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【技術干貨】汽車新技術上篇:汽車輕量化分析
發布日期:2019-05-15  來源:人民交通出版社股份有限公司  作者:史文庫  瀏覽次數:477
核心提示:10.1:概述 隨著人們對汽車安全性、舒適性、環保性能要求的提高。汽車安裝空調、安全氣囊、隔熱隔聲裝置、廢棄凈化裝置、衛星導
 
 
 10.1:概述
          隨著人們對汽車安全性、舒適性、環保性能要求的提高。汽車安裝空調、安全氣囊、隔熱隔聲裝置、廢棄凈化裝置、衛星導航系統越來越普及,這無形中增加了汽車的質量、耗油量和耗材量。汽車工業已成為我國的支柱產業。2007 年我國汽車消耗全國石油的60%。圖10-1 所示是1990 年以后我國石油供應結構的變化。從圖中可以看出我國石油需求量對進口的依賴度已超過50%。今后還將進一步加大。 隨著汽車產量和保有量的增加。汽車在給人們的出行帶來方便的同時也同時產生了油耗、安全和環保三大問題。
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       節約能源、減少環境污染成為世界汽車工業界亟待解決的兩大問題,而減輕汽車自重是節約能源和提高燃料經濟性的最基本途徑之一。因此汽車輕量化成為21 世紀汽車技術的前沿和熱點。輕量化已成為汽車優化設計和選材的主要發展方向。
       10.1.1:汽車輕量化是實現節能減排的有效手段
       汽車的燃油消耗與車重的關系很難用簡單的數學關系是表達。但可以從理論分析和試驗兩個方面找到它們之間的關系。 汽車行駛的阻力F 可由下式表達:

由式(10-1)可知,汽車行駛阻力越大,耗油越多。汽車行駛阻力包括滾動阻力、坡道阻力、加速阻力和空氣阻力等四部分從式(10-1)可以看出?除了空氣阻力主要與車身形狀大小有關外。其他三項均與整車質量成正比 經驗數據顯示空氣阻力約占行駛阻力的25%。目前,減少這部分阻力的措施通常由:流線型車身、全黏結風窗玻璃、隱蔽式刮水器、下地板全封裝等。
     汽車輕量化是當代國內外汽車工業發展的一個重要課題:

     (1)在保證汽車質量和功能不受影響的前提下,最大限度地減輕各零部件的質量降低燃耗減少排放污染。
     (2)在使汽車減輕質量、降低油耗、減少排放的同時?努力謀求高輸出功率、高響應性、低噪聲、低振動、良好操縱性、高可靠性和高舒適性等。
     (3)在汽車輕量化的同時?汽車的價格應當下降或保持在合理水平。具有商業競爭能力。即汽車的輕量化技術必須是兼顧質量、性能、價格的技術。
汽車輕量化對汽車技術的不斷發展起到了重要作用。
     10.1.2:汽車輕量化是環保的要求
     按2005年美國環保局的數據。各個產業的溫室氣體排放情況如圖10-2所示,交通運輸的溫室氣體排放量僅次于電力工業。這些數據表明:汽車工業節能減排對于一個國家的能源供應和環境保護都具有重要的意義。
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10.1.3:實現汽車輕量化的主要途徑
       汽車輕量化技術可以分為:結構優化設計、輕量化材料的應用和先進制造工藝等3 個主要方面。其中,結構優化設計方面包括:汽車結構的尺寸優化、形狀優化、拓撲優化和多學科設計優化、輕量化材料的應用方面包括:高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料等。先進制造工藝方面包括:液壓成型和激光焊接等。
      (1)輕量化的結構設計和分析。而且這種設計已經融合到了汽車的前期概念計階段優化結構的主要途徑是利用有限元和優化設計方法進行結構分析和結構優化設計,以減少零部件的質量和數量。
      (2)輕質材料在汽車上的應用。包括鋁、鎂、高強度鋼、復合材料、塑料等。并在前期與結構設計融為一體,以及相應的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應用。 據統計汽車車身、底盤、發動機三大件占一輛轎車總質量的65% 以上。 一般全鋼結構白車身通過優化設計可以減重7%左右采用鋁合金的車身可以帶來30% ~50% 的輕量化效果而想減輕更多的質量就只能求助于纖維復合材料。而先進的加工工藝是為了應對材料和結構的變更,而提出新的工藝。
10.2:結構優化設計
      
 汽車輕量化結構設計主要是在滿足設計性能要求的前提下,盡可能使汽車零部件的材料在空間合理分布。避免不必要的材料利用,以獲得最輕的結構設計。大多采用CAE 技術對汽車的結構進行優化?使零件薄壁化、中空化、小型化、復合化。
      結構優化設計分為尺寸優化設計、形狀優化設計和拓撲優化設計。 其中,拓撲優設計是在設計空間內尋求結構最佳的傳力路徑。對提高汽車零部件綜合性能和減少汽車零部件質量的效果較其他優化更突出。
10.2.1:尺寸優化設計
       結構尺寸優化是應用最早、也是應用最成熟的一種汽車輕量化技術。 它一般以汽車零部件的尺寸(如沖壓件的壁厚、梁截面尺寸、減重孔的尺寸等)參數為設計變量,以滿足不同工況下的剛度、強度、振動、吸能等約束條件。以結構質量最小為目標函數構建優化模型。
10.2.2:形狀優化設計
      形狀優化主要是指改變結構的整體或者局部外形,使得結構受力更加均勻。從而更加充分地利用材料。
     形狀優化方法有兩種。對于具有幾何外形的結構,可以將結構的幾何外形參數化。從而將形狀優化轉變為尺寸優化問題。 但是對于汽車結構來說,更多的是具有不規則的幾何外形,此時難以采用參數來描述幾何外形。因此無法將其轉化為尺寸優化問題。針對這種問題,目前廣泛采用不需要尺寸參數的無參形狀優化方法。
10.2.3:拓撲優化設計
      拓撲優化以事先指定的設計空間的材料分布為優化對象。通過優化算法自動給出最佳傳力路徑,從而節省最多的材料。 拓撲優化方法被認為是最具有潛力的結構優化方法,主要應用在結構概念設計階段。 目前提出的拓撲優化方法有多種,其中最主要的一種方法是變密度法。
       拓撲優化將汽車零部件減重設計和汽車結構優化設計結合起來進行零部件設計初期的概念設計。可以使得在滿足零件綜合性能要求的情況下獲得較輕的結構形式,指導設計者后期的設計,對于零部件結構形式的創新性設計和減重設計有著重要的幫助。
10.3:輕量化新材料
      采用輕質材料在目前看來具有更巨大的潛力。是汽車輕量化的主流, 汽車行業普遍注重于開發輕量化材料來解決這一難題。 在確保汽車綜合性能指標的前提下,使用輕質材料來制造車身。可以很大程度減輕車身的質量。 目前在國內外汽車上應用較多的輕量化材料有鋁合金、鎂合金、高強度鋼、塑料及復合材料等。 表10-1列出了某國中型轎車主要材料構成比例。從中可以看出,汽車上使用鋼鐵材料的比例逐年減少,而鋁合金等輕量化材料的比例不斷上升。但是,高強度鋼仍是頗具競爭力的汽車輕量化材料,它在抗碰撞性能、耐蝕性能和成本、回收等方面較其他材料仍具有較大的優勢。尤其是用于車身結構件與覆蓋件、懸架件、車輪等零部件。
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      鎂合金和鋁合金、鋼鐵和塑料的物理機械特性的比較見表10-2而表10-3 列出了常用幾種輕量化材料的減重效果及相對成本。
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10.3.1:新型鋼材
1)高強度鋼
對于高強度鋼,以前并無統一的定義。有人認為抗拉強度超過340MPa 的稱為高強度鋼。瑞典學者將鋼板強度級別分為普通強度鋼(MS)、高強度鋼(HS)和特高強度鋼(EHS) 按照ULSAB 所采用的術語。將屈服強度為210~550MPa 的鋼定義為高強度鋼(HSS)屈服強。
度為550MPa 的鋼定義為超高強度鋼(UHSS)?而先進高強度鋼(AHSS)的屈服強度則位于于HSS 和UHSS 之間的強度范圍? ULSAB 是超輕鋼質車身項目的簡稱。該項目是由世界主要鋼板生產商致力于開發出超輕鋼質車身而發起的。
圖10-3 所示就是Volvo S40 通過使用不同強度的鋼材(分為普通、高強度、超高、特高)而提高車身碰撞安全性的一個典型例子。
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        高強度鋼又可分為傳統高強度鋼和先進高強度鋼兩類。傳統高強度鋼種包括低碳鋼、無間隙原子鋼、各向同性鋼、烘烤硬化鋼、碳錳鋼、低合金高強度鋼。 先進高強度鋼是金相組織強化的鋼種。包含變相誘導塑料鋼、復相鋼、馬氏體鋼、雙相鋼等。在提高強度的同時具備了良好的延展性和塑性。圖10-4 所示為高強度鋼在汽車上的應用。

 

 
 
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2)熱成型鋼
     熱成型鋼是指將鋼板經過950℃左右的高溫加熱之后一次成型。又迅速冷卻加工而成的一種具有超高屈服強度的鋼。
      (1)極高的材料強度及延展性。一般的高強度鋼板的抗拉強度在400~450MPa而熱成型鋼材加熱前抗拉強度就已達到500 ~800MPa。加熱成型后則提高至1300 ~1600MPa。為普通鋼材的3 ~4 倍。其硬度僅次于陶瓷。但又具有鋼材的韌性。因此由熱成型鋼板制成的車身極大地提高了車身的抭碰撞能力和整體安全性。在碰撞中對車內人員會起到很好的保護作用。
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       這方面比較典型的一個例子是邁騰轎車中熱成型鋼板的應用。如圖10-5所示圖中紅色部分為實用熱成型鋼板的零件。
       (2)能有效減輕整車質量,降低能耗。由于熱成型鋼板極高的材料強度。因此在設計時可以用一個熱成型零件代替多個普通鋼板的零件。
       (3)具有很好的材料成型準確度,消除材料回彈的影響。可實現復雜形狀的設計。 由于熱成型鋼板的特殊性質,并且是加熱后成型。因此可以在一道工序完成普通冷沖壓成型需多道工序才能完成的復雜形狀。
       熱成型鋼板基于上述優點在車身制造中具有很大的應用潛力。但是,由于生產工藝及成本方面的限制。目前,熱成型鋼板在國內只有長春及上海的兩家工廠在生產。
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