汽車車身節(jié)能技術(shù)

第五章 汽車車身節(jié)能技術(shù) 車身造型的發(fā)展 車身造型設(shè)計的空氣動力學(xué) 車身造型設(shè)計的發(fā)展趨勢 第一節(jié) 車身造型第二節(jié) 車身結(jié)構(gòu)輕量化車身輕量化技術(shù)概述 車身結(jié)構(gòu)輕量化的途徑 車身結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展趨勢 第一節(jié) 車身造型一、車身造型的發(fā)展馬車狀汽車 廂型車 船型 “甲殼蟲”型 魚型 楔型 子彈頭型 二、車身造型設(shè)計的空氣動力學(xué)概念1.汽車空氣阻力系數(shù) 圖5-8 汽車受到的氣動力和力矩示意圖 合成氣流相對速度； 縱向氣流相對速度； 側(cè)向氣流相對速度（側(cè)風(fēng)速度）；橫擺角，；D車身縱向氣動阻力(x軸方向）； S車身側(cè)向氣動阻力(y軸方向）； L車身垂直方向的氣動阻力（z軸方向）；PM縱傾力矩（繞y軸）；RM側(cè)傾力矩（繞x軸）；YM橫擺力矩（繞z軸）；a軸距。 力和力矩系 數(shù)橫擺角= 0時車身縱向作用的氣動阻力D氣動阻力系數(shù)垂直于路面的升力L升力系數(shù)垂直于車身對稱面（x，y）的側(cè)向力S側(cè)向力系數(shù)繞x軸的側(cè)傾力矩RM側(cè)傾力矩系數(shù)繞y軸的縱傾力矩PM縱傾力矩系數(shù) 繞z軸的橫擺力矩YM橫擺力矩系數(shù) 表5-1 氣動力和力矩及其系數(shù) 2.汽車阻力特性 空氣阻力所消耗的功率與車速的三次方成正比，在車速高的時候，空氣阻力將是主要的阻力。 圖5-9 行駛阻力與車速的關(guān)系 1）汽車阻力分類總的空氣阻力外部阻力內(nèi)部阻力形狀阻力誘導(dǎo)阻力發(fā)動機冷卻系阻力駕駛室內(nèi)空調(diào)阻力汽車部件冷卻阻力圖5-10 氣動阻力組成 圖5-11 氣動阻力成分及其隨車尾傾角的變化 CD總阻力系數(shù) CR*摩擦阻力系數(shù) CK*、 CS*、 CB*分別為各部分阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)度 2）壓差阻力與表面摩擦阻力 壓差阻力和表面摩擦阻力的本質(zhì)來自于氣流的粘性。繞流作用在車身表面，產(chǎn)生了壓力場和切應(yīng)力場，如果當(dāng)?shù)氐哪鎵禾荻瘸^了一定的陡度，則造成氣流從車身表面分離。當(dāng)氣流分離時，產(chǎn)生的壓力分布與無粘流不同，隨著產(chǎn)生的邊界層厚度的增加，切應(yīng)力減小，直至分離點減至零。對表面的壓力和切應(yīng)力進(jìn)行積分可得到壓差阻力和表面摩擦阻力，它們的總和就是包括誘導(dǎo)阻力在內(nèi)的全部外部阻力。 3）誘導(dǎo)阻力誘導(dǎo)阻力是伴隨升力而產(chǎn)生的阻力成分：式中: CL 誘導(dǎo)阻力系數(shù)； CDi升力系數(shù)； 寬長比（總寬總長）； 修正系數(shù)。圖5-12 不同尾部外形的汽車的尾流流態(tài)圖 圖5-13改變尾部傾角對氣動阻力系數(shù)CD及后軸升力系數(shù)CLR影響的一例 3.降低空氣阻力系數(shù)CD的措施改善轎車前端形狀 改善后窗傾角和車頂拱度 正確選擇離地間隙 放置擾流板 優(yōu)化發(fā)動機艙內(nèi)流場 1）改善轎車前端形狀。 圖5-14 改善轎車前端形狀圖5-15 改善轎車前窗傾角、圓弧轉(zhuǎn)角 2）改善后窗傾角和車頂拱度圖5-16 改善后窗傾角圖5-17改善車頂拱度 3）正確選擇離地間隙 圖5-18 離地間隙e對CD以及升力系數(shù)CL的影響 4）放置擾流板 圖5-19 車尾部擾流板對CD的影響 圖5-20 后視鏡對CD的影響 5）優(yōu)化發(fā)動機艙內(nèi)流場 轎車在停車狀態(tài)下冷卻風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時前部的空氣流場 轎車在高速行駛狀態(tài)下前部的空氣流場 冷卻氣流流過發(fā)動機艙各部位的示意圖 序號氣流通過形式空氣阻力系數(shù)1沒有冷卻空氣（前部封閉）0.2262有冷卻空氣（下部無障礙流出）0.2543只從下部專門出口流出0.244 4只從下部帶有窄的橫向通風(fēng)槽流出0.2365只從側(cè)面帶有窄的橫向通風(fēng)槽流出0.2356只從上部帶有窄的橫向通風(fēng)槽流出0.223表5-2 不同形式氣流流過冷卻系統(tǒng)后對汽車風(fēng)阻系數(shù)的影響 冷卻氣流流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的壓力損失有: 冷卻空氣經(jīng)過進(jìn)氣格柵的壓力損失為PG；流向散熱器過程中沿程摩擦阻力和渦流而造成的壓力損失為PE；流過散熱器壓力損失為PK；流經(jīng)風(fēng)扇的壓力升高P V。 某轎車?yán)鋮s系統(tǒng)中壓力變化場和冷卻空氣流場示意圖 三、車身造型設(shè)計的發(fā)展趨勢車身造型進(jìn)一步強調(diào)空氣動力化。發(fā)動機的布置形式。設(shè)置前、后擾流板等氣動力學(xué)附加裝置，改善氣流的流動狀況。車身乘員艙仍要處于前后輪之間，地板要盡量降低，以獲得較大的室內(nèi)空間及開闊的視野，保證乘員的舒適性和安全性。優(yōu)化車身細(xì)部外形，以減少車身表面的凹凸面和突起物。 目前世界上較為普遍的改善汽車造型的空氣動力性能方法主要有： 第二節(jié) 車身結(jié)構(gòu)輕量化一、車身輕量化技術(shù)概述 普通汽車自重質(zhì)量每減輕100kg，可節(jié)油0.20.3L/100km，而轎車的質(zhì)量每減輕100kg，可節(jié)油0.40.3L/100km；另外根據(jù)大量研究表明，當(dāng)整車質(zhì)量減輕10%時，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3.8%，加速時間減少8%，CO排放量減少4.5%，制動距離減少5%，輪胎壽命提高7%，轉(zhuǎn)向力減小6%。車身是整個汽車零部件的載體，其重量約占整車的40%60%。因此實現(xiàn)汽車車身輕量化是改善汽車經(jīng)濟(jì)性的有效方法。 汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和輕量化材料的使用兩大方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面可以采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)、超輕懸架結(jié)構(gòu)、部件薄壁化、中空化，小型化及復(fù)合化等來達(dá)到輕量化的目的。在用材方面可以通過材料替代或采用新材料來達(dá)到汽車輕量化的目的。目前主要是采用高強度鋼材、鋁鎂合金，工程塑料和各種復(fù)合材料進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計。 二、車身結(jié)構(gòu)輕量化的途徑（一）車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計1.變截面薄板及其在車身制造中的應(yīng)用 用于車身制造的變截面薄板分為兩種，一種是激光拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB），另一種是通過柔性軋制生產(chǎn)工藝得到的連續(xù)變截面板（Tailor Rolling Blanks，TRB）。 TWB是根據(jù)車身設(shè)計的強度和剛度要求，采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，然后再進(jìn)行沖壓。TWB可以根據(jù)需要任意進(jìn)行拼接，因而具有極大的靈活性，并且能按照等強度的概念優(yōu)化設(shè)計一些原來是等厚度的車身零部件，把它們由原來的鍛造加工轉(zhuǎn)換為沖壓加工，既提高加工效率，又節(jié)省加工能源。 TRB通過一種新的軋制工藝柔性軋制技術(shù)而獲得的連續(xù)變截面薄板。 TRB連續(xù)變化的截面提供了有利于后續(xù)成型加工的可能性。 TWB TRB減重效果較好較好機械性能和應(yīng)用效果TWB在沿長度方向上的硬度有跳躍式的變化,使后續(xù)的成型加工不便；焊縫無法徹底掩蓋，不適宜用作車身外覆蓋件材料，一般只用來制作內(nèi)覆蓋件或支承結(jié)構(gòu)件。TRB具有較好的機械性能，沿長度方向硬度變化平緩，具有更佳的成型性能；零部件厚度可以連續(xù)變化，以適應(yīng)車身各部位的承載要求；其表面變化是連續(xù)、光滑，可制作車身外覆蓋件。工藝復(fù)雜程度可通過激光焊接工藝進(jìn)行任意拼接；焊縫及其附近會產(chǎn)生局部硬化，需要一道熱處理工藝來消除硬化效應(yīng)，從而加大了工藝復(fù)雜程度。TRB不存在TWB的焊縫問題，但受軋制工藝和軋機設(shè)備的限制，其厚度變化只能發(fā)生在板料的初始軋制方向上；此外，無法把不同金屬材料的板料“軋制”在一塊整板上。2.TWB與TRB的比較 3.TRB應(yīng)用中尚需解決的問題 車身覆蓋件壓模具的設(shè)計 對于變截面薄板來說，原來基于等厚度板材所建立的力學(xué)本征模型、數(shù)值仿真模型及三維幾何模型都不再完全適用了。需要花大力氣重建這些模型，針對變截面薄板的具體變化特征來重新設(shè)計車身覆蓋件沖壓模具。變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動性 變截面薄板的引入使車身覆蓋件的沖壓成型過程變得更為復(fù)雜，在同樣的壓邊力和拉伸力條件下，板料各部位的變形不均勻，覆蓋件的成型更難以控制。板料回彈問題： 對于TRB來說，由于其本身結(jié)構(gòu)的特殊性，即沿軋制方向連續(xù)變化的截面形狀及由此引出的材料機械性能的非均一化，將會使工件回彈問題變得更為復(fù)雜。 （二）車身結(jié)構(gòu)輕量化材料的選擇使用密度小、強度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂輕合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等； 使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。 三、車身結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展趨勢（一）我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題 需要運用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識體系；必須要由國家級的研究機構(gòu)對其關(guān)鍵、重大問題進(jìn)行戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署，而目前此類機構(gòu)尚未建立；產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密，基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機銜接不夠。 （二）我國汽車輕量化技術(shù)研發(fā)重點汽車輕量化技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究 汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究 汽車輕量化材料沖壓理論與工藝技術(shù)研究 汽車輕量化激光加工技術(shù)與裝備研究 （三）汽車輕量化先進(jìn)材料開發(fā)研究高強度鋼板 ； 鋁合金； 鎂合金； 泡沫合金板； 蜂窩夾芯復(fù)合板； 工程塑料； 高強度纖維復(fù)合材料。