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车身轻量化的思路及途径-新型材料

 月河黎里 2019-01-22
车身轻量化对减少尾气排放、提高燃油效率和车辆安全性意义重大。

汽车轻量化发展主要有三个方向:

除了第一项“新型材料”,后面两项是什么呢?敬请期待明天的内容

今天小编先从轻量化材料应用为大家梳理

轻量化材料的应用

1. 高强度钢

高强度钢的分类和定义国内外尚无统一的定义和分类方法,一般按照强度划分和强化机理划分。车身轻量化实现的总体思路及途径如图 1 所示,将屈服强度小于 210 MPa 的钢称为“软钢”,210 ~ 550 MPa 之间的称为“高强度”钢,高于 550 MPa 的称为“超高强度钢”。

高强度钢的价格相对较低,具有较高的结构强度、优越的碰撞吸能性和抗疲劳强度,且冲压成形性、焊接性和可涂装性优良,关键是能够利用现有汽车生产线生产从而节约设备投资,所以在现阶段,高强度钢是车身减重的首选材料。

如图 2 的例子所示,车身上高强度钢多用于车身侧围板、顶盖、发动机罩和车门板等覆盖件上,其中影响车身整体强度的车身框架部分又多选用超高强度钢,如保险杠、底板梁和顶盖横梁等。

2. 铝合金材料

铝合金材料密度是钢的 1/3,吸能性是钢的 2倍,在碰撞安全性方面有明显优势,且铝的可回收性和耐腐蚀性较好,是最常见的车身用轻金属材料。虽然铝材的弹性模量较低,但它有很好的挤压性,能够得到复杂界面从而从结构上补偿部件的刚度,因此在满足刚性和强度等多方面力学性能的前提下,能够大大降低材料消耗和制件的质量,进而实现车身轻量化、提高整车燃油效率。

目前阶段,铝合金在车身上多应用于发动机罩内外板上,如长城汽车某车型的零部件,通过应用铝合金材料并优化结构设计,实现了部件整体减重 50% 以上的目标(如表所示)。

由于铝合金具有上述优良特性,自 20 世纪 70年代石油危机以来,欧美日等汽车大国就开始在量产车上应用铝合金,如铝合金机罩、行李箱盖、翼子板、保险杠、车厢地板和散热器框架等,随着铝合金加工工艺和装配工艺日渐成熟,奥迪 A8和捷豹路虎 XJ 系列车型甚至实现了全铝车身的设计和制造(见图 3),实现了车身减重 40% 以上的效果。

3. 镁合金材料

镁的密度是 1.74 kg/m3,是铝的 2/3,且镁合金材料吸振性好,生产模具寿命高、尺寸稳定,作为轻量化材料应该更合适,但镁的化学活性高,加工过程中容易发生燃烧和爆炸,存在安全生产问题,且耐腐蚀性、蠕变强度和再生技术不如铝,所以现阶段相比于铝合金,镁合金的研究和发展很不充分,只应用于个别车型的发动机罩盖、转向盘、座椅支架、车内门板和变速器外壳等方面。图 4 所示的奇瑞 L11 车型镁合金转向盘,相比传统钢材质减重 0.83 kg。

4. 工程塑料和复合材料

现代汽车为节约资源、满足轻量化、防腐蚀、低成本和美观等要求,材料方面正在大量采用非金属材料,目前主要有工程塑料和复合材料。

汽车上的工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS 和 PA 等,这些工程塑料具有密度小、成形性好、耐腐蚀、防振和隔音隔热等优良特性的同时,又具有金属钢板不具备的外观(颜色、光泽)和触感,所以在汽车上应用广泛,例如,前后保险杠、仪表板、前后车灯、后备箱盖、翼子板及众多内外饰件等。

复合材料是指两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制成的一种多相固体材料,通常由增强材料和基体材料复合而成,其中增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维和高分子材料。复合材料具有很多金属材料无法比拟的优点,例如,防锈、隔热、隔音、保护人体、密度小、强度高以及抗疲劳度大等特点。

近年来复合材料主要应用于前端托架、仪表板骨架、电池托架、悬架和车架等汽车结构件上,如高强度有机纤维增强复合材料有很高的机械强度,能代替钢架材料从而减轻车身质量;碳纤维增强复合材料能够代替钢板弹簧运用于悬架系统。如图 5 所示,奥迪 A8 行李箱隔舱隔板采用碳纤维材质,质量仅 2.6 kg,却能够将后部车身刚性强度提高 30%。

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