汽車輕量化研究總結.ppt

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汽車輕量化研究總結,汽車輕量化的趨勢汽車輕量化途徑結構設計優(yōu)化制造工藝創(chuàng)新材料輕量化,內容,研究表明，轎車減重減重100kg與節(jié)油效果關系如下所示：,,,汽車輕量化趨勢,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能，減少燃料消耗，降低排氣污染。,整車重量減少100kg,,油耗：-0.4L/100kmCO2:-10g/100km,環(huán)保和節(jié)能的需要…輕量化已經成為世界汽車發(fā)展的潮流和趨勢!,綠色、環(huán)境友好型趨勢,＝,,,制造工藝創(chuàng)新,結構設計優(yōu)化,熱壓成型、液壓成型、內高壓成型、激光拼焊等,高強鋼、鎂合金、鋁合金、工程塑料及其復合材料和陶瓷材料等,材料輕量化,同時，還有零部件數量集成及功能集成，實現整車輕量化,汽車輕量化的途徑,結構優(yōu)化,對汽車總體結構進行分析和優(yōu)化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。在現代汽車工業(yè)中，利用CAD/CAE/CAM等軟件輔助汽車設計已經成為不可或缺的環(huán)節(jié)，涵蓋了汽車設計和制造的各個環(huán)節(jié)。通過這類軟件能夠建立數字化模型，準確實現車身的實體結構設計和局部設計，同時可以通過仿真計算來檢驗汽車結構的剛度，模態(tài)等參數，并且能夠便捷地對汽車結構進行改造。利用CAD/CAE/CAM一體化技術，可以準確實現各構件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析，并可從數據庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關該車的相關數據進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質材料的零部件，還可以進行布局分析和運動干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設計的各項要求。,從模流分析結果看，原方案的玻纖取向略差，經澆口調整后玻纖取向有所改善。CAE計算顯示優(yōu)化后剛度提升了10%。,,,,,,,,原方案,新方案,結構優(yōu)化,結合產品的結構設計，減重方案的開發(fā)與應用,高流動材料PP,降低產品壁厚，提高產品剛性，產品減重,1.高剛度保證零件的薄壁化,2.高流動性保證薄壁零件的成形性,結合產品的結構設計，可減輕更多的重量！,通過開發(fā)汽車車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部件整體加工技術和相關的模塊化設計和制造技術，使節(jié)能型汽車從制造到使用各個環(huán)節(jié)都真正實現節(jié)能、環(huán)保。通過結合參數反演技術、多目標全局優(yōu)化等現代車身設計方法，研究汽車輕量化結構優(yōu)化設計技術，包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優(yōu)化分塊等。從結構上減少零部件數量，確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目的。,通過開發(fā)汽車車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部件整體加工技術和相關的模塊化設計和制造技術，使節(jié)能型汽車從制造到使用各個環(huán)節(jié)都真正實現節(jié)能、環(huán)保。,,離合器軟管,金屬管+橡膠管+卡箍+接頭,TPU外覆層+鋼絲增強+PTFE內管,以少代多典型應用案例一,,,EPDM膠管+不銹鋼管+卡箍,TPV吹塑管與EPDM膠管硫化粘接為一體,中冷器出氣管,以少代多典型應用案例二,具體結構合理設計主要有以下3個方面：通過結構優(yōu)化設計，減小車身骨架及車身鋼板的質量，對車身強度和剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。通過結構的小型化，促進汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小尺寸。采取運動結構方式的變化來達到目的。比如采用轎車發(fā)動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等，使結構更緊湊，或采取發(fā)動機后置、后輪驅動的方式，達到使整車局部變小，實現輕量化的目標。在汽車結構優(yōu)化設計方面，我國已經完全從依靠經驗設計發(fā)展到應用有限元等現代設計方法進行靜強度計算和分析階段。,優(yōu)勢：1.輕量化：微發(fā)泡工藝可節(jié)省產品原材料20%左右及有利于內外飾件輕量化；2.成本優(yōu)勢：微發(fā)泡工藝注塑可縮短產品成型周期及節(jié)省20%左右原材料有利于降低塑料零部件成本；3.高精度：微發(fā)泡工藝注塑可減小或消除了常規(guī)模塑在合模和保壓過程中產生的模內應力，提升了產品成型尺寸精度。,微發(fā)泡注塑工藝,新工藝的開發(fā)與應用,材料輕量化應用的現狀,隨著汽車材料技術的飛速發(fā)展，現代汽車制造材料的構成也在不斷發(fā)生變化。以現代轎車用材為例，按照重量換算，鋼材占汽車自重的55％～60％，鑄鐵占5％～12％，有色金屬占6％～10％，塑料占8％～12％，橡膠占4％，玻璃占3％，其他材料(油漆、各種液體等)占6％～12％。,汽車材料在汽車上的應用比例,,,輕量化汽車材料技術的發(fā)展趨勢由于鋼鐵材料在強度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)越，其在汽車材料中的主導地位仍是不可動搖的。但高強度鋼和超高強度鋼的應用，如汽車車身、底盤、懸架、轉向等零部件上，將有較大增長。鋁鎂合金在汽車上的用量將明顯增加。工程塑料、復合材料所占比例將有明顯增長。多材料結構進行優(yōu)化，既能改進汽車性能，又能顯著減小質量。當前材料的組合仍以高強度鋼、鋁、鎂和塑料為主。要實現多材料輕量化結構設計，必須強調“合適的材料用在合適的部位”,奧迪A8和英國捷豹XJ兩個高級豪華車據守輕金屬車身這唯一一塊陣地寶馬5系列車身前端總成以沖壓鋁板件，鑄鋁合金件和鋁擠壓件焊接而成目前只是在中高檔轎車中廣泛采用鎂，鋁，工程塑料和高強度鋼的混合車身現代汽車的絕大部分內飾件以翼子板，保險桿外罩和許多乘用車的發(fā)動機罩內板都是由工程塑料制成的,高強度鋼板,采用高強度鋼板可以達到減薄車身用板的厚度和重量的目的,在輕量化的同時，增加了安全性能。高強度鋼一般是指冷軋340MPa、熱軋490MPa以上的鋼,這些新型高強度鋼板具有較低的屈強比、較好的應變分布能力和較高的應變硬化特性,同時高強度鋼板的力學性能更加均勻，從而具有更好的碰撞特性和更高的疲勞壽命。,汽車用鋼板的強化機理現代汽車高強度鋼板是采用使其金相組織得到強化的機理，而獲得組織強化、復合組織強化、相變強化、熱處理強化、冷作硬化和時效強化等現代高強度鋼。目前高強度鋼板主要包括冷軋含磷板、雙相鋼(DP鋼)板以及相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP鋼)板等。,德國的兩款轎車和SUV上所用的高強度鋼材料,VWPolo（大眾波羅）、PorscheCayanne（保時捷卡宴）、OpeVectra（歐寶維佳）等車型中現代高強度鋼的用量分別為60%、36%、45%，用量非常大，而且已經超越了普通鋼，成為汽車用鋼的主力軍，成為未來汽車材料的發(fā)展方向之一。,豐田汽車公司在其生產的豐田系列轎車上已經應用高強度鋼制作車身及其零部件。車身質量要求越來越輕.,車身重量的變化及高強度鋼的使用比例,除上述國家外，各大汽車企業(yè)和鋼鐵協(xié)會也組成了超輕鋼車體計劃(ultralightsteelautobody)，目的是研究出新型高強度鋼材料，擴大高強度鋼材料在汽車工業(yè)中的應用，其目標是開發(fā)新型輕型鋼車體，該型車比現有的車型更安全、更節(jié)能、更有利于環(huán)境保護、售價不增加。其中材料的開發(fā)與優(yōu)化包括：新型高強度高成形性鋼的開發(fā)與使用的優(yōu)化，形成了以高強鋼、超高強鋼、雙相鋼和TRIP鋼為主的新型汽車用鋼系列；以激光拼焊板、液壓成形管件和夾層板為特色的新型鋼材系列。,我國已有武鋼、寶鋼、鞍鋼、上汽集團、上海大學、重慶汽車研究所等單位對汽車高強度鋼材料開展了研究，特別是寶鋼、武鋼、上汽集團等單位在高強度鋼領域有突出地位。國家科技部已將“500MPa以上高強度鋼的先進制造技術”列為了863重點支持項目。,,,,寶鋼TRIP600與國外同類鋼的典型性能,寶鋼生產的高強度鋼的強度等級為600MPa以上，性能與國外同類鋼相差無幾，但在國產轎車上還沒有正式采用，相關的加工和成型技術也必須依賴國外。,汽車用高強度鋼的減重潛能相對于傳統(tǒng)的340MPa的材料,600MPa級的鋼種在理論上的減重潛能大約為20%.然而,對于800MPa的材料,其減重潛能會提高至30%以上.Sumitomo公司的論文闡述了生產車輪用的700MPa和800MPa的熱軋鋼的發(fā)展.可達到該目標強度的化學成分為低碳,硅,錳,鉻以及鈮和鈦微合金化元素.,鋁及鋁合金,汽車工業(yè)運用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運用形變鋁材制造車身面板的技術已經比較成熟，包括發(fā)動機罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險杠、輪轂和汽車結構零件也廣泛使用鋁合金材料。市場上絕大部分的發(fā)動機缸蓋都已經是鋁合金材料，部分轎車發(fā)動機為全鋁發(fā)動機，相比同等排量鑄鐵發(fā)動機，使用鋁缸體的發(fā)動機能減輕20kg左右的重量。除了較輕的重量和良好的散熱性能之外，全鋁發(fā)動機在鑄造上也有很大優(yōu)勢。鑄鐵生產線占地面積達，對環(huán)境污染嚴重，加工工藝復雜，而鑄鋁工藝則正好相反，因此鑄鋁發(fā)動機在市場競爭上具有一定的優(yōu)勢。寶馬目前大部分發(fā)動機都采用了其獨創(chuàng)的鋁鎂合金材料技術，最具代表性的是寶馬的3.0L直列六缸發(fā)動機。鎂鋁合金材料的使用使得該發(fā)動機在原有全鋁發(fā)動機的基礎上發(fā)動機重量降低了30%，僅重161kg，而輸出功率卻提高了12%，油耗也有所下降。除此之外，市場上各個級別的轎車也均有使用全鋁發(fā)動機的車型，例如鈴木雨燕，福克斯，索納塔8，奧迪A8等。,鋁具有良好的機械性能，其密度只有鋼鐵的1/3，機械加工性能比鐵高4.5倍，耐腐蝕性、導熱性好。其合金還具有高強度、易回收、吸能性好等特點。。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr等輔加元素。,可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金又分為可熱處理強化和不可熱處理強化兩類。,鋁合金分類示意圖,鋁合金的分類鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖。,常用變形鋁合金①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是,衛(wèi)星天線（LF2）,提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進行熱處理強化，常利用加工硬化提高其強度。,汽化器(熱交換管為LF21),常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蝕性和強度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘等需要彎曲、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05）,其密度比,純鋁小，強度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應用。,②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn?？蛇M行時效強化，也可進行變形強化。強度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。,常用硬鋁合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘等。,③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時效強化效果超過硬鋁合金。熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結構件。,飛機主起落架,④鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學性能高，用于形狀復雜的鍛件和模鍛件。,壓氣機葉片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金常用牌號有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150~225℃下工作的零件。,鑄造鋁合金包括：⑴Al-Si系鑄造鋁合金,又稱硅鋁明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明。,加入其他合金元素的鋁硅鑄造合金稱復雜(或特殊)硅鋁明。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。,活塞(裙部為鋁硅合金),用于制造飛機、儀表、電動機殼體、汽缸體、風機葉片、發(fā)動機活塞等。,⑵Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強度低于Al-Si系合金。,汽缸頭,常用代號有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強零件，如內燃機汽缸頭、汽車活塞等。,⑶Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強度高，密度?。坏T造性能差,耐熱性低。常用代號為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1),等。主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質下工作的零件,如艦船配件、氨用泵體等。,鼓風機密封件等(ZL102、301),⑷Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強度較高，可自然時效強化；但密度大，耐蝕性較差。,大型空壓機活塞(ZL401),常用代號為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形狀復雜受力較小的汽車、飛機、儀器零件。,全鋁車身設計實例FordP2000采用沖壓焊接制造的鋁質車身骨架，可用現有鋼板的加工方法加工，白車身質量135.6kg，整車輕32.8%，市區(qū)百公里油耗減少22.8%。奧迪A8是大型豪華轎車，它的整車質量，僅相當于一輛中型轎車。奧迪A8鋁合金框架支撐著全鋁合金車身的創(chuàng)新技術被稱為“ASF”—即奧迪空間框架技術，ASF車身結構由擠壓的鋁部件及壓鑄件組成，該架構支撐鋁板元件。,,,鎂及鎂合金,,鎂及其合金是最輕的結構材料之一,由于鎂合金具有優(yōu)良的導電性、導熱性、電磁屏蔽性能、高的比度、比剛度、減震性、加工工藝性能和易回收、有利于環(huán)保等特性,因此早已引起航空工業(yè)和汽車工業(yè)注意。鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8:3，是當前最理想、重量最輕的金屬結構材料，因而成為汽車減輕自重、以提高其節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復雜，成本高。我國的鎂資源非常豐富，儲量占世界首位。但是國內用量很少，尤其汽車行業(yè)用量極少，因此前景非常廣闊。而西方工業(yè)發(fā)達國家對鋁基、鎂基的金屬基復合材料的開發(fā)與應用，已達到了產業(yè)化階段。,歐美采用鎂合金制造的部分汽車零件,鎂合金成型工藝進展鎂合金熔煉技術鎂化學性質較活潑,在大氣中熔煉時,鎂合金容易氧化和燃燒,因此常采用合金液阻燃技術和變質處理技術。鎂合金鑄造成型技術生產工藝主要是鑄造工藝和變形工藝,鑄造工藝主要有壓力鑄造、砂型鑄造、低壓鑄造、精密鑄造、擠壓鑄造和半固態(tài)壓力鑄造等,變形工藝主要為鍛造和沖壓。鑄造成形方法中以壓力鑄造應用最廣泛。,,,鎂合金的研究開發(fā)概況目前鎂合金應用發(fā)展勢頭最大的國家和地區(qū)是:北美和歐洲、日本、韓國和中國臺灣地區(qū)。在北美、歐洲，鎂合金主要應用領域是汽車行業(yè);鎂是比鋁更輕的金屬材料，它可在鋁減重基礎上再減輕15％～20％。盡管鎂在當前汽車用材中所占的比例不到1％，但是在輕量化的驅動下，鎂材料技術開發(fā)的力度不斷加大，它已步入快速發(fā)展階段。到目前為止，汽車上采用鎂合金的零部件至少超過60多種。,輕質材料變速器殼體變速器殼體、離合器殼體、操縱蓋以及換檔撥叉等零件目前已經廣泛應用鋁、鎂合金，鎂合金的密度為1.8g/cm3，是鋁合金的2/3，不足鋼的1/4，大眾汽車公司和奧迪汽車公司啟動了使用鎂合金的戰(zhàn)略，福特汽車公司也在其輕型載貨車的離合器殼體中使用了鎂合金。,,鎂鋁變速器殼體,,,以塑代鋼材料的發(fā)展,,,,輕量化應對思路,以輕代重,以塑代鋼,以少代多,金屬零件塑料化,零件集成化,非金屬材料輕質化,,,經濟,國內某商用車用材統(tǒng)計,相關資料顯示，商用汽車每減重10%，可提高燃油效率5%～7%、減少CO2排放量4.5%左右。,以塑代鋼背景及應對技術思路,工程塑料在商用車上的應用潛力有待發(fā)掘工程塑料的高性能化為其拓展應用提供了可能,與相同結構性能的鋼材相比，塑料和復合材料一般可減輕部件的重量在35％左右。低密度與超低密度片狀成型復合材料的發(fā)展提供了更多的潛力，在重量減輕與強度方面達到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。塑料材料在汽車行業(yè)中的應用前景廣泛看好，目前世界上不少轎車上塑料的使用量已經超過了120kg/輛，奔馳的高級轎車上的塑料用量甚至超過了150kg/輛，國內一些轎車的塑料用量也達到了90kg/輛。汽車輕量化設計中，塑料材料在汽車內裝件和外裝件中被廣泛應用，汽車塑料用量多少，已經成為衡量汽車設計和制造水平的一個重要標準。,塑料應用的最大優(yōu)勢在于輕，其比重不超過2.0，而輕量化中常用的鋁材質的比重為2.7?！耙运艽摗笔峭庋b飾件材料選擇的一大趨勢，主要部件有保險杠，擋泥板，車輪罩，導流板等；而汽車的內飾件上塑料應用更多，如儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側圍內襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。此外部分高性能塑料還被應用于結構件和功能件，例如油箱，散熱器水室，空氣過濾器罩和發(fā)電機及其相關系統(tǒng)、風扇葉片等。,塑料在汽車上的應用,汽車用塑料零部件分為三類：內飾件、外飾件和功能件,,,,,,,,,,,以塑代鋼高性能技術應用,塑料翼子板-2.5kg,發(fā)動機下護板-2.5kg,輪罩襯板-3.2kg,前端模塊-3kg,,前碰橫梁-2.4kg,前碰吸能塊-0.5kg,電池盒-4kg,,腳踏板-1kg,后碰橫梁-2.5kg,備胎盒-3.5kg,塑料背掀門模塊-5.0kg,車身底部護板-4kg,,車窗系統(tǒng)-18kg,,綜合各主機廠根據車型選用的以塑代鋼輕量化技術可帶來60kg以上的輕量化效果（外飾）。,,塑料油箱-5kg,外飾新型技術應用總覽,,全景天窗-4kg,,儀表板模塊-0.5kg,門模塊-2.0kg,座椅骨架-5kg,,擱物版（衣帽架）-1kg,,行李箱地板-2.5kg,,,,儀表板支架-2.5kg,,頂棚模塊-2.0kg,,儲物盒-1kg,,中控面板模塊-1kg,,綜合各主機廠根據車型選用的以塑代鋼輕量化技術可帶來15kg以上的輕量化效果（內飾）。,,方向盤模塊-1kg,以塑代鋼高性能技術應用,內飾新型技術應用總覽,大眾甲殼蟲系列,雷諾CLIOⅡ（sports）,標致307,塑料翼子板優(yōu)勢,目前塑料翼子板設計主要關注問題：1.塑料翼子板材料膨脹系數相對金屬材料較大，設計時需對間隙斷差、尺寸公差進行重點控制；2.模具設計及制造工藝控制；3.噴涂方式與總裝線設計的結合；4.根據成本分析，5萬量產量以下塑料翼子板有系統(tǒng)成本優(yōu)勢，5萬量以上則較金屬有更大的成本壓力。,典型以塑代鋼技術介紹1.塑料翼子板（fender）,傳統(tǒng)材料：金屬替換材料：PPO+PA,金屬重量：2.45kg塑料重量：1.15kg（單件）,本田Civic,雷諾MganeR26R,減重=50%,設計自由度=獨一無二的造型,零件集成=降低復雜性,以塑代鋼技術介紹2.塑料車窗玻璃,傳統(tǒng)材料：玻璃替換材料：PC,玻璃重量：5kg塑料重量：2.5kg,,福特kuga,設計：設計自由度高，成型工序簡單節(jié)能：減輕重量約30%安全：提高防撞能力集成：后窗整合，減少裝配工序,典型以塑代鋼技術介紹3.塑料背門系統(tǒng),傳統(tǒng)材料：金屬替換材料：PP+LGFPPO+PA,金屬重量：20kg塑料重量：13-14kg,典型以塑代鋼技術介紹4.塑料方向盤,,優(yōu)勢：1.輕量化：可減重0.5-0.7kg2.零件集成化:可集成部分電器件安裝固定結構3.工藝多樣化：可實現多種工藝效果（水轉印、IMD）4.環(huán)境友好：易回收,在我國，塑料件約占汽車自重的7%～10%，舉例來說，在轎車和輕型車中，CA7220小紅旗轎車中的塑料用量為88.33kg，上海桑塔納為67.2kg，奧迪為89.98kg，富康為81.5kg，依維柯0041則為144.5kg；在重型車中，斯太爾1491為82.25kg，斯太爾王為120.5kg。據有關部門統(tǒng)計，我國汽車用塑料的品種按用量排列依次為PP，PVC，PU，不飽和樹脂，ABS，PF，PE，PA，PC，復合材料。,復合材料在汽車上的應用,復合材料即纖維增強塑料，是一種增強纖維和塑料復合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復合材料。增強用的纖維除玻璃外，還有高級的碳纖維、合成纖維。復合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點：密度小、設計靈活美觀、易設計成整體結構、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復合材料的應用非常廣泛，尤其在歐美車系中。其中尤以SMC（片狀模塑料）和GMT（玻璃纖維增強型熱塑性塑料）的應用最為廣泛。曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯、達夫等歐洲重型卡車制造商的駕駛室材料中，都大量選用了SMC。在國內，SMC材料在汽車領域也得到了廣泛的應用，尤其是商用汽車領域。中國重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車制造商，其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。,塑料復合材料替代傳統(tǒng)金屬,塑料復合材料越來越多的用來替代傳統(tǒng)金屬材料，成為實現汽車輕量化用材主要趨勢之一。,各種材料車身質量對比,各種材料能量吸收性能比較,數據來源,據最新統(tǒng)計，汽車行業(yè)的纖維增強塑料復合材料消耗量約占其世界總消耗量的80%。其中歐美消耗量大約占95%(歐洲占80%，美國占15%)。,在復合材料價值鏈中，原材料、浸漬、結構件制造等中間產品加工成本占50%以上。其原材料和浸漬成本具有相對穩(wěn)定性，降低結構件的制造成本成為關鍵。,,與整車價位有關的材料輕量化設計技術路線1、低價位車型（＜10萬）：以鋼為主+玻纖增強材料的應用；2、中等價位車型（10-20萬）：以鋼為主+少量的鋁合金+玻纖增強材料的應用；3、高價位車型（20-80萬）：以鋼為主+多量的鋁合金+玻纖增強材料的應用；4、高端車型（＞80萬）：以鋁合金為主+玻纖增強材料和碳纖復合材料的應用；,復合材料典型應用案例,SMC材料的應用,,不銹鋼或鋁合金,,,SMC,牽引車工作臺,采用由環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸通過開環(huán)加成反應制得的乙烯基酯樹脂，它保留了環(huán)氧樹脂的基本鏈段，具有較高綜合強度、高溫性能。,,發(fā)動機氣門室罩蓋,復合材料典型應用案例,前頂蓋板,側圍護板,相比PP麻纖板，在性能相當基礎上輕質GMT可以減重20%～50%；強度更高。輕質GMT的拉伸強度和剛性模量都高于PP麻纖板一倍以上；耐熱性更好。相對比的熱變形溫度，輕質GMT遠高于PP麻纖板；更環(huán)保。輕質GMT相比PP麻纖板都是一種更低VOC、更環(huán)保的材料；,輕質GMT內飾板,復合材料典型應用案例,典型塑料復合材料汽車零部件：,涉及前端模塊、側門模塊、后尾門骨架、備胎艙、座椅骨架、儀表板骨架、頂棚、底護板和發(fā)動機罩蓋等部件,以前端模塊為例，傳統(tǒng)前端模塊采用10-20個鋼板沖壓件焊接而成，為此，需要開發(fā)多達65套以上的模具，最終產品的重量為5.5Kg。,選用長玻纖增強熱塑性聚丙烯（PP-LGF30）制作前端模塊，其材料性能要求如下表所示，應用模壓成形技術可以將20多個沖壓件進行有效地組合集成化，且只需開發(fā)一套模具，就可完成整個產品的一次性成形。,相對金屬沖壓件，玻纖復合材料(PP-LGF30)制作的前端模塊部件，其產品重量僅為3.5Kg，實現部件減重30%。同時，還減少150萬元的前期模具投入費用，減少了焊接、涂裝等生產工序。,,,碳纖維復合材料在汽車上的應用,由于碳纖維增強聚合物基復合材料有足夠的強度和剛度，其適于制造汽車車身、底盤等主要結構件的最輕材料。預計碳纖維復合材料的應用可使汽車車身、底盤減輕重量40％～60％，相當于鋼結構重的1/3～1/6。英國材料系統(tǒng)實驗室曾對碳纖維復合材料減重效果進行研究，結果表明碳纖維增強聚合物材料車重量僅為172kg，而鋼制車身重量為368kg，減重約50％。并且當生產量在2萬輛以下時，采用RTM工藝生產復合材料車身成本要低于鋼制車身。主要在豪華轎車、跑車上、賽車上應用如寶馬、雷克薩斯、蘭博基尼等,該車的整個車身采用了碳纖維材質打造，而底盤則由蜂窩式結構的鋁合金制成，使得整車在保證剛度的同時，底盤量僅為70kg，車重僅有1330kg，是超級跑車領域中最輕的車型。,最輕量化的超級跑車—柯尼塞格AgeraR,碳纖維還因為其環(huán)保、耐磨的特點而應用在剎車片上，碳纖維制動盤被廣泛用于競賽用汽車上，而且具有非常優(yōu)秀的制動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。應用于F1賽車。,碳纖維一體式車架最早出現在F1賽場，當今F1車身上90%為合成材料，這些合成物中90%都是碳纖維。碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維，其軸向強度和模量非常高，通用型碳纖維強度為100MPa，模量100GPa左右，無蠕變，耐疲勞性好，熱膨脹系數小，耐腐蝕性好。根據力學性能，碳纖維又分為通用型和高性能型，高性能型碳纖維主要有高強性（強度2000MPa，模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上），而當今航天航空工業(yè)中使用的超高強型碳纖維強度已經高于4000MPa，高模型碳纖維模量已經大于450GPa。,碳纖維符合材料的應用優(yōu)勢,,碳纖維符合材料在汽車制造中的應用領域,,碳纖維符合材料在汽車制造中的實際應用,碳纖維符合材料在汽車中的實際應用,碳纖維符合材料在汽車制造中的實際應用,寶馬M3碳纖維車頂車重降低5KG,市場售價110.5萬，普通鋼制車頂售價110萬,本田御用改裝廠——無限推出碳纖維材質牌照架版改裝飛度,雷克薩斯FLA優(yōu)質跑車60%車身采用碳纖維符合材料不僅加強車身堅固性較鋁制車身減重100KG,,,陶瓷材料,繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。發(fā)展只有20年左右，但具有優(yōu)良的力學性能（高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等）和化學性能（耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等）。作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發(fā)動機燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油耗大大下降，從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機上采用的材料，其最大特點是剛性高、比強度高、密度低。目前應用在汽車上的實例還不多，但應用研究在不斷前進，將來會較多地得到運用。,臥鋪板,,蜂窩夾芯板,菱鎂復合板,陶瓷材料典型應用案例,面層和襯條采用五合板,國外汽車制造業(yè)在做什么,在巴黎舉行的全球最大規(guī)模的復合材料展覽會“JECCompositeShow”上，關于新材料在汽車用途方面，與CFRP（碳纖維強化樹脂）相關的展示明顯增加，意大利蘭博基尼（Lamborghini）、德國寶馬（BMW）以及英國邁凱輪（Mclaren）汽車都展出了CFRP材質的車體。,國外汽車制造業(yè)在做什么,國外汽車制造業(yè)在做什么,CFRP（碳纖維復合材料）與鋼板及鋁合金相比，雖可大幅減輕重量，但因為成本高，此前只被用在賽車及超級車上。日本正在開發(fā)可快速且低成本制造CFRP的技術，RTM（樹脂傳遞模塑）成型工藝，使成型品的成本降至以往的1/5～1/7。寶馬公司的“i3”與豐田的“雷克薩斯LFA”均積極導入了RTM工藝。另外，使用原來的預浸料也可在5～10分鐘內成型的技術也已誕生。,國外汽車制造業(yè)在做什么,美國和德國是最重視環(huán)保和廢氣排放的，也是高分子工程塑料在汽車上應用最多和研究最深入的國家。德國戴姆勒（Daimler）與德國巴斯夫公司（BASF）在法蘭克福車展（IAA2011）上展出了共同開發(fā)的概念車“SmartForvision”。車輪采用樹脂制造，與采用金屬制造相比，每個輪子的重量減輕了3kg。簧下質量的減輕對于提高乘坐舒適性和（燃油經濟性）有著重要的意義。,國外汽車制造業(yè)在做什么,,國外汽車制造業(yè)在做什么,它的駕駛室骨架由CFRP（碳纖維強化樹脂）制造，基體（Matrix）是環(huán)氧樹脂。重量比鋼制減輕了一半。而且，座椅骨架為樹脂一體成形，采用了可集中加熱中間部分和腰部的座椅加熱器等，從而減輕了座椅的重量。通過加長玻璃纖維增強PA（聚酰胺）的強化纖維而增大了強度。強度和耐久性均達到了可應用于量產車的水平。,國外汽車制造業(yè)在做什么,奧迪汽車公司的AudiUrbanConcept電動微型概念車，它并不基于任何一款Audi現行產品的衍生車種，而是完全遵循著極度輕量化與低耗能的原則獨立開發(fā)而成，因此AudiUrbanConcept概念車的車體與座艙采CFRP碳纖維復合材質打造而成，并將車室內任何不必要的配備移除，以達到極度輕量化的目標。,國外汽車制造業(yè)在做什么,,國外汽車制造業(yè)在做什么,德國ZF公司日前公布了該公司底盤部門開發(fā)的最新輕量化技術。具體介紹了通過把鋼制懸掛部件改為輕金屬或樹脂而實現的輕量化效果、以及目前正在開發(fā)的FRP（纖維強化樹脂）懸掛模塊等。,國外相關材料業(yè)界在做什么,近年來，日本各大汽車廠商、材料生產商、相關研究機構和汽車部件廠商每年都會在“東京國際汽車展”和“人與車科技博覽會”上，展示能夠大幅減輕重量的部件、新材料和新技術。今年則提出了改用樹脂和泡沫等材料，在維持剛性的同時削減多余厚度，通過改進模具和思考新接合法節(jié)省現有部件的技術。,國外相關材料業(yè)界在做什么,本田公司日前開發(fā)出了鋼和鋁的接合技術，將在全球首次應用于量產車骨架部分，力求減輕車輛的重量，以提高燃效。接合鋼和鋁這兩種不同金屬的技術將用于車輛前部下側被稱為副車架的部分。在鋼上疊加鋁，移動在鋁的上面邊施加壓力邊旋轉的工具，在鋼和鋁之間形成穩(wěn)定的接合。能夠以與以往焊接同等以上的強度進行接合，與鋼相比，可實現25％的輕量化。,國外相關材料業(yè)界在做什么,國外相關材料業(yè)界在做什么,日本東麗開發(fā)出了在車輛骨架等部分采用碳纖維強化樹脂（CFRP）大幅減輕了車重的電動汽車（EV）概念車“TEEWAVEAR1”。TEEWAVEAR1概念車為可上路行駛的車輛配置，各部件在制造時非常注重實用化。該車共計采用了160kg的CFRP，由此將鋼板用量減輕了550kg，是“適合量產的為熱可塑性樹脂”，該公司的目標是“在汽車設計領域掀起一場革命”。,國外相關材料業(yè)界在做什么,東麗公司將碳纖維定位為“戰(zhàn)略性擴大業(yè)務”，汽車是最有望大量應用這種材料的領域。計劃通過概念車擴大汽車廠商對碳纖維的應用。,國外相關材料業(yè)界在做什么,豐田自動織機為豐田開發(fā)的混合動力車（HEV）“普銳斯α”掀背旅行車。開發(fā)的作為選配件的聚碳酸酯（PC）全景天窗。重約12kg，比玻璃天窗減輕了40%。,國外相關材料業(yè)界在做什么,豐田鐵工在“人與車科技展2012”上展出了正在開發(fā)的輕量后保險杠加強件。該部件由樹脂和鋼板復合而成，目的是大幅減輕重量。使用鋼板的加強件重約5kg，而由樹脂及鋼板復合而成的加強件以3kg為目標。,國外相關材料業(yè)界在做什么,卡羅拉掀背旅行轎車Fielder在豐田汽車中首次采用了樹脂后門，通過用樹脂制造外板，重量減輕了2.5kg。采用了與保險杠相同的材料—PP（聚丙烯），通過將飾板等一體化，削減了部件個數，比鋼制后門降低了成本。,國外相關材料業(yè)界在做什么,日本帝人公司開發(fā)出了采用熱可塑性樹脂，用1分鐘時間便可成型CFRP（碳纖維強化樹脂）車輛骨架部件的量產技術。用CFRP成型的車體骨架為輕型車尺寸，重量降低到了采用鋼板時的約1/5，即47kg，部件個數為20多個。確保了骨架所必需的碰撞安全性及剛性。由于車輛地板下部確保了足夠的剛性，因而省去了中柱。與美國通用汽車公司簽署了合作開發(fā)用于量產車部材產品協(xié)議。,國外相關材料業(yè)界在做什么,豐田合成在“第42屆東京車展”上展出了比以往產品減輕約20％的樹脂保險杠。通過在設計早期階段充分利用CAE，將最薄部分的厚度減少一半，大幅實現了薄壁、輕量化。該公司表示還能實現創(chuàng)意性更高的形狀。,,國外相關材料業(yè)界在做什么,世界鋼鐵協(xié)會（WorldSteelAssociation）汽車分會汽車鋼聯盟（WorldAutoSteel，WAS）公布了小型電動汽車（EV）的白車身（涂裝前車身）輕量化方法，并公開了其概要。據介紹，通過將高張力鋼板在整個車身中的比例提高至97％（重量比），可將同級別級汽油車的白車身重量減輕約35％。,國外相關材料業(yè)界在做什么,使用材料分布（左）與使用比例（右）,整車預測圖，內部布置圖,國外相關材料業(yè)界在做什么,新日本制鐵、JFE鋼鐵、住友金屬工業(yè)及神戸制鋼所4家鋼鐵企業(yè)公布了以實現輕量化為目標的新一代鋼制車體（FSV）開發(fā)項目的進展情況，該項目由世界鋼鐵協(xié)會（WorldSteelAssociation）汽車鋼聯盟（WorldAutoSteel，WAS）的成員企業(yè)——全球17家鋼鐵企業(yè)于2008年聯手啟動。,國外相關材料業(yè)界在做什么,加盟企業(yè)中包括新日本制鐵、JFE鋼鐵、住友金屬工業(yè)及神戶制鋼所4家日本企業(yè)，中國鞍山鋼鐵集團和寶山鋼鐵集團、盧森堡ArcelorMittal公司、臺灣中國鋼鐵公司、韓國現代鋼鐵公司、美國紐柯鋼鐵（Nucor）公司、韓國浦項制鐵集團（POSCO）、俄美Severstal、印英荷塔塔鋼鐵（TataSteel）公司、德國TyssenKruppSteelEurope、美國鋼鐵斯洛伐克分公司、巴西UsinasSiderurgicasdeMinas以及奧地利VoestalpineStahl，共計17家企業(yè)。,國外相關材料業(yè)界在做什么,由美國工程公司EDAG、加拿大電動動力傳動系統(tǒng)及氫動力傳動系統(tǒng)開發(fā)商昆騰科技（QuantumTechnologies）、中國燃料電池開發(fā)商上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司（SFCV）、同濟大學以及WAS的材料專家組成小組，對設想2015年～2020年推出的新一代車型的車體規(guī)格進行了探討。,國外相關材料業(yè)界在做什么,2012，美國化工理事會（ACC）就《關于提高客車和輕型卡車燃料效率并減少溫室氣體排放的聯邦建議》提交了書面意見，呼吁相關機構增加機動車技術信譽指標，以明示塑料等輕型材料的應用優(yōu)勢。,未來汽車對新型材料的要求,新材料技術研發(fā)必須解決以下問題，才有可能推動在汽車上的應用：1、可回收再利用性：汽車上大約有1/4的材料無法回收和再利用；其中:橡膠占1/3、塑料占1/3、玻璃及纖維合占1/3；無法滿足與循環(huán)經濟和環(huán)保的要求。2、減少材料的種類：目前汽車上使用的材料（尤其是由高分子材料組成的塑料）高達幾十種，材料生產工藝不同，通用性較差，不利于回收和循環(huán)再利用。,未來汽車對新材料的要求,3、低成本：制約汽車上使用新材料的重要因素就是成本，降低成本才是獲得在汽車制造業(yè)通往量產的必然趨勢。4、縮短制作周期，提高生產效率：新材料（如：主要用于車身較大面積的覆蓋板的高性能工程塑料、玻璃纖維增強材料和碳纖維增強材料）的加工工藝相對復雜，加工周期比較長。這也同樣是影響和制約汽車制造業(yè)采用這些新材料的重要因素。,未來汽車對新材料的要求,5、材料的安全性，應該滿足無毒、無害、對人體無副作用的要求；6、基本滿足汽車全壽命周期要求，不會出現早期材質變化和老化等現象。,