《汽車輕量化》PPT課件.ppt

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汽車輕量化,,,,近年來，能源與環(huán)境的危機加速了各國政府對汽車行業(yè)的產(chǎn)品能耗和排放的嚴格控制。到2020年，除美國之外的全球主要的汽車生產(chǎn)與消費國家和地區(qū)對乘用車燃油油耗的要求都將嚴格限制在5L/100km以下的水平，而且碳排放也更為嚴格（國內在2020將采用國Ⅵ的排放標準）。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。,定義,意義,據(jù)研究，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車橋、變速器等機構的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%。從絕對量來說，汽車質量每降低100kg，每百公里可節(jié)約0.6L燃油。,主要途徑,一、通過結構的合理、精準化設計，對車體的主要承力部件進行加強、非主要承力部件進行合理的弱化，在性能滿足的前提下盡量減小傳力通道截面大小，合理、精細化的選用材料板厚等來實現(xiàn)結構輕量化設計。二、使用新材料替代普通鋼材來實現(xiàn)輕量化設計，比如用鋁合金、GFRP（玻璃纖維增強塑料）和CFRP(碳纖維)等密度更小的新材料來代替鋼材來實現(xiàn)輕量化設計，比如用強度更高、板厚更薄的熱成型材料（熱成型材料本質上還是鋼材）代替普通高強度鋼來減少加強結構零件的數(shù)量實現(xiàn)輕量化設計。,主流輕量化材料,既能保證車體結構的性能，又能大幅度降低車體重量的材料，目前行業(yè)內普遍使用的是碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等密度較小的材料。這些材料在車體結構中的使用，輕量化效果非常明顯。以鋁合金車身的福特F150為例，車身實現(xiàn)了40%以上的減重，整備質量降低了300kg。車身采用碳纖維和鋁合金粘連工藝而成的寶馬i3，輕量化效果更為明顯，作為純電動車型整備質量卻只有1195kg，相比同尺寸的常規(guī)車型來說，都要輕了150Kg左右。,在整車中，質量最大的組件為動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)以及車身，這3大系統(tǒng)的總質量達到整車質量的83%，其中車身質量占比為28%。,據(jù)預測，汽車材料鋁化率達到60%在經(jīng)濟上是可取的。近年來，發(fā)達國家汽車用鋁大幅提高，全球汽車平均用鋁量1978年僅50kg/輛，2008年上升到107kg/輛，增長了1.14倍；估計10年后可以提高到300kg/輛，在發(fā)達國家更是可以提高到320kg/輛。近年來奧迪、捷豹路虎、福特等都使用了全鋁式的車身結構，鋁合金已經(jīng)成為了一種比較理想的輕量化材料。另外，鋁合金還可以按照添加合金的不同和比例的不同以及制造工藝的區(qū)別，應用在車身、車架、制動盤、發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發(fā)動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類等地方。,應用,鋁合金在汽車中各系統(tǒng)的使用比例可以見下圖，主要使用是在車身和底盤系統(tǒng)部件中,車用輕量化新材料使用成本,目前國內每噸車用冷軋汽車板材的成本在5000~9000之間，而每噸鋁合金的材料成本高達4.5萬左右，碳纖維的材料成本則更高，每噸約在80萬左右，又因為其較高的成型廢品率問題，讓很多中低端車型在碳纖維的使用上更是望而卻步。所以目前采用鋁合金、碳纖維等新材料作為車身主結構的車型售價基本都在40萬以上，鑄鋁件則較早就在發(fā)動機殼體、懸架擺臂、副車架等底盤和動力系統(tǒng)部件上使用，因所占車型開發(fā)成本比例較小，搭載車型級別不一。,汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場，例如日本，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應用于發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發(fā)動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強度鑄件時受到限制。為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。,鋁合金在輕量化中的應用,鑄造鋁合金,變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機散熱器、空調冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。由于輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的應用正在擴大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身，比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg，引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達到31.3%，如在全鋁車身上，外板使用6000系列合金，內板使用5052-0合金，骨架大部使用5182-0合金;由于側門框對強度和剛度要求很高，使用以6N01合金為基礎、適當調整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內外板的。鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲，到20世紀80年代后期鋁散熱器已占領市場的90%。隨?車用空調、油冷卻器等的大量使用，鋁熱交換器的市場迅速擴大。從材料的角度看，鋁在熱交換器上的廣泛應用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發(fā)。,鋁合金在輕量化中的應用,變形鋁合金,鋁基復合材料密度低、比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應用受到價格及生產(chǎn)質量控制等方面的制約，還沒有形成很大的規(guī)模。目前，鋁基復合材料在連桿、活塞、氣缸體內孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開發(fā)成功的由不?鋼絲增強的鋁基復合材料連桿比鋼制連桿降重30%，對1.2L的汽油發(fā)動機可提高燃料經(jīng)濟性5%;采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末(重量百分數(shù)2%)混合并擠壓成棒材，用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強度高可降重20%，發(fā)動機功率大幅度提高;用鋁基復合材料強化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%;鋁基復合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。,鋁合金在輕量化中的應用,鋁基復合材料,汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀2016,2016年的夏天，汽車輕量化研究與推廣著實火了一把。除了第20屆德累斯頓國際輕量化論壇在德國舉辦，家門口的上海國際新能源及智能化技術展覽會也專門設置了“汽車輕量化發(fā)展趨勢”主題環(huán)節(jié)。在我國，隨著2020年當年產(chǎn)乘用車平均燃料消耗降至5.0升/百公里的目標越來越近，很多汽車制造商都在尋找提升燃油效率的方法。,曾經(jīng)我們對減輕車身重量避之不及，但如今，輕量化已經(jīng)成為與智能化、電動化齊頭并進的汽車主要研發(fā)方向之一。全球各大汽車制造商、材料供應商甚至科研機構都在致力推進輕量化材料的研發(fā)進程。今年二月曾有媒體報道，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員成功研制出一種新型的超強輕質結構性金屬，由鎂、納米陶瓷粒子、碳化硅納米粒子合成，具有優(yōu)良的承重能力，對未來汽車輕量化發(fā)展意義重大。相對仍處于科研階段的新材料，輕合金、工程塑料、纖維復合材料等早已成為汽車輕量化材料實際應用的“先鋒”。,汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀2016,其中“以塑代鋼”無疑是汽車行業(yè)材料變革的發(fā)展趨勢之一。工程塑料具有突出的成型性、輕量化以及面對強烈撞擊時能夠緩沖吸能，已成為一個衡量一個國家汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要指標。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)達國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克，占汽車總重量的12%-20%，而這個比例還將持續(xù)升高，預計到2020年，發(fā)達國家汽車平均用塑料量將達到500千克/輛以上。,然而塑料剛度低、易老化，未來在車身大量運用仍面臨不少安全隱患。,汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀2016,然而我們不能忽視的是，在種種優(yōu)異特性的背后碳纖維也是一種脆性材料，一旦受力過大就會直接斷裂，損壞后基本無法修復，而高昂的制造成本和回收費用更使得當前碳纖維的應用主要還局限于高端跑車、越野車和運動賽車上。,復合材料是新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中的重要材料。數(shù)據(jù)顯示，世界平均每輛乘用車中復合材料約占總重量的6%。作為材料界中“外柔內剛”的英雄代表，碳纖維力學性能優(yōu)異，密度不到鋼的1/4，抗拉強度卻是鋼的7-9倍，是唯一一種在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中強度不下降的物質。2013年寶馬在i3和i8量產(chǎn)車上的大規(guī)模運用更是將碳纖維造車風潮推向頂峰。,汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀2016,在同等強度等級下鋁的重量比鋼輕三分之一，這個特性決定了鋁能夠作為理想的輕量化材料被應用于車身系統(tǒng)中。統(tǒng)計顯示，汽車每使用1公斤鋁，將平均減少1公斤自重，并在汽車的生命周期內減少17公斤的二氧化碳排放量。尤其對于現(xiàn)在市場上的“當紅炸子雞”新能源車而言，應用鋁材能夠提升汽車的有效行駛里程，例如，研究[1]表明車身減重20%將使電動汽車在同等充電量的情況下多行駛20%的里程，就能一定程度上緩解消費者的里程焦慮。,在諸多輕量化解決方案中，2011年美國國家科學院在燃油經(jīng)濟性技術評估指出，以鋁為基材的輕量化是最經(jīng)濟有效的手段之一。,汽車輕量化--鋁合金,這些益處在福特F-150中就得到了很好體現(xiàn)。全鋁車身不但幫F-150瘦身700磅（約318公斤），更使其具備強大的牽引能力、更短的加速時間和剎車距離。今年上半年面市的凱迪拉克CT6將諾貝麗斯鋁材運用于22個車體部件上，車身用鋁覆蓋率高達62%，不但使之比尺寸相當?shù)匿撥嚿頊p重100公斤，更有效地提高了燃油效率。,將鋁材應用與智能化汽車設計相結合，不僅能減輕汽車重量、增強車身強度，同時還有助于提升燃油經(jīng)濟性和駕駛性能，并在不影響安全性能的情況下降低汽車尾氣排放量。,汽車輕量化--鋁合金,鋁材與其他金屬間特殊的焊接技術對車企的制造工藝和硬件設施都有較高要求，整車廠商提高車輛用鋁比重必將增加消費者的購車成本。歐洲鋁業(yè)協(xié)會（EAA）研究表明，對于高爾夫之類大小的電動車型，在相同續(xù)航里程下使用全鋁車身成本將增加約1015歐元，但同時也可以節(jié)省電池成本約1650歐元，總成本將減少635歐元（約人民幣4700元）。對于傳統(tǒng)燃油車，按照當前油價粗略計算可得，不到兩年即可從節(jié)省的燃油費用里收回鋁制車身所增加的成本。雖然購車的一次性成本有所增加，但用車與環(huán)境成本均有下降，這對于長期駕車一族來說顯然是筆合算的買賣。,汽車輕量化--鋁合金,鋁材具有出眾的外觀和出眾的可塑性，因此一直受到汽車設計師青睞，被廣泛運用于輪轂、車門、發(fā)動機罩、車身面板等零部件上。,近年來隨著多款全鋁車身車型的量產(chǎn)，不難發(fā)現(xiàn)汽車鋁材的運用正逐漸由內裝件向外裝件和車身結構件擴展。在美國國家公路交通安全管理局新近公布的報告中將諾貝麗斯攜手福特打造的F-150（全鋁車身）評為五星級安全車型，這也是所有碰撞測試車型中唯一一款取得NHTSA最高安全級別的全尺寸輕型載重汽車。,汽車安全,汽車輕量化--鋁合金,首先，運用鋁材能夠大幅減輕車重，隨之有效減少剎車距離，使得汽車在轉向和過彎的過程中更加靈活，降低碰撞風險。第二，鋁材的高強度重量比使汽車零部件在保持輕量的同時還能承載較高負荷，并在受到?jīng)_擊時分散吸收大量碰撞產(chǎn)生的能量，從而保障乘客人身安全。此外，鋁的耐腐蝕性還能夠在車輛生命周期中最大限度減輕車身結構可能遭到的破壞，長期而穩(wěn)定地保持車身吸收沖撞能量的能力。憑借重量輕、耐腐蝕和易成型等特性，鋁材常被稱為“miraclemetal”，但更難得的是它還具有高達80%的回收率，且再生鋁的能耗僅相當于原鋁生產(chǎn)能耗的5%。,更為輕量化的鋁是如何進一步提升汽車安全性的？,據(jù)Frost&Sullivan評估分析，到2017年，輕量化汽車材料市場有望達到953.4億美元。高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等汽車輕量化材料都紛紛迎來蓬勃發(fā)展的春天。其中，預計2025年之前，全球大部分汽車制造商所研發(fā)生產(chǎn)的車型中都將含有至少200公斤鋁材。而作為全球最大汽車生產(chǎn)國的中國，2014年平均單車用鋁量卻僅有110公斤。我們有理由相信，未來十年內中國汽車的各個主要部件用鋁滲透率都將明顯提升。,汽車輕量化--前景,寶馬正在積極推行“多材料”結構，例如為純電動汽車“i3”和插電式混合動力車“i8”采用了CFRP（碳纖維強化樹脂）制駕駛室組合鋁合金制車體下部的車身。2015年6月發(fā)布的新款“7系”，則是新一款實現(xiàn)了多材料化的車輛（圖1）。其車體骨架中融合了CFRP、鋁合金和鋼板，采用了新的輕量結構。下面就來看看其中的最新技術。,圖3：采用多材料結構車體骨架由CFRP（黑）、鋁合金（銀）、高張力鋼板（灰）等不同材料組合制成。,汽車輕量化--案例,采用鋁合金部件是比較常用的輕量化技術，新款7系從車體前端的碰撞吸能盒，到發(fā)動機罩、車門飾板和行李艙蓋，車體的主要構件都采用了鋁合金。主要的應用部位包括發(fā)動機固定件、后門檻梁、門鎖扣板、保險杠支撐梁的支架等。在正面沖撞時用來吸收沖擊的結構件更是大量采用鋁合金。7系使用的鑄鋁制品的50％是二次使用材料。減少生產(chǎn)中的能耗。懸掛部件也大量使用鋁合金部件。前后的彈簧支持部采用的是鋁合金鑄件（圖9）。除此之外，輪轂架、制動鉗、制動盤、橫臂等也使用了鋁合金部件，左右著乘坐舒適性等動態(tài)性能的簧下重量，比上一代減輕了約15％（圖10）。,寶馬7系中鋁合金的應用,圖10：鋁合金部件輪轂架、制動鉗和橫臂為鋁合金制造，制動盤由鋁合金和鋼板制成。,汽車輕量化--案例,汽車輕量化--案例,當我們滿懷期待地展望由鋁材帶來的無限可能時，很多人并不了解，鋁材早在一百多年前汽車工業(yè)誕生初期就已經(jīng)活躍在歷史舞臺。1899年的柏林國際車展上已有鋁制車身的車型參展。如今，隨著研發(fā)與制造工藝日趨成熟，汽車行業(yè)已經(jīng)再度踏上“鋁”途。,汽車輕量化--歷史小知識,THANKS,