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汽车轻量化设计的技术路线分析

来源:研车有道 时间:2018-02-10 10:00 浏览次数:15723
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摘要:轻量化材料不仅可以节能减排,也可以降低汽车研发成本。采用先进的工艺技术可以提高车身的安全性、耐久性。对此,本文从多个角度分析汽车轻量化设计的多种技术路线。

  汽车轻量化是节能减排的重要措施,对于汽车工业的长远发展有着重要影响。目前汽车轻量化材料在车身上得到了广泛的应用,实现汽车轻量化主要通过采用轻量化材料及应用先进的工艺技术,轻量化材料不仅可以节能减排,也可以降低汽车研发成本。采用先进的工艺技术可以提高车身的安全性、耐久性。对此,本文从多个角度分析汽车轻量化设计的多种技术路线。

  1引言

  轻量化设计的突出优势体现在提高了汽车燃油经济性,减少了尾气排放量,也节约了材料。研究显示,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6~8%;汽车每减少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L。轻量化对环保也很有好处,车辆每减轻100kg,CO2排放量可减少约5g/km。轻量化对于制造企业和消费者都是有益的。轻量化设计技术路线较多,需要就工程实际进行选择,减少成本,得到最大的轻量化效果。

  2汽车轻量化现状

  我国的汽车技术发展路径主要包括:新能源汽车技术、发动机减排技术和汽车轻量化技术,虽然目前汽车轻量化技术已经成为各国汽车发展的重要技术手段,但是我国汽车轻量化技术的使用暂时还并没有被大规模普及,国内汽车轻量化相关产业暂时还未形成较为大型的规模。与世界大品牌的汽车企业相比,我国还存在着较大的差异,例如我国目前也还是使用镁铝合金,但是使用的比例却比先进国家的水平相差1/2,尤其是与北美国家的汽车企业相比轻量化材质的使用仅仅是其的1/3,与欧洲的一些先进国家的汽车企业相比更是仅仅能达到其合金用量的1/10。因此我国还需要加大力度推广汽车轻量化技术。但是想成功实现汽车减重并不是仅仅需要依赖于材质的改变,汽车轻量化设计包括轻量化制造工艺、轻量化结构设计和轻量化材料设计各种技术的集成。

  3汽车轻量化设计的技术路线分析

  3.1材料替代

  3.1.1高强度钢板的应用高强度钢板的真正优势是减薄钢板、减轻车身质量而又不降低车身安全性。无论从成本还是性能角度分析,高强度钢板是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的首选材料,主要应用在AB柱、地板、门槛等车辆的关键结构件。

  3.1.2铝合金的应用铝合金作为轻质金属,是汽车轻量化的理想材料。铝合金在汽车领域的用量在逐步增加,且种类多样化,大有代替钢板、成为未来汽车车身主要材料的趋势。铝合金的主要特点包括:密度小、比强度和比刚度高、弹性和抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金,铸造铝合金用于重力铸造件、低压铸件和特种铸造件;变形铝合金主要用于空调系统零件、压缩机件、行驶系部分零件、发动机冷却系统散热器件、车身零件和装饰件等。铝基复合材料用于制造汽车活塞、气缸套、悬臂架、制动卡钳、驱动轴及车轮等汽车零件。

  3.1.3热塑性塑料的应用热塑性塑料目前主要应用在后尾门,雷诺汽车的后尾门是市场上最大的塑料尾门之一,相比钢制后尾门,减重10%,提高了市场感知度,并且注塑、组装工艺简单,降低了生产成本。

  3.1.4复合材料的应用复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料组成,其综合性能优于原组成材料,并满足不同的要求。其中,碳纤维复合材料(CFRP)因其质量轻、高强度(钢的5倍)、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点,已成为一种非常理想的汽车轻量化材料。如果1辆乘用车采用10kg的复合材料,按照每年新车产量2300万辆计算,车用复合材料产业将形成千亿元的市场规模。由于碳纤维复合材料制造成本过高,在汽车中的应用有限,最初仅在F1赛车、超级跑车、小批量车型上应用,如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、保时捷911GT3承载式车身上。但随着碳纤维制造成本的下降,复合材料制造工艺的成熟,各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发,如今被广泛地应用于高级轿车上。

  3.2结构优化

  车身结构优化设计:车身结构优化设计方法主要有车身刚度、强度和疲劳强度分析法、反演技术、多目标优化、不确定性优化等,均为研发车身基本特性参数匹配及优化的关键技术,为车身结构优化设计提供有力支持。车辆轻量化结构设计技术包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块及结构设计,部分车型在结构件上也采用了辊压成形,差厚板等工艺技术,可减少零部件数量,减少工序,减轻质量,降低成本,在保证汽车整体性能不受影响的前提下,达到轻量化的目的,雷诺采用差厚板设计,实现减重2kg。例如EXO的概念车又称为“网格曲面结构”,设计师的目的是希望用直线制作出车身曲面的效果。在车身和前大灯造型方面类似于欧洲许多建筑物顶部半圆的穹顶的球体被劈成两半的形状,造型来源是由于想象从许多距离相等的点,并且将其连接起来则会形成一个网格状的结构球体。并且对于车身结构来说,利用网格状的结构不尽强度可以提高,而且在车架外部覆盖这样一个网格状的结构可以减少材质的使用,该车的发动机罩及挡风玻璃采用复合材质,更有效的降低汽车的重量。

  3.3性能优化设计

  当前汽车是人类生活必不可少的交通工具,对于汽车的使用要求转提出,而保证汽车性能的稳定性,提高汽车行驶的安全性是首要考虑的话题。影响汽车安全性的因素为变形吸能的零部件,如耐撞盒、前纵梁等。这些零部件在运行的过程中,会对汽车碰撞时的加速度或力构成很大的影响,可见,保证薄壁吸能部件的质量是关键,也是汽车开展轻量化设计的关键所在。仅仅依靠优化设计薄壁吸能零部件是不够的,还要深度研究汽车的高强度钢板在吸能上的特征表现。

  3.3.1汽车板材的选择

  当前汽车领域的材料发展速度较快,研发力度较大,诸多新型的汽车制造材料被挖掘出来,但是仍旧无法全面代替汽车制造过程中所需的钢材,因此,钢材仍旧是现代汽车车身设计的主要结构材料。高强度钢板的出现,能适度的减少汽车在钢材上的使用量,进而会减轻汽车本身的重量,实现汽车的轻量化设计,且材料成本较低,值得被应用到的汽车设计领域。CAE技术、数值优化技术的出现,能及时对车辆在碰撞上的安全系数、噪声与振动情况进行分析,能通过各项数据的罗列,能在汽车设计中做到智能化选材。为此,就汽车板材、耐撞吸能性进行分析,就板材的质量、特点等内容予以深度阐述。汽车板属于薄钢板,且很多零部件都是采取冲压的方式而成形的。盖板、车门属于车身的覆盖件,而内部的构件主要为支撑的筋板、梁等。一般情况下,汽车冲压板的尺寸较大,形状比较复杂,材料较薄,对整个部件表面要求很高,若部分区域遭受外力干扰极易发生变形,会对部件构成严重的威胁,最终形成废件。现如今,常见的汽车制造所需钢板有深冲钢板、高强度钢板、镀层钢板、超低碳超深冲钢板以及复合型钢板五种。其中,高强度钢板在汽车的轻量化设计中占据着优势。

  3.3.2车体侧面碰撞优化设计模型

  为了深度开展汽车的轻量化设计工作,本文选取了整辆车的侧面碰撞有限元模型来开展优化设计实验。选材的零部件准备好仿真车后,应保证小车以55km/h的速度进行撞击,保证撞击在规定时间内完成。借助计算机系统对的碰撞有限元的相关数据与信息进行分析,选取车体的侧面为研究对象,进行数值优化设计,从中选择最优的材料匹配对象,旨在提升汽车侧面碰撞的安全性。通过研究与实践,最终获得侧面碰撞选材的数学模型:

blob.png

  在该模型的关系式中,xim表现零件,其属于一个变量,取值主要为几种钢种,而P1d、P2d、P3d则分别是P1、P2、P3渗透量的最大值,而P1v、P2v、P3v则为三个点的渗透速度。P1、P2、P3三点为模型响应测验时所选择的点。

  4结束语

  综上所述,汽车强量化设计与材料、结构设计等紧密结合,在实际设计过程中,可着重从车轻量化材料的使用与汽车结构的轻量化设计入手,尽量使用轻量化材料,并结合合理的结构设计实现在整车刚度、性能不降低的前提下的轻量化。技术的不断发展也会促进汽车轻量化设计的发展,需设计人员注重自身素养和理论知识的提升,依据实际需求进行优化设计。





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