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正文內(nèi)容

汽車(chē)車(chē)身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-07-24 11:55 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 H—烘烤硬化鋼。IS—各向同性鋼。CMn—碳錳鋼。HSLA—高強(qiáng)度低合鋼。DP—雙相鋼。CP—復(fù)相鋼。TRIP—相變誘發(fā)塑性鋼。 Mart—馬氏鋼。 TWIP— 孿晶誘發(fā)塑性鋼。 Stainless—不銹鋼。 B steel—熱沖壓用鋼圖3各類(lèi)汽車(chē)用板的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的關(guān)系常用的鋼種包括:MnB系(上海寶鋼開(kāi)發(fā))熱成形用鋼、MnMoB系(北美、歐洲等多用此系列)、MnCrB系(高淬透性熱成形鋼)、MnCr系(部分馬氏體熱成形鋼)、MnWTiB系(如韓國(guó)POSCO 公司開(kāi)發(fā)的高烘烤硬化細(xì)晶粒熱成形鋼)。由于熱成形過(guò)程是重新加熱到奧氏體區(qū)的過(guò)程,為避免或減少加熱過(guò)程的氧化,需要對(duì)熱成形鋼進(jìn)行表面鍍層。目前開(kāi)發(fā)的用于熱成形的鍍層板包括:鍍Al板、鍍AlSi合金板和鍍Zn板等。韓國(guó)POSCO鋼鐵公司正在開(kāi)發(fā)納米鍍層板,以提高鍍層的結(jié)合力,防止鍍層在加熱和成形淬火過(guò)程中剝落。福特汽車(chē)在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還說(shuō)明,AlSi鍍層的金屬間化合物相為AlxFeySiz,鍍層上層金屬間化合物為Al6070Fe3040Si10+微量其它元素,而鍍層下層金屬間化合物則為Al5060Fe4555??紤]到成本問(wèn)題,有時(shí)也采用非鍍層板、熱軋板或冷軋板。圖4表現(xiàn)了我國(guó)汽車(chē)用鍍鋅板和高強(qiáng)度鋼量占白車(chē)身重量的比例。圖4我國(guó)汽車(chē)用鍍鋅板和高強(qiáng)度鋼量占白車(chē)身重量比例圖鋁材料的很多特點(diǎn)使其適宜于在汽車(chē)上應(yīng)用:(1)重量輕,僅為鋼材的1/3,因而可提高車(chē)輛有效載荷比例;(2)強(qiáng)度、韌性高,接近于鋼;(3)耐腐蝕性能好,氧化鋁是天然的防腐屏障,不需涂層或襯套,不污染運(yùn)輸貨物;(4)易于擠壓成形;(5)低溫性能優(yōu)異;(6)物理性能優(yōu)良,包括優(yōu)良的表面反射性能和熱傳導(dǎo)性能、無(wú)磁性、不產(chǎn)生火花、無(wú)毒等;(7)良好的可再生性。在轎車(chē)上,鋁合金材料被大量用于結(jié)構(gòu)件、車(chē)身空間框架和車(chē)身覆蓋件。其中結(jié)構(gòu)件包括:發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、保險(xiǎn)杠系統(tǒng)、散熱器、空氣壓縮機(jī)活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、懸架零件、制動(dòng)零件、驅(qū)動(dòng)軸、座椅支架、車(chē)身結(jié)構(gòu)件及零件、車(chē)輪、后罩板、懸架支架、儀表板結(jié)構(gòu)件、風(fēng)周邊結(jié)構(gòu)件、電子分配系統(tǒng)等。就鋁合金在商用車(chē)上的應(yīng)用,有一實(shí)例顯示,通過(guò)使用鋁合金,鉸接式載貨車(chē)可平均減重811公斤。又如瑞典SCANNIA的一款牽引車(chē),通過(guò)對(duì)駕駛室、車(chē)體裝飾件、車(chē)罩蓋、散熱器、保險(xiǎn)杠、引擎、變速箱殼體、輪轂、燃料罐、懸架、框架縱梁、橫梁、車(chē)門(mén)等使用鋁合金,共可減重1137公斤。鋁合金在客車(chē)上可以應(yīng)用的部件包括:底盤(pán)結(jié)構(gòu)件、外覆蓋件、行李廂門(mén)、傳動(dòng)軸套、油箱、鍛造鋁輪轂、后廂蓋板、內(nèi)裝鋁制型材、車(chē)頂蒙皮、透光天窗框架、熱交換系統(tǒng)、致光鋁覆蓋板、框架、裝飾條等。相對(duì)于使用鋼鐵材料,在商用車(chē)上使用鋁合金主要有三方面優(yōu)勢(shì):(1)可減輕整車(chē)重量,從而帶來(lái)提高有效載荷、降低燃油消耗、提高制動(dòng)性能、降低整車(chē)重心提高安全性、降低對(duì)路橋的損壞、提高輪胎壽命等效果;(2)可減少防腐維護(hù)費(fèi)用,因?yàn)椴辉傩枰獓娡枯d貨平板或載貨廂,板料有切痕和刮傷時(shí)也不致生銹,易于清洗并保持美觀;(3)可設(shè)計(jì)額外的美觀裝飾,如設(shè)計(jì)光亮的裝飾件、 保險(xiǎn)杠、 油罐、踏板等。軋制鋁合金板用于商用車(chē)上的不同用途時(shí),產(chǎn)品類(lèi)型及主要性能要求也有所不同。表2軋制鋁合金板在商用車(chē)上的用途、產(chǎn)品類(lèi)型及主要性能要求 塑料和復(fù)合材料與相同結(jié)構(gòu)性能的鋼材相比,塑料和復(fù)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(fù)合材料的發(fā)展提供了更多的潛力,在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過(guò)了鋁材,整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機(jī)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(shí)又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前,塑料大都使用在汽車(chē)的內(nèi)外飾件上,如儀表板、車(chē)門(mén)內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類(lèi)護(hù)板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車(chē)門(mén)防撞條、扶手、車(chē)窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴(kuò)展。例如發(fā)電機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。塑料也在向制作車(chē)身覆蓋件方向發(fā)展。復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料,是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹(shù)脂的復(fù)合材料。增強(qiáng)用的纖維除玻璃外,還有高級(jí)的碳纖維、合成纖維。復(fù)合材料作為汽車(chē)材料具有很多優(yōu)點(diǎn):密度小、設(shè)計(jì)靈活美觀、易設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛,尤其在歐美車(chē)系中。其中尤以SMC和GMT的應(yīng)用最為廣泛。曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯、達(dá)夫等歐洲重型卡車(chē)制造商的駕駛室材料中,都大量選用了SMC。在國(guó)內(nèi),SMC材料在汽車(chē)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是商用汽車(chē)領(lǐng)域。中國(guó)重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車(chē)制造商,其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。 其他輕量化材料 精細(xì)陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來(lái)的第3大類(lèi)材料。其發(fā)展史只有20年左右,但具有優(yōu)良的力學(xué)性能(高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學(xué)性能(耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等)。作為輕量化材料用于汽車(chē)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)上采用的材料,其最大特點(diǎn)是剛性高、比強(qiáng)度高、密度低。目前應(yīng)用在汽車(chē)上的實(shí)例還不多,但應(yīng)用研究在不斷前進(jìn),將來(lái)會(huì)較多地得到運(yùn)用。3 汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的分析.輕量化設(shè)計(jì)的分析原則概括起來(lái),輕量化設(shè)計(jì)是四個(gè)方面的集成,一是不同專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)的集成,即是設(shè)計(jì)、分析、工藝、材料等不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的集成;二是不同材料優(yōu)勢(shì)的集成,即根據(jù)不同零部件的性能要求采用適宜的材料;三是不同加工工藝和加工方法的優(yōu)勢(shì)集成,即根據(jù)零部件和材料特點(diǎn)采用適宜的加工工藝和加工方法;四是綜合考慮零件性能和整車(chē)性能的集成,從而達(dá)到輕量化、高性能、低成本的效果。因此,當(dāng)我們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮功能、減重和成本等三方面內(nèi)容。所謂功能,即要滿(mǎn)足一定的法律法規(guī)要求,如滿(mǎn)足一定的碰撞法規(guī)要求;所謂減重,即要達(dá)到一定的減重效果;所謂成本,即功能和減重必須在一定的成本控制前提下來(lái)實(shí)現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō),某兩個(gè)輕量化白車(chē)身用材及在功能、減重和成本上的比較見(jiàn)表3。表3某兩個(gè)輕量化白車(chē)身用材及在功能、減重和成本上的比較 減重:輕量化評(píng)價(jià)參量寶馬公司提出了輕量化系數(shù)的概念,作為評(píng)價(jià)車(chē)輛輕量化的參量,其定義為:其中,L為輕量化系數(shù);MGer為白車(chē)身重量(不包括車(chē)門(mén)和覆蓋件);Ct為白車(chē)身(包括玻璃)的靜扭剛度,也可取該值的2/3,此時(shí)必須保證裝好的擋風(fēng)玻璃上的載荷可以承受,因?yàn)楦弑砻胬瓚?yīng)力會(huì)引起擋風(fēng)玻璃損壞;A為輪距與軸距相乘的面積。由于乘用車(chē)輕量化的重點(diǎn)是白車(chē)身、覆蓋件和懸掛系統(tǒng),當(dāng)從不同角度評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品的輕量化水平時(shí),Ct的取值應(yīng)不同。當(dāng)側(cè)重以車(chē)輛的NVH性能評(píng)價(jià)輕量化參量時(shí),Ct值取一階彎曲或扭轉(zhuǎn)的固有頻率值;當(dāng)側(cè)重
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