复合材料,热塑性热固性,金属与金属复合材料非金属与金属复合材料非金属与非金属复合材料,按其组成分类,按其结构特点分类,纤维复合材料夹层复合材料细粒复合材料混杂复合材料,按其基体材料分类,正是因为复合材料的人为性导致了材料的复杂性和性能多样性。,2.4复合材料,2.4.5 车身用复合材料的特征及其与汽车性能的关联,2.4复合材料,各种碳纤维的特性,碳纤维复合材料与常用工程材料比性能比较,各种材料吸收性能的比较,2.4复合材料,Dodge viper 跑车的碳纤维车架结构,Porsche 的碳纤维发动机罩,梅塞德斯奔驰SLR 跑车,使用了一体式碳纤维车架的Ferrari F50,轻质高强、耐撞击，抗断裂韧性好、减振，隔音性能好、可设计性好、电性能好、耐腐蚀性能好、热性能好、工艺性能优良、老化现象是复合材料的特点，尤其是新型碳纤维复合材料性能格外优越，最具发展前景。,绪论,车身用轻质材料,轻质车身结构的成型工艺,轻质车身结构的连接工艺,应用多种材料的轻质车身设计,车门的轻量化设计示例,