2015年《汽车节能技术》结课论文

机械车辆学院
《汽车节能技术》结业论文
论文主题汽车轻量化技术
姓xxx
学号1104030xxxxx

x

2011级车辆工程4级

班主任教师xxx

成绩

目录1 .车身轻量化技术概要2

1.1车身结构设计轻量化现状2

1.2车身结构材料轻量化现状2

2 .实现汽车轻量化3

2.1车身结构轻量化的途径3

2.2车身结构轻量化材料的选用4

2.3电动车选择小型化汽车电池4

3 .汽车轻量化的发展和前景5

3.1车身结构轻量化先进材料有哪些？ 5

3.2车身结构轻量化进展6

3.3汽车轻量化前景6

参考文献7

1 .车身轻量化技术综述1.1车身结构设计轻量化现状

目前，“超轻型钢结构汽车车身”联盟( ultralite steel auto body，ULSAB )共同制定了新的汽车车身设计行业标准，以减少汽车钢结构车身的重量，并保持汽车性能和成本不变。 离开我国一些科研单位，也在研究激光焊接板制造车身零件、设计变截面弹簧钢梁、获得车身悬架系统层合板弹等，以达到保持车身抗震性能、节约材料、降低成本的目的。

结构设计中的修饰法通过优化车身结构实现轻量化，前轮驱动( FWD )结构是结构轻量化的典型和成功范例。 没有通过驾驶舱下面的驱动轴。 不需要制造后桥壳，变速器和差速器组装在一个壳体中，所以需要的零件变少，对整车的轻量化起到很大的作用。 通过减轻车重可以提高加速性、制动性和油耗。 同时，由于前轮驱动的汽车驱动轮承受着发动机和驱动桥的重量，可以提高驱动轮的附着力，对在潮湿路面上行驶的汽车有很大的帮助。

汽车轻量化的前提必须保证汽车整体性能不受影响。 即使在结构轻量化设计中变更结构，也不能降低零件的强度。 这可以用有限元分析方法解决，乍一看可以减少骨架、发动机、车身钢板的重量。 刚性高的结构、零件一体化、焊接减少、厚度的合理选择和分配等都能达到轻量化的效果。

目前出现了一些具有自主知识产权的车身模具开发技术，其上汽通用五菱在薄板冲压技术和模具设计理论方面开展了深入的研究； 开展轿车轻量化技术研究，采用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，减少车身骨架、发动机和车身蒙皮重量等。

1.2车身结构材料轻量化现状

应对汽车自身质量的下降，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：

1 .轻质材料比重上升，镁铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等应用越来越多；

2 .采用前轮驱动、高刚度结构、超轻悬架结构等实现轻量化目的，结构优化和零部件模块化设计水平不断提高，计算机辅助集成技术( CAX ) )和结构分析等技术也在不断发展；

3 .汽车轻量化促使汽车制造业在成型方法和连接技术上不断创新。

目前，我国进行了镁铝合金材料和铸件生产成套技术的开发研究，开发了多种铸造合金和高性能金属材料； 耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究取得了很大进展，半固态成形、快速凝固等先进成形技术的研究和应用也取得了突破。 一汽等几家大型汽车制造商都有自己的镁铝合金铸造生产线，国内一些大学和汽车研究所正在进行镁铝合金板材成形性、大型镁铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究。 国内汽车轻量化材料加速发展，汽车用高性能钢板、镁合金已成功应用于汽车。 例如，上海大众桑塔纳轿车变速箱采用镁合金，一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。

2.1汽车轻量化2.1如何实现车身结构轻量化

1 .变截面薄板及其在车身制造中的应用

用于车身制造的变截面薄板分为激光焊接板( tail(rweldedblanks，TWB )和通过柔性轧制制造工艺得到的连续变截面面板) tail(rro输出ngBlanks，TRB )两种TWB根据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术焊接不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板，然后压制。 这样，冲压工程师就可以根据车身各部位的实际受力和变形大小，为某个车身零件定制理想的拼接板材，从而节约材料、减轻重量、提高车身零部件的性能。 在一些汽车制造强国，TWB已经成为汽车制造业的标准技术，主要是汽车的侧车架、车门内板、车身底盘、电机隔板导轨、中柱内板、挡泥板、防撞箱等车身

因为TWB可以根据需要任意地接合在一起，所以非常灵活，并且可以根据等强度的概念进行优化设计。 通过将它们从原来的锻造加工变为冲压加工，可以提高加工效率，还可以节约加工能量。

TRB是通过一种新的轧制技术——柔性轧制技术获得的连续变截面薄板。 柔性轧制技术与传统轧制加工方法中的纵向轧制技术相似，最大的不同在于在轧制过程中实时调整和改变轧辊间距，使轧制的薄板沿轧制方向具有预定制的变截面形状。 在柔性轧制过程中，通过计算机对轧机的实时控制，可以自动、连续地调整轧辊间距，实现中厚板向TRB板的轧制。 这意味着在轧制前必须考虑钢板各部位在后续成形加工中的实际力和变形以及车身整体承载情况，选择有利于后续加工的板料形状面。 在目前的设计领域，已经具备了相当成熟、功能强大的CAD /CAM/CAE软件，该优化设计可以通过DFM/DFA (面向制造的设计和面向组装的设计)等手段实现。

TRB连续变化的截面为后续成形加工提供了有利的可能性。 例如，如果使用有限元分析或数字模拟技术，判断冲压中车体罩有可能出现裂纹，或者可能产生材料流动性大的部位，则在车体设计阶段可以对零件的某个部位分配较大的板厚，有效地避免废品的产生

2.2车身结构轻量化材料的选择

据统计，汽车车身、底盘(包括悬架系统)、发动机三个零部件约占一辆轿车总质量的65%以上。 其中，车身外、内盖质量又居首位。 因此，降低汽车车身质量对降低发动机功耗和降低汽车总质量具有双重效果。 为此，首先应该在车身制造材料方面寻找突破口。 具体而言，这些方案包括：

(1)使用密度小、强度高的轻质材料，如铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

)使用同密度、同弹性模量且工艺性能良好截面厚度薄的高强度钢；

)3)使用基于新材料加工技术的轻量化用材料，如连续挤压变形截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。

方案(1)和(2)是通过改变车身材料的种类来实现汽车轻量化的。 其中，镁铝合金具有高强度、耐腐蚀、热稳定性好、易成型等一系列优点，已经成功地制造了车身、底盘和悬架系统、发动机和车轮等零部件，但由于镁铝合金中含有高含量的硅和铁，回收利用成为新的镁比铝轻，最适合作为铝的替代品。 随着汽车轻量化技术的发展，已经有60多种汽车零部件开始用镁合金制造，世界上镁材料的消费量日益增加。 但是，在地球上镁恰恰是稀有的属，不仅价格昂贵，而且镁合金的加工成形困难，限制了镁的广泛使用。 塑料聚合物，如连续玻璃纤维和热塑性树脂改性聚丙烯复合材料( G1(ssmatreinfo ) cedthermoplastic，GMT )，是密度为金属1/5的最佳车用轻质材料。 塑料制造汽车零部件所消耗的能源仅为钢材能耗的1/2，还具有加工容易、成形性好、耐腐蚀等特性。 目前轿车使用GMT材料的零部件有800多种，主要有发动机罩、仪表板框架、电池支架、座椅框架、轿车前模块、保险杠、行李架、胎盘、挡泥板、风扇叶片、发动机不仅是零部件的制造，车身整体的制造，也期待应用于所谓的“全塑车身”。 但不同种类的塑料聚合物材料性能千差万别，塑料的强度、抗冲击性、抗蠕变性及抗老化性也是难以克服的弱点； 另外，方案(2)会导致车身成本上升。

相比之下，至少在目前和今后相当长的时期内，钢仍然是汽车车身制造用材料的最佳选择。 钢材不仅具有优良的性能价格比，而且有长期积累的冶金技术和成型加工经验，在汽车行业仍然占有不可动摇的霸主地位。 另一方面，从材料加工的观点出发，方案(3)大幅提高特殊加工后的钢板材料的装载性能、成形性能或其他方面的性能。

2.3电动汽车选择小型化的汽车电池

在混合动力和纯电动汽车中，用什么方法可以减肥呢？ 许多汽车企业的做法是从提供驱动能量的电池着手。 最初，人们利用铅酸电池为电动汽车供电。 其理由是电极材料容易得到，制造简单。 随着技术的进步，镍氢电池应运而生，它比铅酸电池更轻、容量更大，在混合动力车中得到广泛应用。

随着油耗和环保法规的收紧，汽车企业希望在电动汽车上达到最新标准，镍氢电池的大容量也无法达到。 镍氢电池的能量密度不能与根据重量的化石燃料的能量密度相比。

3.1汽车轻量化的发展与前景3.1车身结构轻量化先进材料有哪些

1 .高强度钢板的主要特点是具有高强度、良好的强度和塑性平衡，随着强度的增加，延伸率和应变硬化指数的下降非常小； 耐腐蚀性优异，点焊性优异。

2 .镁铝合金与汽车钢板相比，具有密度小( 2.78/cm‘)、比强度高、抗锈蚀、热稳定性好、成型容易、可回收利用等优点，技术成熟。 根据车身结构设计需要，采用激光束压缩成型工艺，将不同厚度的铝板或铝板与钢板复合成型，表面涂覆防腐材料使结构轻量化，且具有良好的耐腐蚀性。 所有铝合金都可以回收利用，因此很受环保人士的欢迎。

3 .由于镁合金镁比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，在航空工业和汽车工业中得到广泛应用。 镁的储量非常丰富，镁可以从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含有3.7%的镁。 近年来，镁合金的全球增长率达到20%。 铸造镁合金的门由铝材成形的门框、耐碰撞的镁合金骨架和内衬板组成。 另一种镁合金门由内外门板和中间蜂窝状加强筋组成，每扇门的净重比传统钢制门轻10kg，刚性极高。 随着压铸技术的进步，已经可以制造出前、后挡板、仪表板、方向盘等形状复杂的薄壁镁合金车身零件。

4 .泡沫合金板泡沫合金板采用粉末合金制成，弹性好，在受力压缩变形后，通过自身的弹性可以恢复原料的形状。 泡沫合金板种类繁多，由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，受到汽车制造商的青睐。 现在，用泡沫铝合金制作的零件有发动机罩、行李箱盖等。

5 .蜂窝芯复合板蜂窝芯复合板由两层薄板之间夹有极轻的厚蜂窝组成。 蜂窝夹层芯复合板因其重量轻、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，在汽车车身中得到了广泛的应用。 例如，车身板、门、框架、保险杠、座椅框架等。

6 .工程塑料工程塑料具有优良的机械性能、电气性能、耐化学腐蚀、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比取代的金属材料轻，成型时能耗少。

7 .高强度纤维复合材料高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料( CFRP )，重量轻，而且具有高强度、高刚性，具有良好耐蠕变性和耐腐蚀性

是一种很有发展前景的车用轻量化材料。 复合材料的车身装饰材料，如发动机罩、挡泥板、车门、车顶板、导流罩、车厢后门等，被广泛使用，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。

3.2车身结构轻量化进展

汽车车身节能主要包括重视车身造型减少空气阻力和实现车身轻量化两方面的节能技术车身质量约占汽车总质量的30%，因此汽车车身的轻量化对减轻汽车自重、提高整车油耗至关重要。 从车身造型的发展历史、车身结构轻量化设计TWB以及优化车身结构轻量化设计和车身结构轻量化材料的发展趋势来看，汽车轻量化是我们所做的重要工作之一。 汽车轻量化的研究开发也很重要。

面对材料轻量化的趋势，提出提高我国汽车轻量化技术水平，当务之急是整合全国轻量化技术优势，开展产、学、研联合，构建资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台。 该平台应积极推进产、学、研合作与交流，制定促进汽车轻量化技术研究成果向产业化方向转化的汽车轻量化技术关键产品和检测方法等规范和标准； 建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术咨询的服务机构。

3.3汽车轻量化前景

中国汽车工业协会专用汽车分会副理事长王立耀最近忙于专用汽车轻量化技术的研究和普及。 因此，他关注锻造镁铝合金轮毂的发展前景。

世界汽车在过去的五年里增加了一亿辆，汽车已经对能源和环境提出了巨大的挑战，如果不能解决环境和能源问题，就没有汽车的未来。 这种观点，已经成为许多国家的共识。 担忧和压力使节能减排成为世界汽车业的首要课题。

关于节能减排，很多人关注的是目前热度很高的新能源汽车。 在王立耀，无论是新能源汽车还是传统汽车，轻量化趋势都是未来汽车的必然选择。

参考文献

[1]宋家慧.美国1990年油污法律及船舶油污损害赔偿机制综述[J] .交通环境保护，1996，20 ( 12 ):11-14 .

[2]贾林青.海商法[M] .北京：中国人民大学出版社，2010:15-17 .

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