《汽车轻量化》PPT课件.ppt

2016汽车轻量化 近年来，能源与环境的危机加速了各国政府对汽车行业的产品能耗和排放的严格控制。到2020年，除美国之外的全球主要的汽车生产与消费国家和地区对乘用车燃油油耗的要求都将严格限制在5L/100km以下的水平，而且碳排放也更为严格（国内在2020将采用国的排放标准）。l 在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。定义意义l 据研究，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。从绝对量来说，汽车质量每降低100kg，每百公里可节约0.6L燃油。主要途径l一、通过结构的合理、精准化设计，对车体的主要承力部件进行加强、非主要承力部件进行合理的弱化，在性能满足的前提下尽量减小传力通道截面大小，合理、精细化的选用材料板厚等来实现结构轻量化设计。l二、使用新材料替代普通钢材来实现轻量化设计，比如用铝合金、GFRP（玻璃纤维增强塑料）和CFRP(碳纤维)等密度更小的新材料来代替钢材来实现轻量化设计，比如用强度更高、板厚更薄的热成型材料（热成型材料本质上还是钢材）代替普通高强度钢来减少加强结构零件的数量实现轻量化设计。主流轻量化材料既能保证车体结构的性能，又能大幅度降低车体重量的材料，目前行业内普遍使用的是碳纤维、铝合金、镁合金、工程塑料碳纤维、铝合金、镁合金、工程塑料等密度较小的材料。这些材料在车体结构中的使用，轻量化效果非常明显。以铝合金车身的福特F150为例，车身实现了40%以上的减重，整备质量降低了300kg。车身采用碳纤维和铝合金粘连工艺而成的宝马i3，轻量化效果更为明显，作为纯电动车型整备质量却只有1195kg，相比同尺寸的常规车型来说，都要轻了150Kg左右。在整车中，质量最大的组件为动力系统、底盘系统以及车身，这3大系统的总质量达到整车质量的83%，其中车身质量占比为28%。据预测，汽车材料铝化率达到60%在经济上是可取的。近年来，发达国家汽车用铝大幅提高，全球汽车平均用铝量1978年仅50kg/辆，2008年上升到107kg/辆，增长了1.14倍；估计10年后可以提高到300kg/辆，在发达国家更是可以提高到320kg/辆。近年来奥迪、捷豹路虎、福特等都使用了全铝式的车身结构，铝合金已经成为了一种比较理想的轻量化材料。另外，铝合金还可以按照添加合金的不同和比例的不同以及制造工艺的区别，应用在车身、车架、制动盘、发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇车身、车架、制动盘、发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类动器零件、把手及罩盖壳体类等地方。应用铝合金在汽车中各系统的使用比例可以见下图，主要使用是在车身和底盘系统部件中车用轻量化新材料使用成本目前国内每吨车用冷轧汽车板材的成本在50009000之间，而每吨铝合金的材料成本高达4.5万左右，碳纤维的材料成本则更高，每吨约在80万左右，又因为其较高的成型废品率问题，让很多中低端车型在碳纤维的使用上更是望而却步。所以目前采用铝合金、碳纤维等新材料作为车身主结构的车型售价基本都在40万以上，铸铝件则较早就在发动机壳体、悬架摆臂、副车架等底盘和动力系统部件上使用，因所占车型开发成本比例较小，搭载车型级别不一。1汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的76%、铝压铸件的77%为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。铝铸件中不可避免地存在缺陷，压铸件还不能热处理，因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制。为此在铸件生产工艺上作了改进，铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多用的工艺。铝合金在轻量化中的应用铝合金在轻量化中的应用铸造铝合金铸造铝合金2变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。由于轻量化效果明显，铝合金在车身上的应用正在扩大。如1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身，比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg，引起全世界的瞩目。NSX全车用铝材达到31.3%，如在全铝车身上，外板使用6000系列合金，内板使用5052-0合金，骨架大部使用5182-0合金;由于侧门框对强度和刚度要求很高，使用以6N01合金为基础、适当调整了Mg和Si含量的合金。在欧美也有用2036和2008合金作车身内外板的。铝散热器发源于欧洲而后遍及全世界。在欧洲，到20世纪80年代后期铝散热器已占领市场的90%。随?车用空调、油冷却器等的大量使用，铝热交换器的市场迅速扩大。从材料的角度看，铝在热交换器上的广泛应用在很大程度上归功于包覆料覆层铝板和铝带的成功开发。铝合金在轻量化中的应用铝合金在轻量化中的应用变形铝合金变形铝合金3铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好，但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约，还没有形成很大的规模。目前，铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能，如本田公司开发成功的由不?钢丝增强的铝基复合材料连杆比钢制连杆降重30%，对1.2L的汽油发动机可提高燃料经济性5%;采用激冷铝合金粉末与SiC粉末(重量百分数2%)混合并挤压成棒材，用此棒材经锻造成型的活塞因强度高可降重20%，发动机功率大幅度提高;用铝基复合材料强化活塞头部而取消第一道环槽的奥氏体铸铁镶块可降重20%;铝基复合材料制动盘比铸铁制动盘降重50%。铝合金在轻量化中的应用铝合金在轻量化中的应用铝基复合材料铝基复合材料汽车轻量化的发展现状2016l2016年的夏天，汽车轻量化研究与推广着实火了一把。除了第20届德累斯顿国际轻量化论坛在德国举办，家门口的上海国际新能源及智能化技术展览会也专门设置了“汽车轻量化发展趋势”主题环节。l在我国，随着2020年当年产乘年当年产乘用车平均燃料消耗降至用车平均燃料消耗降至5.0升升/百公里的目标百公里的目标越来越近，很多汽车制造商都在寻找提升燃油效率的方法。曾经我们对减轻车身重量避之不及，但如今，轻量化已经成为与智能化、电动化齐头并进的汽车主要研发方向之一。全球各大汽车制造商、材料供应商甚至科研机构都在致力推进轻量化材料的研发进程。今年二月曾有媒体报道，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员成功研制出一种新型的超强轻质结构性金属，由镁、纳米陶瓷粒子、碳化硅纳米粒子合成，具有优良的承重能力，对未来汽车轻量化发展意义重大。相对仍处于科研阶段的新材料，轻合金、工程塑料、纤维复合材料等早已成为汽车轻量化材料实际应用的“先锋”。汽车轻量化的发展现状2016l其中“以塑代钢”无疑是汽车行业材料变革的发展趋势之一。工程塑料具有突出的成型性、轻量化以及面对强烈撞击时能够缓冲吸能，已成为一个衡量一个国家汽车工业发展水平的重要指标。据统计，发达国家汽车的单车塑料平均使用量为120千克，占汽车总重量的12%-20%，而这个比例还将持续升高，预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500千克/辆以上。l然而塑料刚度低、易老化，未来在车身大量运用仍面临不少安全隐患。汽车轻量化的发展现状2016l然而我们不能忽视的是，在种种优异特性的背后碳纤维也是一种脆性材料，一旦受力过大就会直接断裂，损坏后基本无法修复，而高昂的制造成本和回收费用更使得当前碳纤维的应用主要还局限于高端跑车、越野车和运动赛车上。复合材料是新兴战略产业中的重要材料。数据显示，世界平均每辆乘用车中复合材料约占总重量的6%。作为材料界中“外柔内刚”的英雄代表，碳纤维力学性能优异，密度不到钢的1/4，抗拉强度却是钢的7-9倍，是唯一一种在2000以上的高温惰性环境中强度不下降的物质。2013年宝马在i3和i8量产车上的大规模运用更是将碳纤维造车风潮推向顶峰。汽车轻量化的发展现状2016 在同等强度等级下铝的重量比钢轻三分之一，这个特性决定了铝能够作为理想的轻量化材料被应用于车身系统中。统计显示，汽车每使用1公斤铝，将平均减少1公斤自重，并在汽车的生命周期内减少17公斤的二氧化碳排放量。尤其对于现在市场上的“当红炸子鸡”新能源车而言，应用铝材能够提升汽车的有效行驶里程，例如，研究1表明车身减重20%将使电动汽车在同等充电量的情况下多行驶20%的里程，就能一定程度上缓解消费者的里程焦虑。在诸多轻量化解决方案中，2011年美国国家科学院在燃油经济性技术评估指出，以铝为基材的轻量化是最经济有效的手段之一。汽车轻量化-铝合金这些益处在福特F-150中就得到了很好体现。全铝车身不但帮F-150瘦身700磅（约318公斤），更使其具备强大的牵引能力、更短的加速时间和刹车距离。今年上半年面市的凯迪拉克CT6将诺贝丽斯铝材运用于22个车体部件上，车身用铝覆盖率高达62%，不但使之比尺寸相当的钢车身减重100公斤，更有效地提高了燃油效率。将铝材应用与智能化汽车设计相结合，不仅能减轻汽车重量、增强车身强度，同时还有助于提升燃油经济性和驾驶性能，并在不影响安全性能的情况下降低汽车尾气排放量。汽车轻量化-铝合金 铝材与其他金属间特殊的焊接技术对车企的制造工艺和铝材与其他金属间特殊的焊接技术对车企的制造工艺和硬件设施都有较高要求，整车厂商提高车辆用铝比重必将增硬件设施都有较高要求，整车厂商提高车辆用铝比重必将增加消费者的购车成本。加消费者的购车成本。欧洲铝业协会（EAA）研究表明，对于高尔夫之类大小的电动车型，在相同续航里程下使用全铝车身成本将增加约1015欧元，但同时也可以节省电池成本约1650欧元，总成本将减少635欧元（约人民币4700元）。对于传统燃油车，按照当前油价粗略计算可得，不到两年即可从节省的燃油费用里收回铝制车身所增加的成本。虽然购车的一次性成本有所增加，但用车与环境成本均有下降，这对于长期驾车一族来说显然是笔合算的买卖。汽车轻量化-铝合金铝材具有出众的外观和出众的可塑性，因此一直受到汽车设计师青睐，被广泛运用于轮毂、车门、发动机罩、车身面板等零部件上。近年来随着多款全铝车身车型的量产，不难发现汽车铝材的运用正逐渐由内装件向外装件和车身结构件扩展。在美国国家公路交通安全管理局新近公布的报告中将诺贝丽斯携手福特打造的F-150（全铝车身）评为五星级安全车型，这也是所有碰撞测试车型中唯一一款取得NHTSA最高安全级别的全尺寸轻型载重汽车。汽车安全汽车安全汽车轻量化-铝合金首先，运用铝材能够大幅减轻车重，随之有效减少刹车距离，使得汽车在转向和过弯的过程中更加灵活，降低碰撞风险。第二，铝材的高强度重量比使汽车零部件在保持轻量的同时还能承载较高负荷，并在受到冲击时分散吸收大量碰撞产生的能量，从而保障乘客人身安全。此外，铝的耐腐蚀性还能够在车辆生命周期中最大限度减轻车身结构可能遭到的破坏，长期而稳定地保持车身吸收冲撞能量的能力。凭借重量轻、耐腐蚀和易成型等特性，铝材常被称为“miracle metal”，但更难得的是它还具有高达80%的回收率，且再生铝的能耗仅相当于原铝生产能耗的5%。更为轻量化的铝是如何进一步提升汽车安全性的？据Frost&Sullivan评估分析，到2017年，轻量化汽车材料市场有望达到 953.4亿 美元。高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等汽车轻量化材料都纷纷迎来蓬勃发展的春天。其中，预计2025年之前，全球大部分汽车制造商所研发生产的车型中都将含有至少200公斤铝材。而作为全球最大汽车生产国的中国，2014年平均单车用铝量却仅有110公斤。我们有理由相信，未来十年内中国汽车的各个主要部件用铝渗透率都将明显提升。汽车轻量化-前景 宝马正在积极推行“多材料”结构，例如为纯电动汽车“i3”和插电式混合动力车“i8”采用了CFRP（碳纤维强化树脂）制驾驶室组合铝合金制车体下部的车身。2015年6月发布的新款“7系”，则是新一款实现了多材料化的车辆（图1）。其车体骨架中融合了CFRP、铝合金和钢板，采用了新的轻量结构。下面就来看看其中的最新技术。图3：采用多材料结构车体骨架由CFRP（黑）、铝合金（银）、高张力钢板（灰）等不同材料组合制成。汽车轻量化-案例 采用铝合金部件是比较常用的轻量化技术，新款7系从车体前端的碰撞吸能盒，到发动机罩、车门饰板和行李舱盖，车体的主要构件都采用了铝合金。主要的应用部位包括发动机固定件、后门槛梁、门锁扣板、保险杠支撑梁的支架等。在正面冲撞时用来吸收冲击的结构件更是大量采用铝合金。7系使用的铸铝制品的50是二次使用材料。减少生产中的能耗。悬挂部件也大量使用铝合金部件。前后的弹簧支持部采用的是铝合金铸件（图9）。除此之外，轮毂架、制动钳、制动盘、横臂等也使用了铝合金部件，左右着乘坐舒适性等动态性能的簧下重量，比上一代减轻了约15（图10）。宝马7系中铝合金的应用图10：铝合金部件轮毂架、制动钳和横臂为铝合金制造，制动盘由铝合金和钢板制成。汽车轻量化-案例汽车轻量化-案例当我们满怀期待地展望由铝材带来的无限可能时，很多人并不了解，铝材早在一百多年前汽车工业诞生初期就已经活跃在历史舞台。1899年的柏林国际车展上已有铝制车身的车型参展。如今，随着研发与制造工艺日趋成熟，汽车行业已经再度踏上“铝”途。汽车轻量化-历史小知识THANKS