車體輕量化材料課件(PPT 48頁(yè))

1、汽 車 車 身輕量化結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料福州大學(xué) 材料學(xué)院.第1頁(yè)，共48頁(yè)。第一章 緒論 全世界汽車工業(yè)界已清楚地認(rèn)識(shí)到，節(jié)省資源和減少對(duì)環(huán)境的污染是汽車可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的兩大問題。要使汽車更省油、更環(huán)保，目前一個(gè)可行的重要措施就是汽車輕量化，廣泛和更多地使用輕質(zhì)材料。潔凈化安全化輕量化舒適化信息化汽車設(shè)計(jì)和制造的五大方向第2頁(yè)，共48頁(yè)。1.1 汽車輕量化的緊迫性 節(jié)能的需求車重與行駛阻力的關(guān)系車重與定速燃料效率的關(guān)系W汽車重量0滾動(dòng)阻力系數(shù)斜率a加速度等價(jià)旋轉(zhuǎn)重量比空氣阻力系數(shù)A迎風(fēng)面積V車速1.1 汽車輕量化的緊迫性1.21.31.41.5輕量化有助于減小行駛阻力輕量化有助于降低油耗第

2、3頁(yè)，共48頁(yè)。1.1 汽車輕量化的緊迫性 美國(guó)的排放法規(guī)歐洲的排放法規(guī)日本的排放法規(guī)我國(guó)的排放法規(guī)環(huán)保的需求1.1 汽車輕量化的緊迫性1.21.31.41.5日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求車輛自重降低第4頁(yè)，共48頁(yè)。1.1 汽車輕量化的緊迫性 1.1 汽車輕量化的緊迫性1.21.31.41.5節(jié)省資源減少污染提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率；改進(jìn)汽車造型以降低風(fēng)阻系數(shù)；改進(jìn)汽車輪胎；改進(jìn)結(jié)構(gòu)和材料方法可行在保證動(dòng)力性和安全性的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化第5頁(yè)，共48頁(yè)。1.2 汽車輕量化研究的方法高強(qiáng)度鋼鋁合金 塑料 鎂合金 復(fù)合材料 密度小，強(qiáng)度大，吸能性好 密度小，耐腐性能好密度、強(qiáng)度人為可控，吸能性更好可使板厚減薄，強(qiáng)

3、度剛度增加 密度更小，強(qiáng)度大，吸能性好1.31.41.51.11.2 汽車輕量化研究的方法新材料的應(yīng)用第6頁(yè)，共48頁(yè)。1.2 汽車輕量化研究的方法1.31.41.51.11.2 汽車輕量化研究的方法結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)板殼厚度梁截面平面慣性矩對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)和整體化、集成化尺寸優(yōu)化應(yīng)力分布均勻化減小質(zhì)量延長(zhǎng)壽命形狀優(yōu)化向承受高負(fù)荷的部位儲(chǔ)存材料將承受低負(fù)荷的部位去除材料第7頁(yè)，共48頁(yè)。1.2 汽車輕量化研究的方法1.31.41.51.11.2 汽車輕量化研究的方法革新工藝液壓成型工藝激光焊接工藝定制板材技術(shù)金屬板固態(tài)成型技術(shù)真空壓鑄成型技術(shù)無孔壓鑄成型技術(shù)與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相符的創(chuàng)新制造工藝革新

4、工藝拓寬汽車輕量化的可能性第8頁(yè)，共48頁(yè)。1.3 車身零件的輕量化對(duì)整車輕量化的貢獻(xiàn)1.21.3 車身輕量化對(duì)整車輕量化的貢獻(xiàn)1.41.51.1質(zhì)量占整車的0安全性、舒適性要求高結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料眾多車身的輕量化對(duì)于整車輕量化舉足輕重形狀復(fù)雜美觀、防腐要求高制造成本占整車的0第9頁(yè)，共48頁(yè)。鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、離合器殼體 大眾甲殼蟲1.4 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展1.21.31.4 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展1.51.1玻璃增強(qiáng)纖維復(fù)合材料車身外殼 克萊斯勒CCV復(fù)合材料概念車平均油耗實(shí)際為2.99L/100km，轎車自重800kg世界上第一輛批產(chǎn)低油耗轎車 大眾3升車Lupo全鋁空間框架車身(ASF)

5、，世界上第一種大批量生產(chǎn)的全鋁車身轎車 奧迪A2第10頁(yè)，共48頁(yè)。1.4 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展1.21.31.4 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展1.51.1以全鋁結(jié)構(gòu)件為基礎(chǔ)，使用鈦，鎂和碳纖維等貴重材料 福特P2000廣泛應(yīng)用輕質(zhì)材料，自重750kg Ecobasic“3L” 鎂合金和復(fù)合材料的車身框架，自重700公斤 豐田ES3鋁質(zhì)車身 法拉利360Modena /Spider第11頁(yè)，共48頁(yè)。1.4 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展全鋁車身的豪華型轎車 捷豹XJ81.21.31.4 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展1.51.1全鋁車身的高級(jí)跑車 法拉利612-Scaglietti第12頁(yè)，共48頁(yè)。資源豐富，

6、體系完善 ；我國(guó)汽車用鋁與國(guó)際水平差距較大 ；使用潛力大。1.5 我國(guó)汽車的輕量化現(xiàn)狀1.高強(qiáng)度鋼2.鋁合金鎂合金的時(shí)代已經(jīng)到來；我國(guó)是鎂資源大國(guó)；目前國(guó)內(nèi)用量很少。3.鎂合金已經(jīng)起步，逐年上升；多元化發(fā)展；品種較少，與國(guó)外差距大 。1.21.31.41.11.5 我國(guó)汽車輕量化現(xiàn)狀4.復(fù)合材料與國(guó)際先進(jìn)水平差距大；可生產(chǎn)低級(jí)別的雙相鋼；冷軋超高強(qiáng)度鋼可生產(chǎn)一部分；先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板在研發(fā)階段。 第13頁(yè)，共48頁(yè)。緒論車身用輕質(zhì)材料輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)的成型工藝輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)的連接工藝應(yīng)用多種材料的輕質(zhì)車身設(shè)計(jì)第1章第2章第3章第4章第5章第6章車門的輕量化設(shè)計(jì)示例第14頁(yè)，共48頁(yè)。第二章 車身用輕質(zhì)

7、材料 由于不斷推廣使用各種性能優(yōu)異的輕質(zhì)材料，汽車輕量化成績(jī)顯著。高強(qiáng)度鋼比例穩(wěn)步攀升，復(fù)合材料比例也呈上升態(tài)勢(shì)，而全塑車身的出現(xiàn)也顯出了復(fù)合材料在未來汽車工業(yè)中的巨大潛力。除此以外，鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、鈦合金等輕質(zhì)材料也越來越多地應(yīng)用于汽車。車身零部件的選材原則 使用性 工藝性經(jīng)濟(jì)性使得零件在使用過程中具有良好的工作性能 能夠確保零件便于加工 能使產(chǎn)品具有較低的總成本 第15頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼汽車用高強(qiáng)度鋼板的開發(fā)進(jìn)程1975 1980 1985 1990 1995 20002.1.1 高強(qiáng)度鋼的發(fā)展歷史2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4高強(qiáng)鋼的應(yīng)用越來越廣，我國(guó)在這方面起步

8、較晚第16頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼 北美轎車高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用趨勢(shì)價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)性好；性能優(yōu)越，能保證大零件的剛性；利用現(xiàn)有的汽車生產(chǎn)線，節(jié)約設(shè)備投資。2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.42.1.2 高強(qiáng)度鋼在車身輕量化發(fā)展中的地位和作用目前，鋼材乃車身主要用材。未來，高強(qiáng)鋼的比例會(huì)大幅增加第17頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.42.1.3 高強(qiáng)度鋼在車身上應(yīng)用的示例車身結(jié)構(gòu)減重抗扭抗彎提高造價(jià)降低90%高強(qiáng)鋼板減重32%無框架車門結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼車門外板超高強(qiáng)鋼車門桿件減重約30%制造成本降低成本低于鋁材30%五星碰撞標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)成本被接受油耗降低鋼鐵高回收性第18頁(yè)，共48頁(yè)

9、。2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.42.1高強(qiáng)度鋼ULSACULSAC項(xiàng)目試制車門的結(jié)構(gòu)及裝配過程ULSAB對(duì)比車平均值ULSAB目標(biāo)ULSAB試制與對(duì)比車相比重量/kg271200203-68扭轉(zhuǎn)剛度/Nm/kg1153113000208009269彎曲剛度/Nm/kg1190212200181006198一次固有振動(dòng)數(shù)/Hz38406022部件個(gè)數(shù)195158-37第19頁(yè)，共48頁(yè)。2022/7/212.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.42.1高強(qiáng)度鋼ULSAB-AVCULSAB-AVC項(xiàng)目中采用的材料強(qiáng)度和加工工藝 ULSAB-AVC項(xiàng)目中采用的各種高強(qiáng)度鋼板 PNGV項(xiàng)目的研究成果表明：

10、高強(qiáng)鋼是目前輕質(zhì)車身用材的首選第20頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2022/7/212.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.42.1.4 高強(qiáng)度鋼在車身上應(yīng)用的基礎(chǔ)車身用高強(qiáng)鋼的分類傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼（HSS）先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）低碳鋼(Mild)無間隙原子鋼(IF)各向同性鋼(IS) 、烘烤硬化鋼(BH )碳一錳鋼( CMn )低合金高強(qiáng)度鋼(HSLA )相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)復(fù)相鋼(CP)馬氏體鋼(Mart)雙相鋼(DPP) 第21頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4屈服強(qiáng)度小于210MPa的鋼為軟鋼210-550MPa的為高強(qiáng)度鋼(HSS)高于550MPa的為超高強(qiáng)度鋼(U

11、HSS)。汽車用鋼屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的關(guān)系鋼YP/MPaTS/MPaEI /%-值厚度/mm熱軋開發(fā)鋼47061035902.3傳統(tǒng)鋼5306102460冷軋開發(fā)鋼39060037601.4傳統(tǒng)鋼4206002560590MPa級(jí)殘留奧氏體熱、冷軋鋼板的機(jī)械性能 第22頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2022/7/212.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4材料結(jié)構(gòu)方式 變截面技術(shù)對(duì)于車輛的輕量化、安全性和其結(jié)構(gòu)本身的承載適應(yīng)性都有顯著提高等厚度板TWB 減重20TRB 減重40TRT減重55各種結(jié)構(gòu)板料的減重效果比較第23頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4各種結(jié)構(gòu)板料的機(jī)械性

12、質(zhì)比較綜合新方案連續(xù)變截面板技術(shù)，軋制過程中，軋輥的間距可以實(shí)時(shí)地調(diào)整變化，從而使軋制出的薄板沿軋制方向上具有預(yù)先定制的變截面形狀。第24頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4TRB的應(yīng)用實(shí)例運(yùn)用TRB技術(shù)的寶馬后橫梁第25頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2022/7/212.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4高強(qiáng)鋼拼焊應(yīng)用于車身歐洲激光拼焊板歷年使用量激光拼焊板，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。第26頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2022/7/212.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4空心變截面鋼管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的輕量化

13、，而且與傳統(tǒng)的矩形截面相比，具有同樣的抗拉壓和突出的抗扭力學(xué)性能。TRT在NSB項(xiàng)目中的應(yīng)用TRT在Scalight項(xiàng)目中的應(yīng)用 第27頁(yè)，共48頁(yè)。2.1高強(qiáng)度鋼2.1 高強(qiáng)度鋼2.22.32.4對(duì)不同部位，起不同作用的部件，使用不同強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼車身用高強(qiáng)鋼的結(jié)構(gòu)與性能第28頁(yè)，共48頁(yè)。2.2鋁合金“四門兩蓋”階段“殼式支撐結(jié)構(gòu)”車身比較昂貴的權(quán)宜之計(jì)，對(duì)車身承載性影響不大帶加強(qiáng)筋鋼結(jié)構(gòu)的一種替代品2.2 鋁合金2.32.42.12.2.1鋁合金的發(fā)展歷史“空間框架結(jié)構(gòu)”車身實(shí)現(xiàn)了全鋁車身設(shè)計(jì)制造鋁合金在汽車車身上的應(yīng)用主要經(jīng)歷三個(gè)階段第29頁(yè)，共48頁(yè)。2.2鋁合金2.2 鋁合金2.32

14、.42.12.2.2鋁合金在車身輕量化發(fā)展中的地位和作用 北美、歐洲、日本轎車用鋁合金占車身質(zhì)量比例 鋁合金比強(qiáng)度高，雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能得到復(fù)雜截面的構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)上補(bǔ)償了部件的剛度；吸能性好，碰撞安全性優(yōu)勢(shì)明顯，而且由于車身質(zhì)量減輕，在碰撞時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能減小。第30頁(yè)，共48頁(yè)。2.2鋁合金年代廠家車型使用部位1982奧迪AUDI100C3車門里板 車門窗框 前保險(xiǎn)杠橫梁1984馬自達(dá)SANBANA RX-7發(fā)動(dòng)機(jī)罩1989日產(chǎn)SKYLINE發(fā)動(dòng)機(jī)罩 前翼子板1991本田ACURA SX全鋁車身1992鈴木敞篷車活動(dòng)頂蓋 后支柱1993福特SYYNTHENS2010全鋁車身19

15、94奧迪AUDI A8全鋁車身2.2 鋁合金2.32.42.12.2.3鋁合金在車身中應(yīng)用的示例 奧迪A8 第一代鋁合金ASF車身 奧迪 A2第二代鋁合金ASF車身新奧迪A8第二代鋁合金ASF車身第31頁(yè)，共48頁(yè)。2.2鋁合金鑄造鋁合金 直接用鑄造方法澆注或壓鑄成零件或毛坯的鋁合金。 2.2 鋁合金2.32.42.12.2.4車身用鋁合金的特點(diǎn)變形鋁合金 是經(jīng)熔煉鑄成鑄錠后，在經(jīng)過熱擠壓加工形成各種型材、棒材、管材和板材。 離合器殼體、變速箱殼體等殼體類零件；發(fā)動(dòng)機(jī)部件；保險(xiǎn)杠、輪輞、制動(dòng)鉗等非發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件。制造保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門行李箱等車身面板、車輪的輪輻、輪罩、輪外飾罩等結(jié)構(gòu)件儀表板

16、等裝飾件。第32頁(yè)，共48頁(yè)。2.2鋁合金2.2 鋁合金2.32.42.1 . 密度低耐蝕性好柔性的強(qiáng)度設(shè)計(jì)高的導(dǎo)熱性能表面美觀鑄造性好是鋼的1/3 不易生銹 在常溫下的強(qiáng)度不低于鑄鐵 約比鋁高三倍 無色透明的氧化膜 溶化溫度低，易成復(fù)雜形狀 切削性好耐磨性好 是鑄鐵的4-5倍，工具磨損小 第33頁(yè)，共48頁(yè)。2.2鋁合金2.2 鋁合金2.32.42.1種類屈服極限（N/mm2)拉伸強(qiáng)度（N/mm2)延伸率(%)平均延伸率(%)硬度HVn值r值5052-01072132422520.320.745052-H242122691310800.131.055182-01252643128260.31

17、0.615182-H242733501110910.130.756061-04512530250.280.666061-T41972712420640.200.74冷軋鋼板1812984623450.212.00主要鋁合金板的機(jī)械性能奧迪鋁車身空間框架結(jié)構(gòu)中的材料第34頁(yè)，共48頁(yè)。2.3鎂合金2.2 2.3鎂合金2.42.12.3.1鎂合金在車身上應(yīng)用的示例 近年來世界汽車用鎂合金壓鑄件統(tǒng)計(jì)表鎂合金壓鑄件對(duì)減輕質(zhì)量和提高性能的影響十分顯著，故障車身上應(yīng)用的發(fā)展極其迅猛第35頁(yè)，共48頁(yè)。2.3鎂合金2.2 2.3鎂合金2.42.12.3.2鎂合金在車身上應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)鑄造鎂合金多用于壓鑄工藝生

18、產(chǎn)。生產(chǎn)效率高、精度高、鑄件表面質(zhì)量好、鑄態(tài)組織優(yōu)良、可生產(chǎn)薄壁及形狀復(fù)雜的構(gòu)件。變形鎂合金可用擠壓、軋制、鍛造和沖壓等塑性成形方法加工。具有更高的強(qiáng)度、更好的塑性和更多的樣式規(guī)格。按化學(xué)成分分類按是否含變質(zhì)劑鋯分類按成型工藝分類第36頁(yè)，共48頁(yè)。2.3鎂合金鎂合金的力學(xué)性能2.2 2.3鎂合金2.42.1牌號(hào)抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa延伸率/%疲勞強(qiáng)度/MPa布氏硬度/HB彈性模量/GPa減震系數(shù)/%AZ91D24016035070704525AM60B22513085070654345AM50A21012510-6045-AS41A21514065070604540AS211721

19、104-63-60AE4223014510-6045-特性AZ91D鋁合金A380ABS塑料工程塑料PET工程塑料PBT密度/g*cm-31.812.741.071.611.72抗拉強(qiáng)度/MPa24033143193172屈服強(qiáng)度/MPa16016539152117延伸率/%3316.54.53.0彈性模量/GPa45712.18.310.3屈服重量比100-4110777吸水性/%000.330.050.07熱導(dǎo)率/W*(m*K)-15196.20.280.280.29熔化溫度/598595260260260膨脹系數(shù)/m*m-126-76.52725剛度100-7.82124第37頁(yè)，共48

20、頁(yè)。2.3鎂合金2.2 2.3鎂合金2.42.1 . 質(zhì)量輕比強(qiáng)度高穩(wěn)定性高阻尼系數(shù)良好點(diǎn)此屏蔽性好可回收性好是鋼的1/5 是鋁合金的1.8倍 工件尺寸精度高 減振降噪 防電磁干擾 符合環(huán)保要求 切削性好鑄造成型性好 易加工 壁薄，并生產(chǎn)效率高鎂合金壓性能非常優(yōu)越，在工藝技術(shù)支持下應(yīng)用前景廣泛第38頁(yè)，共48頁(yè)。2.4復(fù)合材料2.2 2.32.4復(fù)合材料2.1復(fù)合材料應(yīng)滿足的條件 由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組成；用人工方法制造的；性能優(yōu)于各組分單獨(dú)存在時(shí)的性能，具有協(xié)同增強(qiáng)的特點(diǎn)。 2.4.1 復(fù)合材料的發(fā)展歷史玻璃纖維增強(qiáng)材料碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料有機(jī)纖維復(fù)合材料金屬基復(fù)合材

21、料陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料性能人為可造、可控，是二十一世紀(jì)新興材料第39頁(yè)，共48頁(yè)。2.4復(fù)合材料2.2 2.32.4復(fù)合材料2.12.4.2 復(fù)合材料在車身輕量化發(fā)展中的地位和作用在汽車用材料中復(fù)合材料正占有越來越重要的地位改善性能、賦予功能性、改善加工性、降低成本是開發(fā)復(fù)合材料的目的第40頁(yè)，共48頁(yè)。2.4復(fù)合材料2.2 2.32.4復(fù)合材料2.12.4.3 復(fù)合材料在車身上應(yīng)用的示例BMW CFRP 側(cè)圍骨架復(fù)合材料的框架結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料車身頂蓋 復(fù)合材料備胎總成下端板塊Noryl GTX 964重量: 2,1 kgTopspoilerNoryl GTX 964重量: 1,0 kg玻璃重

22、量: 4,4 kg舉升門總成 門板內(nèi)飾PP/Dilour重量: 0,8 kg結(jié)構(gòu)GMT PP GF 40重量: 7,0 kg第41頁(yè)，共48頁(yè)。2.4復(fù)合材料2.2 2.32.4復(fù)合材料2.1 雷諾 Avantime 車身塑料件 克萊斯勒的CCV車身 通用概念車Ultralite 第42頁(yè)，共48頁(yè)。2.4復(fù)合材料2.2 2.32.4復(fù)合材料2.12.4.4 復(fù)合材料在汽車車身上應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)性能未增強(qiáng)增強(qiáng)拉伸強(qiáng)度/Mpa80260彎曲強(qiáng)度/Mpa120360沖擊強(qiáng)度/(kJ/m2)10300聚合物基體 分為熱固性和熱塑性兩大類，以熱固性樹脂為主，主要品種有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂和酚醛樹脂等。增強(qiáng)材料 復(fù)合材料中的增強(qiáng)用纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和金屬纖維等，其中應(yīng)用最廣泛的是玻璃纖維。 玻璃纖維對(duì)乙烯基酯樹脂的增強(qiáng)作用第43頁(yè)，共48頁(yè)。2.4復(fù)合材料2.2 2.32.4復(fù)合材料2.1熱塑性熱固性金屬