专用汽车轻量化设计

专用汽车轻量化设计（通用12篇）

专用汽车轻量化设计 篇1

1 电动汽车车身轻量化设计

1.1 尺寸优化方法 尺寸优化即是在给定结构的类型、材料以及几何外形的基础上, 对不同组成构件的截面尺寸予以优化, 从而实现结构最轻化, 比如说对节点附近已定的桁架结构得出各梁的最优截面尺寸;对几何形状确定的平面板结构求各个位置的最佳厚度等。

1.2 形状优化方法 形状优化即是当结构类型、材料以及布局确定的基础上, 对车身结构的几何形状予以优化, 比如说在布局确定的情况下对桁架的节点位置予以优化设计;对内部开孔尺寸以及形状予以优化。形状优化法和尺寸优化法属于几类优化方法中发展最为成熟且最容易实现的, 当前应用相对普遍, 较多商业有限元软件内部都具备这一模块。

1.3 形貌优化方法 形貌优化属于形状优化法的进一步拓展, 采用的变量是形状变量。形貌优化设计位置首先被分为很多独立变量, 之后进行迭代优化, 同时计算出变量对结构所造成的影响。通过指定板壳单元节点在其法向的移动量, 对有限元网络模型的结构形状予以调整, 最终得到符合设计目标的最优化移动节点区域的组合, 它和基于钣金面上的强化筋布置设计流程比较相似。形貌优化目标函数包含车身零件频率和强度等参数, 设计变量为节点位移变化向量, 加强筋方向通常来说和冲压方向相同, 还应当确定最大和最小起筋宽度以及加强筋角度等;设计变量区间选择也能够当作约束条件进行处理[1]。

1.4 拓扑优化方法 因为结构的尺寸优化、形状优化以及形貌优化全部是在结构布局固定的基础上实现的, 优化设计可以达到的实际作用也仅仅限制在之前所确定的设计布局中, 无法对结构拓扑形式进行更改。所以, 可在结构设计的概念设计开始时, 选择拓扑优化的方式来实现车身轻量化的设计目标。拓扑优化措施指的是在给定的区域中, 按已知外载和支承等约束条件, 计算出承受单位荷载的最佳结构材料分配方案, 从而确保结构刚度的最大化或者让输出位移和应力等符合规定要求, 拓扑优化方法是有限元分析以及数学优化措施的结合。

2 轻量化车身连接技术

2.1 中频焊接 中频逆变直流电阻焊控制电源是通过整流电流转变为脉动直流电, 通过功率开关器件构成的逆变电流转化为中频方波接入变压器。逆变器一般来说选择电流反馈脉宽调制来保证相对稳定的电流输出。中频定位焊接的优势在于热效率较好, 电流焊接热效率相对交流定位焊接来说更高, 同时还能够选择低电流进行焊接。所以, 中频定位焊接技术可以对高强度钢、带镀层钢板、铝合金和不锈钢等多种材料实施焊接。

2.2 激光焊 高强度钢的屈服强度一般来说是普通钢板的3 倍左右, 铝的电阻相对钢来说更小且具备更优的导热系数, 借助于传统的定位焊接方法是无法进行的。现阶段汽车制造行业应用相对普遍的激光焊接技术一般包括了如下几种:激光钎焊、激光熔化焊以及激光MIG复合焊。采用激光焊接技术对高强度钢进行焊接, 能够让车身遭遇撞击后将能量转移到高强度钢板上, 从而有效的增加车身强度。激光焊接能够应用到各种型号、异种金属的焊接工作中, 特别符合超高强度钢板与轻合金的焊接要求。

2.3 特种焊接 特种焊接技术通常适合热塑型汽车复合材料的焊接, 其优势在于具备良好的机械性能, 连接位置的耐用性较强, 焊接作业时间短, 检测方便等。现阶段, 热塑性汽车复合材料的焊接处理技术包括以下两种类型:超声波焊接以及电感应焊接。但是这两类焊接方法的缺陷在于:电感应焊接作业过程中必须在复合材料内加入导电性填料, 同时两种焊接技术可允许的碳纤维含量非常低。

2.4 机械连接 机械连接一般是借助于铆钉与螺栓, 无需对其表面实施预先处理或后续抛光, 如此就更有利于反复拆卸作业, 不会对环境造成较大影响。相对于镁合金与其它材料的连接, 可依靠机械连接与粘接的混合连接方式, 如盲铆、半空心铆以及实心铆等冷冲铆连接技术。机械连接方法通常应用在钢材、轻合金等异种材料之间的连接作业中[2]。

3 结语

当前, 新能源汽车技术得到了飞速发展, 宝马、奔驰、丰田等世界知名汽车厂商也越来越重视这一市场, 国内很多自主汽车品牌也开始制定电动汽车发展战略。创新与发展电动汽车车身轻量化技术, 让其拥有更好的动力性与舒适性, 是增强电动汽车市场竞争力的有效方式, 也是未来汽车行业发展的重要方向, 因此有必要对其进行更加深入的研究。

摘要：能源和环境问题让电动能源汽车有了更加广阔的发展前景, 纯电动汽车和混合动力汽车也成为了汽车行业发展的必然趋势。对电动汽车来说, 现阶段因为电池单位质量储能较低以及续航情况较弱, 因此必须要重视其车身的轻量化设计。

关键词：电动汽车,轻量化,车身设计

参考文献

[1]孙飞豹.电动汽车车身轻量化设计刍议[J].商.2014 (51) :156.

[2]廖君, 王冯良, 胡望岳等.电动轿车车身轻量化优化设计[J].机电工程.2009 (26) :76.

专用汽车轻量化设计 篇2

AHSS 钢主要包括双相钢(D P)、相变诱发塑性钢(TRI P)复相钢(CP)和马氏体钢(M)等 ,这类钢是通过相变组织强化来达到高强度的 , 强度范围 500 ～1500 MPa。具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成型性和低的平面各向异性等优点 D P钢

DP 钢板的商业化开发已近30，年包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。主要组织是铁素体和马氏体 , 其中马氏体的含量在 5 %～ 20 %, 随着马氏体含量的增加 , 强度线性增加 , 强度范围为 500～ 1 200 MPa。除了AHSS 钢的共性特点外 , 双相钢还具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。DP 钢一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求 也较严格的汽车零件 , 如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等.热轧 D P 钢的生产是通过控制冷却来得到铁素体和马氏体的组织的 , 冷轧和热镀锌 DP 钢是通过铁素体和奥氏体两相区退火和随后的快速冷却来得到铁素体和马氏体组织的。D P 钢的主要成分是 C和Mn , 根据生产工艺的不同可适当添加Cr、Mo 等元素使C曲线右移 , 避免冷却时析出珠光体和贝氏体等组织。

复相钢

复相（Complex Phase: CP）钢是指两相在数量和尺寸上有相同的数量级，其组织特点是

细小的铁素体和高比例的硬质相如贝氏体、马氏体，含有铌、钛等元素。复相钢基本上是在Mn-Cr-Si合金成分体系的基础上，通过马氏体、贝氏体以及Ti、Nb和V等微合金元素的晶粒细化效应和析出强化的复合作用，结合适当的卷取工艺而生产的，抗拉强度能够达到800~1000MPa。具有很高的能量吸收能力和扩孔性能，广泛应用于汽车车身中车门的防撞杆、保险杠与B立柱等提高汽车安全性能的部件。贝氏体钢

贝氏体（Bainite: B）钢的微观组织为贝氏体，通过控制冷却速度或者空冷可以得到贝氏体组织。贝氏体钢的化学成分主要由碳和微量铬、硼、钼、镍等合金元素组成，含碳量低于 0.05%。贝氏体钢的韧性好、强度高（530~1500MPa），并且随着贝氏体转变温度的降低，贝氏体钢的强度增加，贝氏体钢的成形能力和焊接性均很好，在航空航天、船舶与石油化工。马氏体钢

马氏体钢的微观组织为少量的铁素体和/或贝氏体均匀的分布在板条状的马氏体基体上。通过在连续退火线或者出料辊道上的快速冷却作用，使奥氏体向马氏体完全转变从而得到马氏体钢。向马氏体中加入碳元素能提高马氏体的淬硬性，起到强化的作用；为提高马氏体钢的淬透性可以加入不同比例的 Mn、Mo、B、V、Ni、Si、Cr 等合金元素。马氏体钢是先进高强钢中抗拉强度最高的钢种，最高能达到 1700MPa。

相变诱发塑性钢

相变诱发塑性（TRIP）钢是为了满足汽车工业对高强度、高塑性钢板的要求而开发研制的，微观组织主要为铁素体、贝氏体和残余奥氏体（体积分数一般为 10%~20%）。在冷成形过程中，残余奥氏体向硬的马氏体发生转变（形变诱导相变）的同时发生塑性变形。这种硬化使得组织变形难以在局部集中并使应变分散，导致了整个组织中的塑性变形分布比较均匀，这种现象称为相变诱发塑性。TRIP 钢具有强度高、延展性好、易冲压成形和能量吸收率高等特点，可以大幅度地减轻车身自重，降低油耗，同时能够抵御发生碰撞时的塑性变形，显著提高汽车的安全性能，在汽车制造领域有着巨大的优势。

TRIP 钢分为热轧型 TRIP 钢和热处理型冷轧 TRIP 钢。热轧型 TRIP 钢是通过控轧控冷获得大量的残余奥氏体组织。热处理型冷轧 TRIP 钢是在冷轧后采用临界加热，然后在下贝氏体转变温度范围内等温淬火。快速加热至临界温度，形成铁素体-奥氏体混合组织。与双相钢的热处理工艺最大的区别在于，为了在最终的组织中保留奥氏体，需要引入贝氏体等温淬火保持阶段（或缓冷）。通过碳在未转变的奥氏体中的富集使马氏体转变温度降至低于零度，但仅通过铁素体形成时产生的碳富集是不够的，因此，贝氏体形成时会造成更多的

碳富集。通过添加硅或铝，不仅能起到固溶强化作用，而且还能阻止在贝氏体形成过程中碳化物析出。孪生诱导塑性钢

孪生诱导塑性(TWIP)钢是第二代先进高强钢的典型钢种，又称FeMn钢、高锰钢或现代轻质钢，成分特点是锰和铝含量较高，具有高强度、高加工硬化速率和优异的延展性（总延伸率可高达70%）。主要有Fe-Mn-C钢、Fe-Mn-C-Al钢及Fe-Mn-C-Al-Si钢。研究结果表明FeMn-TWIP钢加工硬化速率n值高且均匀，可承受局部应变峰值并具有良好的应变分布（抗颈缩），同时成形性能好，具有较好的能量吸收性能。由于这类钢的处理工艺复杂、合金元素含量较高，虽然具有高强度和高韧性等良好的综合性能，但目前为止还没有商业化，在汽车工业上的应用还很有限。

相同成分DP钢和TRIP钢部分力学性能的比较

对同一种钢板进行不同热处理分别制成具有相同铁素体含量的双相钢(DP钢)和相变诱发塑性变形钢(TRIP钢)，并对其部分力学性能进行对比。比较发现，铁素体基体上不同的第二相使得材料力学性能产生巨大差异：马氏体使DP钢具有很高的抗拉强度，残余奥氏体则赋予TRIP钢优良的伸长率；DP钢拥有更加优良的加工硬化能力，TRIP钢则具有较为理想的烘烤硬化能力。试验表明，考察DP钢和TRIP钢的烘烤硬化能力时，除柯氏气团外，内应力的消除也应该考虑其中。两种材料的组织有相似之处：F为基体，其上分布着较硬的第二相，不同之处在于第二相的种类和数量。

单轴拉伸试验，得到的负荷-应变曲线如图。TRIP钢具有明显的屈服平台，而DP钢则呈现连续屈服的特点。对两种材料的主要性能参数进行比较，结果见表

DP钢淬火过程中，临界区保温形成的奥氏体转变成比容较大M，使周围的F受到压迫，在其内部生成大量位错，成为低应力下可激活的位错源因此其屈服强度(σ0.2)低于TRIP钢。但是由于组织中存在40%M，其抗拉强度(σb)明显高于以B为主要第二相的TRIP钢。虽然σb 不及DP钢，但TRIP钢的δ是DP钢的2.3倍，达到37%，TRIP钢优良的伸长率与形变过程中Ar转变为M有关，可从以下几点解释(1)拉伸变形时在最大变形部位首先诱发马氏体相变, 使局部强度提高, 难以继续变形, 变形向未发生马氏体相变的其他部位转移, 推迟了颈缩的形成。(2)拉伸变形时局部应力集中因马氏体相变而松驰, 推迟了裂纹的产生。(3)Ar与α呈共格关系, 高能界面不利于裂纹的扩展。

可看出，在相同应变下DP钢的WH值远远高于TRIP钢的，这与两种材料的组织密切相关，可从以下几点解释：

(1)作为基体上的第二相,DP钢中的M和TRIP钢中的B起阻碍位错运动的作用。M硬度远远高于B硬度, 因此其对位错具有更强的阻碍作用, 导致加工硬化很高。由于M和B含量很高, 因此这是导致两种材料加工硬化值性能差异的最主要原因。

(2)变形过程中，TRIP钢中的Ar逐渐转变为M 释放了集中的内应力，降低了对位错阻碍作用，导致WH值下降。

(3)虽然TRIP钢中由A相转变得来的M会在继续变形时对位错起到较为强烈的阻碍作用，但是由于其含量很低 因此对WH的贡献也较低。

在较低应变范围内(0%～2%)，DP钢的加工硬化值很高(410MPa)，而在较高应变范围内(>2%)给予相同应变，WH值增量显著降低。

原因：塑性变形之初，运动位错滑移到晶界处, 受到马氏体的阻碍停止运动, 强烈的阻碍作用使得必须产生新的位错或开动相邻晶粒中的滑移系才能保证塑变继续进行, 因此加工硬化值很高。随着变形的进行, 大量位错在马氏体颗粒前塞积, 塞积的位错会对新产生的位错形成一定阻碍作用,而这一作用显著低于M的阻碍作用, 因此由其导致的WH增量明显降低。

高强钢的烘烤硬化能力

成型后的汽车覆盖件在喷漆以后通常会置于170℃保温一段时间，称为烘漆。烘漆后钢板屈服强度提高的现象称之为烘烤硬化(BakeHardening)。烘烤硬化的机理是在烘烤过程中, 位错应力场中的碳(氮)原子受到热激活向位错偏聚, 形成柯氏气团,从而对位错起到钉扎作

用,使其再次受载时需要更大的力才能摆脱气团或拖曳气团一起运动，宏观上表现为屈服强度的提高。与固溶碳(氮)原子数目和位错密度密切相关。

Trip随着预变形量的增加,BH值先上升后下降。因为塑变初期, 随着变形增加, 材料中位错密度增加，烘烤后被钉扎的位错数目增加, 因此BH值上升；但是由于材料中固溶碳原子有限, 当变形超过一定值后,形成的柯氏气团的饱和度下降，导致BH值降低。对于DP钢的BH随预变形量增加而下降(10%预应变试样的BH值为-380MPa)。DP钢的烘烤硬化能力差与其组织中存在一定含量M有关: 变形过程中,M强烈阻碍位错的同时产生很大的内应力，内应力对阻碍位错运动也起到很大作用, 而烘烤会使内应力部分释放，因此导致流变应力下降。

钢在奥氏体状态下加工变形以后再进行淬火,但为使钢在奥氏体状态 下变形而不发生相变或析出第二相,钢中奥氏体应具有良好的热稳定性及机械稳定性这就需要在钢中加入较多的合金元素如C r、N i 等实际也就提高了钢的价格。较高的锰含量有利于保持奥氏体的稳定性,而奥氏体的稳定性正是保持相变塑性的最重要因素。很高的硅量可有效提高碳在渗碳体中的活度,抑制冷却过程及过时效中贝氏体转变期间渗碳体的析出使得奥氏体中碳含量 的降低和随之而引起的稳定性降低。钢中大量的硅易与退火炉气氛中的氧反应,生成二氧化硅附着于钢板表面而使热镀锌难以进行。固溶的磷本身具有提高奥氏体稳定性的作用磷还可提高碳在渗碳体中的活度系数，抑制渗碳体的析出和奥氏体中碳含量的降低，结构钢中磷的晶界偏聚可引发钢的冷脆倾向。

Trip钢的屈服强度和抗拉强度均随应变率提高而呈指数形式增大。均匀延伸率随应变率的提高总的趋势是逐渐减小。因为残余奥氏体在 拉伸过程中会应变诱发向马氏体转变，一方面有利于材料强度的提 高，另一方面松弛了塑性变形引起的应力集中，延缓了微裂纹的形成，从而提高塑性。高应变率变形的绝热温升提高了残余奥氏体的稳定性。

铁素体基体析出强化型高强热轧双相钢（14年参考文献）

传统双相钢以组织强化为主要强化方式，通过组织强化虽然可提高强度降低屈强比，但由于软相铁素体与硬相马氏体的强度差较大，两相塑性应变不相容性加大，导致均匀变形能力降低不利于汽车零部件的成形，一定程度上限制了双相钢的应用。因此，提高铁素体相的强度，可减小铁素体和马氏体的塑性应变不相容性，抑制在两相界面萌生的微裂纹和空洞聚集，即推迟颈缩发生，提高均匀真应变。

高强钢主要通过添加微合金元素Nb、V、Ti，在铁素体中析出细小的微合金碳氮化物，即析出强化的方式提高强度。相对Nb、V而言，Ti具有资源丰富、成本低廉等优点，是一种极具发展潜力的微合金元素。不少研究者已对Ti的析出强化机理进行了研究，并开发出780 MPa级别的高强钢。

铁素体基体析出强化型热轧双相钢的工艺过程原理：在析出强化型热轧双相钢成分设计时，主要是在传统热轧双相钢的成分基础上添加一定量的Ti，同时还应调整Mn、Si、Cr等元素的含量，使得铁素体相变的鼻尖温度与TiC析出的鼻尖温度相匹配。

由图可知，钢板热轧后快速冷却至铁素体相变鼻尖温度附近，然后在缓冷或保温阶段，奥氏体相变为铁素体，同时TiC在铁素体相变过程中相间析出或过饱和析出，最后再快冷至Ms以下温度，未转变奥氏体转变为马氏体，最终获得存在纳米级TiC析出相的铁索体基体+弥散分布的马氏体的热轧双相钢。

通过向双相钢添加铌元素能起到弥散强化的作用，一方面铌元素能够促进马氏体的均匀分布和铁素体的细化，另一方面利用析出强化使马氏体的体积分数降低，从而使马氏体和铁素体之间由于强度差异而导致的应力集中程度降低，提高了双相钢的综合力学性能。

现代冷轧双相钢的生产采用连续退火工艺。先将冷轧钢板加热到铁素体奥氏体两相区所在的某个温度，在加热过程中发生冷塑性变形的组织会经历回复与再结晶过程。在保温过程中，钢板中的铁素体产生不完全奥氏体化。在初始的缓冷过程中，少量的奥氏体重新转化为铁素体，同时合金元素大量的向残余奥氏体中扩散，提高了奥氏体的稳定性。然后在急冷过程中使残余奥氏体转化为马氏体组织，从而产生铁素体与马氏体的双相组织。

汽车轻量化的成本瓶颈 篇3

轻量化，就是给汽车“减重”，同时提高它的“健康水平”—操控性能、安全性和稳定性。资料表明，汽车减轻100公斤，每百公里可节约燃油0.25升至0.5升，敏捷的车身能够在提供充沛动力的同时，提高燃油经济性，减少碳排量。在节能需要的前提下，汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。面对减重问题，乔治费歇尔（GF）集团总裁和CEO Yves Serra认为，当前主要的举措是使用新型材料。对此，Serra提出了以规模经济为标准的新型材料选择策略，也就是说，判断任何材料能否成为汽车轻量化的主流材质的最终标准是：能否以可承受的成本进行大规模生产。产品设计的创新和生产流程的改进也非常重要。围绕着汽车轻量化的生产策略，Yves Serra与《第一财经周刊》分享了他的看法。

C： 汽车轻量化发展过程中，陶瓷工艺等颠覆性的材料都曾被试验过，但最后这些材料都没能成为主流，现在汽车轻量化材料创新的瓶颈在哪里？

S： 我们知道，汽车的各个零部件的原材料都有与其相对应的应用领域。对于汽车轻量化的新型材料来说，首先要考虑其大规模生产的可能性，其次要看它的成本是否廉价，另外还要综合考虑它的应用价值。现在汽车制造的主流材料之一是铸铁，它的延展性和塑形性非常好，适合制作汽车的各种零部件，也适合同其他金属一起合成一些有特定属性的合金。另外一种常用的材料是铝，由于它很适合用注入模型来塑形，所以它一般用来制造变速箱、引擎等零部件。塑料也是很容易塑形的材料，而且它很轻，所以很适合在温度低且压强不大的时候制作汽车零部件，像是保险杠。每种材料都有它的用武之地，我们在选择材料时首先会看它的灵活应用性，同时也要考虑能否以很低的成本进行大规模生产。陶瓷在成本和大规模生产方面遇到一些瓶颈，所以没有得到广泛的应用。也就是说，一种新型材料之所以不能成为主流材料，是因为它不能在很低的成本下实现大规模生产。

C： 铝制材料现在是很多汽车产品轻量化采用的材料，碳纤维材料是否会成为下一种主流轻量化材质？

S： 有可能。碳纤维虽然强度大，但是价格昂贵，技术成熟之后才可能成为轻量化的主流材质。任何材料能否成为汽车轻量化的主流材质取决于材料的发展，最终的标准是：能否以可承受的成本进行大规模生产。

C： 从汽车业务层面考虑，你觉得针对汽车轻量化有哪些方面可以入手？

S： 我们的解决方案是通过使用新型的合金材料，在产品设计上的改进以及改善生产流程来减轻产品重量。拿铸铁制造的零部件来说，我们通过制造更薄的铁板来减重，同时提升它的坚实度。此外，我们还在实心铸铁上设计了很多洞，在不影响其抗压能力的前提下，实心变空心，减重不减质。另一个零部件创新设计的例子是，通过高精尖的设计，我们将原本15个焊接在一起的零部件集合成1个零件，减重50%。总之，通过新的材料、新的设计、新的生产流程来实现汽车轻量化。

C： 一种创新轻量化技术往往会对汽车产业产生巨大影响，你们将如何判断技术成熟度进而重点投入研发和拓展业务，从而影响集团总体业务？

S： 技术可行性的一个重要标准是客户的需求。我们在世界各地都有分公司和工厂，我们会通过与客户沟通来尽可能充分获取他们的需求，得知他们对下一代汽车的期望。当我们得知客户的需要之后，会判断是否是总体市场的需求，如果是，就做出原型展示给客户，经过几轮的改进直到客户满意为止。当我们了解到他们的目标是汽车轻量化时，我们的研发团队立刻设计出操作方案，比如上面提到的集成15个零部件的模型，这在以前是不可能做到的。轻量化零部件的设计更好的满足了客户需求，从而促进汽车业务的发展。（采访：任敏）

浅谈专用车产品轻量化设计 篇4

轻量化设计已经成为汽车设计中所必须要考虑的因素, 但是目前在重车领域尤其是专用车领域还没有固定的设计思维;就汽车轻量化设计的理念上来讲, 是指通过降低汽车自身的重量, 从而提升操控性与可靠性、提高输出功率、降低二氧化碳的排除以及噪声, 进而降低能源消耗、提高速度等来达到提升安全性的目的, 不过要实现这一目的, 关键在于对轻质材料的使用, 并结合轻量化设计的结构来优化生产制造技术。

二专用车产品轻量化设计的必要性

目前, 多材料车身结构设计成为我国汽车行业发展的必然趋势, 通过对车身结构进行优化, 既可以改进车辆性能, 又能减轻汽车本身的重量, 因此, 对专用车辆的轻量化设计研制、生产和应用, 不仅是提高运输效率、降低运输成本、实现专业化运输的有效手段, 也是提高汽车自身品质、树立品牌、赢得市场的有效途径, 其市场的必然性主要表现在以下几方面:第一, 轻量化设计可以减少汽车在运输过程对于货物的磨损、缺失, 从而提高运输的安全性;第二, 轻量化设计可以有效地提高车辆的运输效率、降低运输成本、减少汽车的运作消耗;第三, 发展专用车产品轻量化设计, 可以扩大汽车的应用领域, 促使汽车行业的发展, 从而推动我国的国民经济增长。

三专用车产品轻量化设计的具体实施方法

(一) 运用新型复合材料

新型的复合材料主要为两种:金属类和非金属类。在金属类中包括铝合金、钛合金、镁合金;而非金属类主要集中于塑料、玻璃纤维、陶瓷和炭纤维复合材料等, 在欧美地区的发达国家中, 铝合金罐车主要用来运输成品油和粉粒物料, 而目前在我国, 铝合金罐车的成本相对高于碳钢罐车, 再加上在工艺制造上比较复杂, 所以其发展受到制约, 但是随着我国城市化进程的发展, 国民经济的不断提高, 顾客的环保意识和购买力也开始增强, 进而对铝合金罐车的推广使用有着强烈的市场需求;而对于非金属材料, 在隔音、减震等新型环保材料上以及尼龙滑块的耐磨限位、挡泥板的塑模成型等方面得到了普遍的推广与运用。

(二) 开发出差异化、多样化、专业化产品

针对市场的分析与细化, 结合专用底盘的研发设计, 开发专用车产品, 并研发出差异化、多样化、专业化的新专用车产品技术, 可以把一个产品按照总体上的不同功能划分为几个小部分, 再对每个小部分进行单独的轻量化设计, 这样从整体上就可以减轻汽车的重量, 达到轻量化设计的效果, 举例来说:过去混凝土搅拌车通常都采用的是复杂的硬操作机构, 长达5m的小钢管要用两根, 而在新的轻量化设计方案采用以后, 只需要一根就可以了;而对于焊接研究的差异性, 应该结合实际使用情况, 对壳体板的拼接, 考虑到其局部有些地方因为处于长时间的运作, 因此可以选用耐磨性较好的材料, 相对于不受力或者受力较小的部分, 则可改用轻质的材料或适当的减少板材的厚度, 比如:以往的混凝土搅拌车的板材壁厚度统一为6mm、7mm, 而如今把混凝土搅拌车拆分为前、中、后三个部分的椎体板材壁厚, 其壁厚规格分别定为5mm、4.5mm和4mm;此外针对罐体内的磨损区域, 我们可以利用其板材壁厚差异化来进行搭配组合焊接, 这样从产品的专业性、针对性上来控制成本, 对于提高产品的市场竞争力有着重要的作用。

(三) 运用液压机成型技术

液压机的工作原理是利用液体的压力传递能量, 从而完成各种压力加工, 是一种无削成型的加工设备, 它的基本运动模式分为单动、双动以及三动三种方式, 实现零件的一次性成型, 使板材的强度和刚度得到提高, 可以用于受力部分较强的型材结构, 不仅可以改善产品的受力条件, 减轻重量, 还可以降低人工成本, 带来良好的经济效益, 而且此技术还适用于所有需要压力加工的工艺, 目前该技术应用广泛, 主要在汽车、家电等行业中金属覆盖件的成型加工上, 特别是重型的矿用自卸车, 现在已经逐步用箱体冲压来代替过去的型材焊接, 从而使总重量达到减轻, 降低劳动力度, 增强市场的竞争力, 如今很多大型的液压设备在装备制造领域被普遍应用, 且技术也越来越成熟、高效。

(四) 合理运用CAD/CAE等计算机辅助技术

计算机的辅助技术对汽车行业有着重要的作用, 涉及于汽车设计和制造等各个环节, 包括汽车的实体造型、设计检验、车身的三维设计等, 用计算机仿真技术来代替实际的车试验, 避免让实车遭到破坏性的碰撞, 有力的保证了汽车工业在多品种、高质量、低成本方向上的发展, 因此, 该技术对汽车轻量化设计有着很好的推动力。

对专用车实行轻量化设计的目的之一, 就是使专用车上的结构得到精简, 整体上实现轻质化, 因此, 利用CAD/CAE技术, 可以对专用车进行实体结构设计和布局设计, 分析各个构件的形状、配置等, 以及对实车的各个零件直接进行工程分析。

在实现整车实体的三维造型设计、数控加工等方面上, 该技术可以快捷的分析出车辆行驶的安全性与稳定性, 尤其是因为和防护栏发生冲撞变形而进行的位移防真, 从而确定实际的运作是否符合其功能实现的要求, 因此, 利用计算机技术来辅助汽车的设计, 准确的分析和评价轻量化后车辆的各项性能指标, 最终减轻汽车的重量, 实现汽车的高品质发展。

四结束语

国家对节能减排、排放量的标准日益严格, 促进了专用车产品轻量化设计的发展, 在这个国内外专用车蓬勃发展的关键时机, 积极拓展专用车的新产品, 努力研发新型环保材料、高强度材料等轻量化材料, 逐步实现产品的专业化、智能化、高品质化以及差异化, 从而赢得产品的市场, 建立中国制造的市场口碑。

参考文献

[1]宋延文.节能新品涌现产品轻量化升级——2012年美国中部车展观感[J].专用汽车, 2012, (5) :52-54.

[2]赵鹏.浅谈专用车产品轻量化设计[J].装备制造技术, 2012, (10) :96-98.

[3]漓沙.高能效钢材解决方案推动专用车轻量化[J].汽车与配件, 2012, (22) :43.

专用汽车轻量化设计 篇5

重要的事说三遍我很轻！我很轻！我很轻！我还省油、省材料……还像下面这位小姐姐一样省布料为什么轻而省呢？因为我们用新材料啊今天就和漫谈君一起来看看轻量化之车身新材料简介及应用漫谈君说

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一、汽车新材料简介现代对汽车性能要求越来越高，轻量化、节能降耗和降低排放污染是现在汽车发展的趋势，而轻量化必须从改进汽车的材料出发，研制性能更好更轻的汽车材料从而减少能源消耗，进而降低排放污染，汽车材料的发展是汽车技术发展的重要方面，新材料新工艺对于汽车工业的发展是至关重要的，而汽车车身轻量化并非是简单地将汽车重量减轻，而是在保证车身的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车车身质量，同时要保证汽车车身的制造成本在合理范围内。

二、车身新材料的种类1镀锌钢板随着汽车工业发展，为了提高车体使用寿命和增强车体材料的抗腐性能，镀锌钢板得到广泛使用。由于在目前汽车车身制造中，主要采用电阻点焊方法，与无镀层钢板相比，镀锌钢板的点焊过程中还存在一些问题：1）先于钢板熔化的锌层容易分流，致使焊接电流密度减小；2）锌层表面烧损、污染电极而使电极寿命降低；3）锌层电阻率低，接触电阻小；4）容易产生焊接飞溅、裂纹及气孔等缺陷。2高强度钢板从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50%，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的2～3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度IF冷轧钢板等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。1）含磷高强度冷轧钢板含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：A.具有较高强度，比普通冷轧钢板高15％～25％；B.良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；C.具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20％；D.具有良好的点焊性能。2）烘烤硬化冷轧钢板经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一。3）冷轧双向钢板具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等。4）超低碳高强度冷轧钢板在超低碳钢（C≤0.005%）中加入适量的钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。5）轻量化迭层钢板这种钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.2～0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25%～65%。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57%。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。3铝合金与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少135kg，比传统钢材料车身减轻43%，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。

根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。4镁合金和钛合金镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35%，铝材密度的66%。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg，且刚度极高。随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。5泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.4～0.7g／cm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。6蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等；面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量减轻了50%～60%，且易于冲压成型。7工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果。中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15，000吨高性能ABS工程塑料的能力。8高强度纤维复合材料高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维复合材料在汽车上的应用，美国开展的最好。二十世纪八十年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33％左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。上海通用柳州汽车公司和东风公司计划推出全复合材料车身的家庭用小轿车。9陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力学性能以及对热、电、光等的物理性能，陶瓷材料特别是特种陶瓷在汽车上的应用日益受到人们的重视。我国已成功研制钛酸铝陶瓷-铝合金复合排气管、氮化硅陶瓷柴油机涡轮增压转子和球轴承等汽车部件。

汽车的构造材料可反映人类所应用材料的技术水平。目前，6类主要材料如钢﹑铁﹑塑料﹑铝﹑橡胶﹑玻璃共占轿车质量的90%，其余10%为其他多种材料，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等），车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他油品和水基液等），油漆、纤维制品。

三、新型功能材料1稀土材料中国稀土资源丰富，居世界前列。世界已探明的稀土储量中国占世界已探明资源的80%，为我国大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。使用汽车废气净化催化剂是控制汽车废气排放、减少污染的最有效的手段。含稀土的汽车废气净化催化剂价格低、热稳定性好、活性较高，使用寿命长，引起了人们的广泛关注。

汽车废气净化稀土催化剂所用的稀土成分主要是氧化铈、氧化镧和氧化镨等。用于汽车废气净化催化剂的载体通常为蜂窝陶瓷，稀土还可以作为陶瓷载体的稳定剂以及活性涂层材料等。2纳米材料纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一，它是高度交叉的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系。纳米技术将在汽车上的结构材料、节能、环保等方面获得广泛的应用。纳米陶瓷材料的耐磨性和质量减小、稳定性增强。纳米陶瓷轴已经应用在奔弛等高级矫车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强、使用寿命延长；纳米汽油是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂，纳米汽油可以降低油耗10%-20%，可降低废气中有害气体含量50%-80%；纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的石油产品，它不对任何润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂或减磨剂等产生不良作用，只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。纳米增强增韧塑料可以代替金属材料，由于它们比重小重量轻，因此广泛用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的。可以用于汽车上的保险杠、座椅、翼子板、顶蓬盖、车门、发动机盖、行李舱盖以及变速器箱体、齿轮传动装置等一些重要部件。抗紫外线老化塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上，能有效延长其使用寿命。无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24h接触杀菌率达90%，无副作用，可以用在车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污部件。

四、新材料应用的发展趋势1新材料回再用性的研究研究汽车新材料的最终处置问题至关重要，从某种程度上讲，关系到它的生存与发展。目前，汽车上约占自重25%的材料无法回收再用，其中三分之一为各种塑料，三分之一为橡胶，还有三分之一为玻璃、纤维。鉴于这种情况，世界各国都花费大量的人力、物力进行材料的回收再生问题的研究。现在可以通过三种途径进行回收：1）颗粒回收，重新碾磨；2）化学回收，高温分解；3）能源回收，将废弃物作为燃料。2减少材料的品种未来汽车在工程塑料类型的选择上将会发生巨大的变化。目前汽车使用的塑料由几十种高分子材料组成，当前世界各大汽车公司致力于减少车用塑料种类，并尽量使其通用化。这将有利于材料的回收再生和生态环境的保护。3降低成本制约汽车车身新材料应用的重要因素是价格。作为主要新材料的高强度钢、玻璃纤维增强材料、铝和石墨增强，其成本分别为普通碳钢的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低这些新材料的制造成本，才可能使诸多新材料进入批量生产。如玻璃纤维增强材料将在成本上成为钢材的有力竞争者，虽然它的重量减轻有限，但价格却能为用户接受。石墨合成材料尽管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽车工业上很难有所作为。

汽车轻量化与材料经济选用分析 篇6

关键词：汽车；轻量化；材料；经济

随着社会经济的快速发展，汽车行业也得到了蓬勃发展，然而其对能源短缺、环境污染的负面影响也越来越严重。在“低碳”经济成为全球热点话题的形势下，怎样实现汽车的节能减排，成为了实现汽车轻量化的重要举措之一，必须予以深入思考与研究。

一、汽车轻量化

汽车轻量化就是指减轻汽车自身重量，具体而言就是在确保汽车强度和安全性的情况下，采用轻质材料、优化车型规格、计算机设计结构、减小车身板料厚度等手段减轻汽车整体质量，以此提高汽车动力性能，减少能源损耗，降低排气污染。经过多次研究实践可知，倘若汽车整体质量可降低1%，其燃油可减少0.7%；倘若汽车整体质量可降低10%，其燃油效率可提升6-8%；倘若汽车整体质量可降低100kg，其燃油损耗每百公里可减少0.3-0.6L[1]。所以，为了促进汽车行业的健康、可持续发展，一定要加大对汽车轻量化的研究力度。

二、汽车材料的经济选用

（一）有色合金

1、铝合金。在汽车制造中，铝合金材料主要包括变形铝合金与铸造铝合金。（1）变形铝合金：工业生产中常见的挤压型材、铝合金板带材、锻造材均为变形铝合金，常用于汽车车身面板、空调冷凝器、发动机散热器、车身骨架等部位。（2）铸造铝合金：在汽车工业市场中，铝铸件十分常用，主要用于车轮、发动机气缸体、制动器零件、活塞、离合器壳体等部位。因为铸造铝合金中合金元素非常多，如锌、铜、镁、锰等元素，在经过相关加工与工艺后，可形成多种铝合金。

2、钛合金。钛的密度是4.5g/cm3，可耐高温、耐腐蚀，并且具有较大的强度[2]。尽管钛的价格非常昂贵，但是在汽车制造中，依然选用了此种原料。通过大量实践研究显示，在发动机连杆制造中，选用α+β系钛合金，可使其强度达到45钢调质水平，并且质量可减少30%；在经过超低温加工与时效处理之后，β系钛合金强度可达到2000MPa，在悬架弹簧、气门、气门弹簧等制造中得到了普遍运用，和拉伸强度2100MPa的钢相较而言，钛弹簧质量可减少20%。

3、镁合金。在应用的金属中，镁的质量最轻，密度为铝的66.7%。由镁元素构成的镁合金，具有吸振能力强、切削性能佳、易于铸造等优势，在汽车制造中得到了广泛运用。在汽车制造中，镁合金多以压铸件形式存在，其合金零件的生产效率明显高于铝，约为30%。在汽车制造中，镁铸件最早应用在车轮轮辋上。此外，镁合金还在汽车仪表板、离合器壳体、变速箱壳体、发动机悬置等部位予以应用。

（二）塑料

在汽车制造中，塑料是一种比较常用的轻质材料。汽车轻量化发展，使得尼龙、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等材料得到了广泛应用。近些年来，汽车制造的塑料材料中，聚丙烯应用最多，并且正以每年2.8%的速率增长。现今，国外汽车内装饰构件基本达到塑料化，同时也在逐步向车外装饰构件、结构构件、车身等部位发展。在以后发展过程中，塑料材料回收也将受到广泛重视。

（三）钢材料

因为汽车自重的25%都集中在车身上，所以，车身材料轻量化发展对汽车行业发展有着十分重要的意义。在20世纪90年代的时候，全世界有35家大型钢铁企业通过合作完成“超轻钢质汽车车身”研究。通过此研究显示，汽车车身制造中，90%的钢板使用的都是高强度钢板，能够在不提高制造成本的基础上实现车身质量减少25%的目标，并且可提高静态弯曲刚度25%，提高静态扭转刚度80%，提高第一车身结构模量58%，完全符合碰撞法规的相关标准。针对普通IF钢板而言，通过研究，开发了烘烤硬化IF钢板、高强度IF钢板，在维持高成型性的基础上，有效增强了钢板的抗凹陷性与强度，为实现车身轻量化与减小钢板厚度提供了可靠条件。

在汽车制造中，钢材料使用比例非常大，随着制造技术与汽车行业的快速发展，其比例也出现了一定的变化。北美汽车高强度钢使用比例（1975～2025年）详见图1所示。

从图1可以看出，高强度钢应用越来越多，尤其是先进高强度钢，而软钢应用显著降低。比如，在1975年时，软钢应用比例为91%，到2012年时，软钢应用比例为40%，预计至2025年时，软钢应用比例约为26%。

三、结束语

综上所述，在全球倡导“低碳”的形势下，汽车轻量化设计成为了热点研究话题。受到科学技术水平的制约，使得我国汽车轻量化设计还和国外水平有所差距，需要加大研究力度，引进先进技术，加强轻质材料的选用，在达到轻量化设计目标的同时，也要符合汽车制造的经济性，从而为汽车行业的健康、可持续发展提供可靠保障。

参考文献：

[1]李永兵，李亚庭，楼铭等.轿车车身轻量化及其对连接技术的挑战[J].机械工程学报，2012，48（18）：44-54.

专用汽车轻量化设计 篇7

传统的客车座椅骨架多以冲压钢板 (管) 焊接而成, 因此往往重量偏高。而铝合金及其加工件具有一系列优良特性, 诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能优良及较高回收再生性等。若能将其应用于汽车座椅骨架, 那么减重效果是很明显的, 尤其对于商务车和大型客车 (40~60座) 。笔者在详细比较和研究了各种轻合金特性、经济性及生产制造工艺的基础上, 在尽量不改变相邻配合件的目标下, 提出了铝合金低压铸造靠背和铝合金冲压板件相结合的座椅骨架设计方案, 在保证座椅骨架强度和刚度的基础上, 实现汽车部件轻量化, 减少油耗, 也减少废气排放对环境的污染, 并使汽车具有更好的安全性能和舒适感。另外, 为铝合金汽车座椅骨架的批量生产打下良好的技术基础。

结构分析及结构设计

1. 原钢架结构分析

客车座椅骨架的原设计如图1所示, 由多块不同厚度的冲压钢板焊接而成。此骨架结构零部件多, 制造工艺繁琐且总重量较大。其主要的结构件有:靠背圆铁管、加强扁铁、拉臂、边板、椅架方管、椅脚固定铁。相应的厚度如表1所示。

2.铝合金骨架结构设计

在充分借鉴国内外大量冲压钢板轿车座椅靠背和镁合金座椅骨架的基础上, 本着尽量沿用相邻部件的设计原则, 笔者提出了由铝合金低压铸造靠背和铝合金冲压边板组合而成的客车座椅骨架, 如图2所示。

整个铝合金座椅骨架由三部分组成:靠背、边板和椅架。

靠背采用整体低压铸造成形, 材料选用铸造及力学性能良好的ZL101A, 壁厚取4mm。其结构设计兼顾了功能与美学的原则, 并充分考虑铸造工艺性。

边板是连接靠背、椅架、扶手以及气弹簧等部件的重要承载件, 必须具有足够的强度。6A02合金可热处理强化, 抗拉强度为295MPa, 在冲压成形后经油漆烘烤, 其强度可进一步提高, 而且铝合金板材还可直接利用原有的模具及生产线来加工。所以边板选用6A02铝合金轧制板材, 厚度取4mm。

椅架在整个座椅中是承载最大的结构件, 由铝合金冷轧型材和椅脚固定座焊接而成。6061冷轧板的力学性能接近冷轧钢板, 具有良好的塑性。其焊接性优良, 耐蚀性和冷加工性好。所以型材选用6061, 40mm×20mm的方管, 厚度为4mm;椅脚固定座选用材料为6A02, 厚度为5mm的冷轧板冲压而成。

结构有限元分析

用有限元法计算比较新旧设计方案的结构静强度、固有模态和强度。将Pro/e软件导出的igs格式的几何模型导入Hyperworks软件中进行有限元前处理, 并进行求解计算。新旧设计方案的有限元模型信息如表2所示。有限元模型以壳单元为主, 焊点、焊缝采用Rbe2单元模拟, 使用single node模式。螺栓采用梁单元模拟, 梁单元的端点与螺栓孔周围的结点用刚性单元rigid连接, 使用multiple node模式。

(单位:个)

利用Pro/e软件中质量属性功能计算得到:原设计的重量为7.83kg, 新设计的重量为4.5kg。因此, 新设计相对原设计重量减轻了42.5%。

1.静强度分析

按照《客车座椅及其车辆固定件的强度》 (GB 13057—2003) 关于座椅静强度的要求:在基准平面以上0.7~0.8m的高度, 且位于相应乘坐位置的垂直中心面内, 从座椅后部向前施加额定的水平方向1000N的力, 施力中心点的最大位移不超过400mm, 则认为满足要求。

新、旧设计方案靠背加载点处均为中空, 有限元模型中不包含泡棉、皮垫等结构, 所以在进行座椅总成静强度工况模拟时, 需利用多点约束来实现节点载荷的定义。载荷通过主节点将力传递到整个靠背上, 较真实地反映了实际情况。加载方式如图3所示。

客车座椅实际采用四点固定方式, 一边固定在椅脚上, 一边固定在车壁窗侧钩上。考虑到模拟的目的不是椅脚和窗侧钩的强度, 所以建模的时候将此二者省略。如图4所示, 约束椅脚固定座上四个螺栓孔的x、y、z移动自由度和转动自由度。

静态强度分析结果如图5和6所示。

从整体上看, 原结构和新设计方案的强度分析结果, 两者的应力和位移的分布, 最大值出现的位置都比较相近。但观察具体数值, 原设计的最大应力为275MPa, 小于QSTE340的屈服强度340MPa, 最大位移为10.4mm, 所以, 原设计方案满足法规要求。

新设计方案的最大应力为165.1MPa, 最大位移为5.0mm, 最大应力出现在边板与椅架型材连接处, 6061的屈服应力为240MPa, 最大应力远小于屈服应力, 新结构的强度较高。所以, 新结构总成静强度完全符合国家标准。

新旧结构方案的最大应力均处于椅架与边板内侧的螺栓孔周围, 此处与载荷的垂直距离较长, 所受弯矩较大。原结构边板采用3mm厚的钢板, 而新设计采用4mm厚的铝合金冷轧板, 新结构的强度更大。新设计的靠背的刚度较原结构提高很大, 最大位移明显减小。

2. 模态分析

座椅的动态特性是研究座椅舒适性的重要内容, 而振动模态分析又是动态特征里最基础的内容。为避免座椅在车辆行驶过程中的共振、降低噪声, 确保安全可靠, 获得结构振动的固有频率和相应振型是非常必要的。

分别计算了原结构和新设计结构介于0~1000Hz之间的前50阶固有频率。原结构的前18阶为刚体模态, 频率均接近零, 从第19阶开始到50阶, 频率范围为24.4~926.7H z。新设计的前24阶为刚体模态, 频率均接近零, 从第25阶开始到50阶, 频率范围为36.6~561.4Hz。骨架新旧设计方案的振型对比如图7所示, 前三阶振动模态频率对比如表3所示。

结构的低阶弹性模态, 反映了整体的刚度性能, 可知铝合金骨架的刚度更大。新结构的前三阶模态频率均高于原结构, 其中, 弯扭组合局部模态频率与原结构非常接近。这说明, 新旧设计方案在乘坐舒适度上比较接近。

结语

(1) 验证了铝代钢在汽车座椅骨架结构设计中的可行性, 铝合金骨架总成静强度、刚度均达到相关法规的要求, 并且与原结构方案相比有所提高。

(2) 与原结构相比, 铝合金座椅骨架重量减轻了42.5%, 实现了轻量化的目的。

重型越野汽车轻量化车轮设计开发 篇8

汽车的车轮与它支撑的轮胎是汽车的重要部件,其功能为:支撑汽车质量并承受路面的垂向反力;对行驶中驱动或制动的汽车产生并承受路面的纵向反力即驱动力或制动力;对转弯或受有侧向力行驶的汽车产生并承受路面的侧向反力使汽车沿预定方向行驶;汽车的整备质量、成本和运营费用受其影响也很大。

车轮与轮胎不仅对汽车的行驶性能有重要影响,而且汽车前轮的可靠性对其行驶安全性有最直接的影响。车轮总成还要有一定的刚度和耐疲劳及有足够的使用寿命,应质量小,几何尺寸精确、静平衡和动平衡好。车轮应有足够的强度(疲劳强度、冲击强度)、几何精度(轮辋周长偏差、径向跳动量、端面跳动量、轮辐安装面的平面度、车轮定心精度、断面厚度公差及气门嘴孔精度)及良好的平衡(指车轮相对于本身的定心基准的动平衡和静平衡、不平衡度可用平衡块校之)。

在乘用车方面轻量化车轮已广泛应用,但对于商用方面轻量化车轮正处在推广应用阶段,尤其对于重型越野汽车车轮产品的轻量化车轮才处于开发、试用阶段,由于重型越野汽车车轮产品的尺寸大、质量大,每车安装数量多,所占整车质量比重大,合理对该车轮进行轻量化,可有效降低车辆自重,提高整车质量利用系数,提高车辆的综合性能。

1、重型越野汽车车轮型式选择

轮辋按其断面轮廓类型分为深槽轮辋、深槽宽轮辋、半深槽轮辋、平底轮辋、平底宽轮辋、全斜底轮辋和15度深槽轮辋;按其组成的零件数可分为一件式轮辋和多件式轮辋;按其轮辋结构又可分为整体式轮辋、对开式轮辋和分瓣式轮辋。他们与轮辐组成相应型式的车轮;轮辋按其制造材料和工艺又可分为:钢板滚压成型轮辋、铸钢轮辋、轻合金轮辋等。

1.1 车轮结构形式选择

重型越野汽车常用的车轮结构形式有:对开式车轮、三件式车轮及两件式车轮、,其外形分别如图1-a、1-b、1-c所示。(1.螺母2.球形垫圈3.外轮辋4.内轮辋5.锁圈6.挡圈7.轮辋8.弹性挡圈9.轮辋)

从不同方面对以上三种结构形式的重型越野汽车常用的车轮(本文均以20*10.00标准车轮,和395/85R20轮胎为例分析说明)结构进行对比,分析如下表1:

通过以上各方面的综合分析,得出对开式车轮综合性能最好,其次为三件式车轮、两件式车轮,所以首选对开式车轮为重型越野汽车轻量化车轮的结构形式。

1.2 重型越野汽车车轮材料选择

汽车车轮常用的材料有:钢板、轻合金等。

铝车轮和钢车轮相比存在以下优点:

(1)散热好:铝合金的传热系数比钢材大三倍。汽车在行驶过程中轮胎与地面以及制动盘与制动片的摩擦会产生出很高热量,这种情况会导致轮胎和制动片老化以及加速磨损,制动性能会因高温而急剧衰减,轮胎内气压也会升高存在爆胎隐患。铝合金车轮相比钢制车轮能够更快地将这些热量传导到空气中,增加了安全系数。

(2)重量轻:铝合金车轮的比重小于钢制车轮,平均每套比同尺寸钢制车轮轻1/3;更轻的车轮还可减少起步和加速时的阻力。同时更轻的车轮有利于重型越野汽车野外维修及更换车轮总成。对于重型越野汽车来说,车轮体积和重量一般都较大(车轮加轮胎重量往往在200Kg以上),对车轮要求便于在野外人工借助简单的工具便可更换轮胎。

(3)精度高:铝合金车轮的精密程度远高于钢制车轮,失圆度及不平衡重较小;另外铝合金的弹性模数小,抗振性能优于钢制车轮。这两项能有效减小车辆振动,驾乘更为舒适。

(4)承载能力高:锻造铝合金车轮具有“轻而强”的特性,重量比钢车轮轻30%;锻造车轮的承载能量是普通钢车轮的5倍。

(5)更美观:铝合金车轮通过抛光和电镀工艺可使其能够制造出更美观多变的外型;表面抗腐蚀处理以及静电粉体涂装也让其历久如新。

钢车轮和铝合金车轮相比存在以下优点:

(1)制造工艺简单:钢车轮的轮辐、轮辋通过冲压或滚卷加工成型,最终通过焊接完成总成,制造设备通用性好,制造工艺较简单。铝合金车轮通过整体锻压或铸造工艺加工成型,所需专用设备加工,加工工艺复杂。

(2)成本低:钢车轮的轮辐、轮辋通过冲压或滚卷加工成型,最终通过焊接完成总成,制造设备通用性好,制造工艺较简单,成本低。铝合金车轮通过整体锻压或铸造工艺加工成型,需专用设备加工,加工工艺复杂,生产成本高。

据了解,在国内,铝合金车轮在乘用车上的应用比较普遍,而重型越野车装配铝合金车轮的为数不多,目前大量应用钢质车轮。从发展趋势来看,铝合金车轮由于其节能、安全性能高等特点,将会得到更广泛的应用。综合以上分析,重型越野汽车车轮材料选择铝镁合金(6061-T6高强度铝合金坯料包括了硅、铜、锰、镁、铬、镍、锌、铁和钛等。T6是热处理后的状态,具有高强度特性,具有良好的加工性能,以及高抗腐蚀性能)。

1.3 车轮生产工艺选择

铝合金车轮有两种生产工艺,一种铸造,一种是锻造。

(1)铸造车轮的制作工艺:

重力的制造工艺:将铝锭化成铝水浇铸在车轮模型中由上至下冲压而成,此工艺适合给汽车生产厂配套大批量生产。

叉压(低压)的制造工艺:将铝锭化成铝水,通过传送管直接挤压到车轮模型中,上举下压而成。

(2)锻造车轮的制造工艺:

锻造:是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法,锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。

锻造同铸造工艺相比存在以下优点:通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷,优化微观组织结构,同时由于保存了完整的金属流线,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。锻造铝合金车轮纤维化的晶粒组织使强度更大、散热更佳,所以确定铝合金车轮加工工艺为锻造工艺。铝合金锻件和铸件组织结构如图2、图3所示。

2、重型越野汽车锻造铝合金车轮设计

2.1 车轮结构设计

通过以上分析重型越野汽车轻量化车轮首选结构为对开式铝合金无内胎车轮。具体设计工程图结构如图4所示:(1.内轮辋2.夹紧螺栓3.“O”形密封圈4.外轮辋5.螺母6.气门嘴总成)

为避免车轮上安装“O”形密封圈的密封槽加工在内车轮辐板上,降低车轮的强度,该设计通过在内轮辋辋体与辐板外表面相交的棱角处加工一向内的凹槽作为密封槽,与外轮辋内部凹角形成密封圈安装空间,不降低车轮的强度。

为解决内、外车轮依靠夹紧螺栓定位,难以保证同轴度,降低车轮动平衡和静平衡的不足,通过内轮辋辐板外表面上突起环的外圆与外轮辋中心孔进行定位,进一步提高内、外轮辋的定位精度,提高车轮的动平衡和静平衡。

具体结构如图4为重型越野汽车对开式铝合金车轮E-E向视图,“O”形密封圈3嵌于内轮辋1与辐板外表面相交的棱角处加工的一向内的凹槽与外轮辋4内部凹角形成的密封圈安装空间内,进行密封的。通过内轮辋1辐板外表面上突起环的外圆与外轮辋4中心孔进行定位,进一步提高内、外轮辋的定位精。

2.2 车轮加工工艺设计

根据对开式铝合金车轮结构及铝合金锻造工艺特点设计车轮加工工艺如图5所示:

(1)下料:原材料采用圆柱状铝锭,直径越大的车轮就选用较粗的铝材去锻压,与铸造铝车轮使用“原材料”的制造方法愈然不同。

(2)旋转锻:先将铝锭加热至摄氏400上下,此时利用专用设备对铝锭进行旋压,将圆柱状铝锭锻压成饼状。

(3)初锻:热锻压成型,使上工序饼状坯料初步形成车轮轮廓形状。

(4)终锻:经过进一步的热锻压成型,使车轮除胎圈座及轮缘外的其他部分已基本成型。

(5)切边扩口:对终锻车轮端部进行切边,并进行扩口,为下一步加工作准备。

(6)旋压:对车轮端部进行旋转滚压,最终形成胎圈座及轮缘。经过以上各工序锻压使车轮的铝合金材质变得更加精密,均匀,有韧性,能够大幅度地增加车轮的强度和抗变形能力。

(7)机加工:经过机加工使车轮粗胚形成最终轮廓尺寸、表面精度及安装孔位,并压配加紧螺栓。

(8)涂装:根据实际使用要求进行车轮涂装,对轮胎装配表面及“O”形密封圈安装槽等处可不必进行涂装,同时必须在涂装前检查一次轮毂表面是否有瑕疵。

3、重型越野汽车对开式铝合金车轮有限元分析

3.1 三维模型的建立

根据对开式铝合金车轮结构特征,利用Pro/E三维软件进行车轮三维模型建立,车轮爆炸图如图6所示(1.内轮辋2.夹紧螺栓3.“O”形密封圈4.外轮辋5.螺母6.气门嘴总成):

3.2 前处理及参数设置

3.2.1 有限元模型前处理

利用ANSYS提供的Pro/E接口,将对开式铝合金车轮的几何模型导入ANSYS中。在导入后,模型的一些几何信息可能会出错,如导入曲面数据时可能会存在缝隙、重叠、边界错位等缺陷,导致单元质量不高,求解进度差。因此,在进行网络划分前进行了几何清理。

3.2.2 三维模型的离散化

对模型进行质量检查,没有发现问题,随后对有限元模型进行网格划分,在网格划分时,必须尽量保证单元排列整齐,只有这样才能得到较好的计算结果,如果网格变形超出一定范围,计算精度会显著下降。由于对开式铝合金车轮为锻造件,在此处采用6方体网格,能更好的保证计算精度同时有很好的计算速度。

3.2.3 参数设置

对开式铝合金车轮材料为6061-T6高强度铝合金坯料包括了硅、铜、锰、镁、铬、镍、锌、铁和钛等。T6是热处理后的状态,具有高强度特性,具有良好的加工性能,以及高抗腐蚀性能,其参数如表2所示。

3.3 计算分析与工况设置

以下是对对开式铝合金车轮按承载两倍载荷进行ANSYS结构受力分析,Y向载荷施加分析结果如图7所示;X向载荷施加分析结果如图8所示;轮辐径向载荷分析结果如图9所示:

分析结果如表3所示:车轮的最大应力集中在轮辐与轮辋接合处,计算所得最大应力为278.6MPa。最大安全系数为2,满足设计要求。

4、重型越野汽车对开式铝合金车轮试制、试验情况

经过对车轮选型、设计,并通过有限元分析确定车轮结构的合理性,需进一步对车轮进行工艺及实物验证。

4.1 试制情况

4.1.1 试制目的

通过联合专业铝车轮生产厂商进行该车轮的试制及工艺过程验证。该车轮的生产验证照片如图10(a为机加工验证照片、b为涂装验证照片)所示:

4.1.2 试制结果

经过生产验证确认该车轮设计结构便于加工,加工工艺流程合理。

4.2 车轮总成道路试验

车轮总成道路试验随某型号重型越野车定型试验进行,试验里程为30000 km,试验里程分配如表4所示:

4.2.1 试验目的

检验车轮产品的装配性能是否良好;检验该类产品各项技术性能及在实际使用中的可靠性;对环境的适应性。

4.2.2 试验样品检验

主要进行产品主要技术参数的检验;产品装配性能的检验;产品可靠性检验。

4.2.3 试验结果

试验后结果满足SQB11684-2001《斯达-斯泰尔载货汽车车轮技术条件》的要求,车轮总成产品的可靠性合格。试验后的车轮总成照片如图11所示:

5、重型越野汽车对开式铝合金车轮综合性能对比

该车轮与重型越野汽车常用的两种结构同规格车轮(三件式铝合金车轮、对开式钢质车轮)总成进行对比,如图12及表5所示:

6、结论

本文通过对重型越野汽车对开式铝合金车轮结构、材料及加工工艺方面进行分析研究,并对其进行结构及加工工艺设计。进一步利用有限元分析,运用ANSYS分析软件对该车轮进行了有限元模型建立,对车轮的受力进行了强度分析、优化;根据实际装车试验,验证了产品设计的合理性、可靠性。该重型越野汽车对开式铝合金车轮现已在多款重型越野汽车上应用,为产品的推广应用奠定了基础。

参考文献

[1]刘惟信.汽车设计.清华大学出版社,2001.

[2]化学工业标准汇编.轮胎·轮辋·气门嘴/全国轮胎轮辋标准化技术委员会编.-2版.-北京:中国标准出版社,2001.6.

[3]孙靖敏等.机械结构优化设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.

[4]谭继锦.汽车有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.

吸能式汽车保险杠轻量化设计分析 篇9

随着汽车保有量的不断增加及车速的不断提高, 汽车安全性问题就变得越来越突出。汽车发生碰撞后, 不仅对车辆本身造成损坏, 同时造成乘员的伤亡, 因此汽车的安全性问题成为各国竞相研究的一个重要课题［1］。

汽车的保险杠轻质 ( 低耗能) 高可靠性是现代汽车与交通工具设计所追求的目标。在轻量化的要求下, 想要单纯通过增加材料用量来提高汽车结构的承载力和耐撞性己经很难实现。汽车保险杠既能满足轻量化设计的要求, 又能保证碰撞安全性能, 是现在面临的重大难题［2］。

本文以一种汽车保险杠为研究对象, 通过基于AN- SYS / LS - DYNA软件的碰撞有限元分析, 研究不同结构保险杠的性能, 可以为汽车保险杠的结构优化提供有价值的参考依据。

1汽车保险杠轻量化结构设计

1. 1汽车保险杠结构

常见的汽车保险杠系统通常由外盖板、内衬、横杠、支架等部分组成, 其中内衬和支架都可作为缓冲吸能元件［3］。设计的保险杠系统如图1所示, 主要由8种零件装配而成, 分别为: 1保险杠缓冲梁, 2保险杠缓冲梁挤压下盒, 3保险杠缓冲梁挤压上盒, 4保险杠缓冲梁加强板, 5保险杠缓冲梁加强板, 6保险杠缓冲梁背板, 7保险杠拖钩盖板, 8排气系统保险杠吊耳。

1. 2保险杠的轻量化设计

汽车保险杠的轻量化设计主要有两种方式: 材料轻量化和结构轻量化。本文从结构方面对保险杠进行轻量化设计。

对保险杠的结构进行轻量化设计, 并且要求减重比例达到10% 。基于原有的结构, 在此提出两种改进方案。

方案一: 给材料上面加上加强筋, 然后保险杠厚度由原来的1. 8 mm变成1. 5 mm, 如图2所示。

方案二: 在材料的后面加上一个波浪形的加强板, 保险杠厚度由原来的1. 8 mm变成1. 5 mm, 如图3所示, 使得材料的应力分布变得更加均匀。

2保险杠的有限元建模

利用ANSYS软件对保险杠进行参数化建模［4］, 对保险杠的几何模型进行网格划分、单元选取、约束设置等, 最终得到保险杠碰撞过程分析的有限元模型, 如图4所示。

3汽车保险杠的静态压缩仿真分析

保险杠系统在准静态压缩下的动力响应特性是指碰撞过程中, 保险杠的位移、云应力、碰撞能量的时间响应历程。

3. 1整体模型的变形分析

三种保险杠系统的碰撞能量变化情况如图5所示, 其中A表示保险杠吸收的能量, B表示上面向下压时的能量。约13 ms时, 原始保险杠达到了能量吸收的最大处约22 ms时, 加强筋保险杠 ( 图6) 和波浪加强板 ( 图7) 达到能量吸收的最大处。轻量化保险杠的缓冲时间约为原始保险杠的2倍。在撞击条件相同的条件下, 根据动量定理, 缓冲时间越长, 保险杠受到的平均的作用力越小, 汽车越安全, 故轻量化保险杠的缓冲性能明显优于原始保险杠。

3. 2位移变化分析

三种保险杠在z方向上的位移云图如图8所示。在节点3 820处, 三种保险杠在z方向的最大位移分别为25. 3 mm、32. 5 mm和23. 8 mm。所以, 加强筋保险杠 ( 图9) 的耐撞性劣于原始保险杠, 而波浪加强板形 ( 图10 ) 的耐撞性优于原始保险杠。

4结论

1) 加强筋保险杠和波浪加强板保险杠在碰撞过程中对能量的吸收性能 ( 即缓冲性能) 优于原始保险杠, 二者缓冲碰撞达到稳定的时间是原始保险杠的近2倍, 故平均作用力小得多。

2) 三种保险杠的耐撞性的强弱依次为: 波浪加强板型、加强筋型、原始型。波浪加强板形保险杠和原始保险杠的耐撞性相近, 加强筋保险杠的耐撞性与其他两种保险杠相比较差。

3) 加强筋保险杠和波浪加强板保险杠通过改变结构, 达到了轻量化的目的, 并且整体性能优于原始保险杠, 增强了保险杠对汽车和车内人员的保护作用, 为汽车保险杠的轻量化设计和优化设计提供了有价值的参考。

摘要：在汽车保险杠原始结构的基础上, 进行了轻量化设计。利用ANSYS/LS-DYNA软件对原始保险杠及其轻量化结构在低速碰撞过程中的动力响应特性进行了数值仿真, 结果表明:原始保险杠在低速碰撞条件下应力分布不均匀, 而加强筋保险杠和波浪加强板形保险杠耐撞性、能量吸收性更好, 其应力分布较均匀, 并且波浪加强板形保险杠性能优于加强筋保险杠。

关键词：汽车,保险杠,轻量化,数值仿真,ANSYS/LS-DYNA

参考文献

[1]钟志华, 张维刚, 曹立波, 等.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[2]郭九大, 林逸, 王望予.汽车被动安全性研究综述[J].汽车工程, 1998 (01) :1~9.

[3]屈求真.轿车保险杠系统的结构型式及其选用[J].湖北汽车工业学报, 1996 (16) .

专用汽车轻量化设计 篇10

关键词：轻量化,液压备轮架,槽钢

引言

汽车轻量化, 就是在保证汽车强度和安全性能的前提下, 尽可能减轻汽车的整备质量, 从而提高汽车的动力性, 降低能耗和污染物的排放。科学调查证明, 汽车质量降低10%, 燃油效率可提高6%~8%, 排放可降低5%~6%, 在能源日趋紧张, 环境压力加剧的情况下, 轻量化已经成为汽车工业的重要课题。

汽车产品的轻量化是一系统工程, 涉及汽车产品本身每个组成部分, 而结构尺寸优化是应用最早, 也是应用最成熟的一种汽车轻量化技术。它一般以汽车零部件的尺寸如冲压件的壁厚、梁截面尺寸、减重孔的尺寸等参数为设计变量, 以满足不同工况下的刚度、强度、振动等。

本文基于军品越野汽车轻量化的要求对液压翻转备轮架进行轻量化设计和分析, 并进行台架试验和试验验证。

1、液压翻转备轮架工况简介

液压翻转备轮架主要用于安置备轮, 在需要更换轮胎时实现备轮升降的功能, 但是由于客户的不同的需求和整车的布置需要, 空滤器、工具箱、副油箱或绞盘油箱甚至上装的某些总成等要固定在备轮架上, 并且要求使用及操作方便、安全。

备轮的翻转是通过操纵控制阀总成使助力缸无杆腔充油与有杆腔充油两种状态之间的切换, 实现备轮的翻转。而备轮翻转动力来自于转向系统, 备轮架控制阀总成的油路与转向系统连在一起, 通过来自转向油泵的压力油经过控制阀总成来驱动助力缸, 助力缸推动或者拉动备轮架分装总成的翻转架总成, 从而使备轮进行下降和上升, 方便、快速的更换轮胎。

2、液压翻转备轮架轻量化设计

2.1 轻量化设计基本准则

液压翻转备轮架轻量化设计必须做到“性能-重量-价格”兼顾, 具体要求如下:

1) 保证不影响整车的布置需要, 空滤器、工具箱、副油箱或绞盘油箱甚至上装的某些总成等要固定在备轮架上零部件的安装不受影响。

2) 保证液压翻转备轮架性能不受影响的前提下最大程度地减轻各零部件质量, 并努力谋求高功率、高可靠性、低振动等性能。

3) 在液压翻转备轮架减轻重量、降低能耗、减少排放的同时, 进行优化价值分析, 找到功率和价值的平衡点。

4) 在生产制造方面, 零部件结构优化后要确保制作简单、具有良好的可成形性、可联接性和涂装性。

2.2 轻量化设计

结构尺寸优化是应用最早, 也是应用最成熟的一种汽车轻量化技术, 包括零件结构的尺寸优化、形状优化、拓扑优化等。液压翻转备轮架轻量化设计就是将备轮架分装总成中横梁总成、立柱总成等部分部件由空心型钢 (J70×50×5-GB/T6728-2002) 更改为规格相近的槽钢 (80×43×5-GB/T706-2008) 、槽钢 (50×37×4.5-GB/T706-2008) 等, 更改零部件的尺寸如零件截面尺寸、壁厚等参数, 有效减轻液压翻转备轮架自重, 且保证液压翻转备轮架强度和安全性能, 以满足液压翻转备轮架在整车行进过程中、备轮翻转工作中等不同的工况下, 满足刚度、强度、振动等要求。

通过对液压翻转备轮架现状进行分析、研究, 保证满足客户要求和整车布置的需要, 保留空滤器、工具箱、副油箱或绞盘油箱、以及上装的总成等固定在备轮架分装总成的安装位置不变, 对备轮架分装总成的结构和使用条件进行分析, 结合三维建模理论对备轮架分装总成进行一定程度的简化处理, 应用PRO/E软件建立三维模型。

3、液压翻转备轮架结构分析及验证

3.1 ANSYS分析

应用ANSYS软件, 对空心型钢结构和槽钢结构的液压翻转备轮架进行CAE对比分析, 对比分析备轮架分装总成的危险点和曲柄总成安装孔位置 (如图1所示) 。

3.2 台架试验

根据GJB 150.16-2009《军用装备实验室环境试验方法第16部分:振动试验》的要求, 在8吨DLS-8000-80-12型电磁振动试验台上模拟实际使用工况下400个循环举升动作, 检测轻量化设计的槽钢结构液压翻转备轮架耐冲击、震动等工况下性能可靠性试验 (如图2所示) 。

依据该车型定远试验场道路试验载荷谱数据 (如图3所示) 进行振动疲劳耐久试验, 检测槽钢结构的液压翻转备轮架耐振动疲劳可靠性。

3.3 分析、试验结果

通过CAE分析, 可以清晰看到液压翻转备轮架空心型钢结构与槽钢结构两种状态下的最大应力点, 轻量化槽钢结构的液压翻转备轮架更加合理, 强度相对空心型钢结构更好, 满足液压翻转备轮架的使用和性能要求。

在8吨DLS-8000-80-12型电磁振动试验台对备轮架分装总成进行400个循环的带载荷举升、下降试验, 备轮架分装总成各零部件运动无干涉、各结构件无变形、焊接部位无开裂的现象, 各油管接头处无渗漏现象, 满足使用性要求。

同时, 在8吨DLS-8000-80-12型电磁振动试验台上进行垂直方向312循环的道路载荷谱模拟振动疲劳试验, 通过对备轮架分装总成载荷谱做加速处理, 台架试验目标里程为定远试验场综合路30000km, 试验完成后, 备轮架分装总成各构件无变形、焊缝开裂等现象, 在铰接接头位置处存在正常磨损, 零部件满足疲劳设计要求, 满足其使用性能, 判定为样品合格。

4、结论

液压翻转备轮架轻量化槽钢结构设计, 保留了空滤器、工具箱、副油箱或绞盘油箱、以及上装的总成等固定在备轮架分装总成上的安装位置不变, 重量减轻13.7%, 强度相对空心型钢结构更好, 并安装于我公司相关车型在定远试验场通过了30000km路试试验, 通过试验考核验证, 满足整车使用性能并在公司部分车型大量采用。

参考文献

[1]孙靖民等.机械结构优化设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 20074.

高强板在汽车轻量化上的应用 篇11

【摘 要】目前，汽车行业的发展非常迅速，尤其是轿车，中国已经发展成为继美国、日本之后的世界第三大汽车生产以及消费国。汽车在给人们的出行带来便利的同时也对环境和交通带来了不利影响。因此，需要大力研发“环境友好型汽车”，而加强汽车轻量化的应用则能有效地解决这些问题。本文将主要围绕高强板在汽车轻量化上的应用展开论述。

【关键词】高强板；汽车；轻量化；应用

1.关于汽车轻量化的思考

据测算，2016年世界汽车年产量增加到1亿1千5百万台。而增加部分的一半多将来自中国。中国生产的汽车的节能减排水平将对世界汽车排放总量产生重大影响。中国汽车轻量化技术与世界水平的比较：乘用车重5-10%；商用车重17%左右。在影响车身重量主要因素重，汽车材料占70%的比重，而高强钢板在相同力学性能条件下的板厚是传统钢板的65%，这样就能在不增加成本，甚至降低成本的前提下，使用高强钢板来减轻车身重量。以下我们就对此做简要的阐述。

2.汽车用高强钢板的分类

2.1双相钢

DP钢板已经有30年商业化开发历史，具体包括热轧、冷轧、电镀以及热镀锌产品。DP钢板的组织是铁素体与马氏体，马氏体在5%-20%范围内，随着马氏体含量的不断增加，强度线性也随之增加，强度的范围为500-1200 MPa。双相钢不仅具有AHSS钢的共性特点，同时还具有低屈强比、高加工硬化指数、高烘烤硬化性能、没有屈服延伸以及室温时效等优点。DP钢一般应用在需高强度、高抗碰撞吸收能并且成型要求也非常严格的汽车零件，比如，车轮、保险杠、悬挂系统以及加强件等零件。随着钢种性能以及成型技术的不断发展与进步，DP钢被广泛地应用在汽车的内外板等零件上。DP钢用途的扩大促使生产产量的不断增加，根据有关的数据资料统计显示，2000年汽车使用DP钢订单比1996年的订单量增加了20倍，并且有进一步提升的趋势。DP钢的成分包括C和Mn等物质，可以根据生产工艺的不同适当地增加Cr和Mo等元素，将C曲线向右移动，从而有效地避免冷却时析出珠光体以及贝氏体等组织。目前双相钢的发展包括：开发应用在汽车外板的低级别双相钢系列，双相钢的抗拉强度为450～600MPa；根据零件的具体要求，开发具有个性化的钢种，比如，高可焊性DP钢、高扩孔型DP钢以及高屈强比型的DP钢等钢种；开发800-1000MPa超高强度级别的热镀锌DP；目前研究的重点是热镀锌的可镀性；研究采用CSP等新的工艺生产双相钢。

2.2 TWIP钢

目前，国内外研究的重点是TwIP钢的高强度和高塑性钢。TwIP钢的主要成分一般是Fe，需要添加质量分数为159/6-309/6的Mn元素，并且需要加入一定量的Al元素和Si元素，有时也需要添加少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti以及Nb等元素。TwIP钢的强度能够达到1000 MPa以上，伸长率也可以达到60-95。在使用TWIP钢时，无外载荷，冷却到常温下的组织是稳定的残余奥氏体，但是增加了一定的外部载荷之后，由于受到应变的影响产生了机械孪晶，也会产生大的无颈缩延伸，表现出了非常高的力学性能，并且具备较高的应变硬化率、塑性以及强度。由于添加了大量的Al元素，钢的密度逐渐降低。国外的研究从第一代的Fe-25Mn-3Ab3Si-0.03C系再到第二代的Fe-23Mn-0.6C系直到现阶段的Fe-26Mn-11A1-1.1C以及Fe-6A1-0.05Ti-0.05Nb-0.002B系。目前，研究的不仅是TWIP钢的成分体系，同时需要研究TWIP钢的生产工艺以及使用技术。TwIP钢的研究在欧洲以及韩国比较热，而日本和美国则不看好TWIP钢未来的发展前景，而宝钢的高强度汽车板已经发展成系列化，宝钢600MPa以下级别的高强度钢板已经非常齐全。

2.3超高强度钢板的热成型

某些钢板常温下的强度不很高，抗拉强度仅有500～700MPa， 塑性、可成形性等性能也很好，而通过热成形工艺的加热、成形、冷却后，成形件被淬火，微观组织转变成马氏体，强度、硬度等指标大幅度提高，屈服强度可以达到1000MPa以上，抗拉强度达到1500MPa，硬度可以达到50HRC。塑性指标明显下降，比如成形前这种高强度硼合金钢板的伸长率一般在24%以上，而成形后零件的伸长率只有8%左右。

2.4相變诱发塑性（TRIP）钢

近几年，开始开发TRIP钢这种商业化的钢种，TRIP钢具备高度的强塑积，其主要应用与要求具备高碰撞吸收性能的零件，比如纵梁等。TRIP钢具有高伸长率的特征，其本质是应对诱发残余奥氏体逐渐转变为马氏体，同时引起了体积膨胀，随着局部的加工硬化指数的不断增加，引发变形，并且很难集中在局部的区域，因此，出现了均匀而分散的变形，最终达到了强度与塑性高度统一的目的，妥善地解决了强度与塑性之间的矛盾。在生产TRIP钢时，应该在贝氏体区域等温保持一段时间而形成贝氏体以及富C的奥氏体，其成分主要包括C、Si以及 Mn等物质，Si物质的主要作用是有效地抑制贝氏体转变时析出渗碳体。随着钢板强度的不断增加，需要添加一些微合金元素，比如Nb元素，Nb元素在细化铁素体晶粒的同时也没有对残余奥氏体的稳定性产生任何影响。残余的奥氏体的量在达到一定值之后才能起到诱发塑性的效果，残余的奥氏体的转变不仅与应变量有着密切的关系，同时也与温度有着联系。当残余的奥氏体的体积分数为2.3%时，随着温度的不断变化，钢板伸长率的变化较小，当残余的奥氏体的体积分数增高到6.5以及8.5 时，在-10℃-60℃的范围内，伸长率变化比较明显。随着应变的增加以及温度的降低，残余的奥氏体的转变量也在逐渐增加。

3.小结

综上所述，汽车轻量化项目的相关研究结果显示，钢铁行业通过技术的创新，尤其是先进的高强度刚被你以及新加工技术的广泛应用，为汽车行业的生产安全、轻量、廉价以及环境友好的汽车创造出了合格的材料，并且需要择优选择材料。 [科]

【参考文献】

[1]邵广杰.汽车轻量化用金属材料及其发展动态[J].上海金属，2012.11（22）：112-113.

[2]王丽，杨雄飞.汽车轻量化用高强度钢板的发展[J].钢铁，2012.12（11）：190-191.

汽车轻量化 篇12

在倡导低碳经济的今天, 汽车轻量化已经成为全球汽车发展的潮流。汽车轻量化可提高汽车的动力性, 提高燃油经济性, 减少碳排量。当前主要的举措是使用铝镁、复合材料和塑料等新型材料, 整车或车身、发动机、底盘等结构优化设计, 以及液压成形、热成形、激光拼焊等汽车轻量化新技术、新工艺等。但关键的问题是如何在保证汽车的强度和安全性能的前提下, 让汽车健康“瘦身”, 从而达到节能减排效果。本期策划带您一起走近汽车轻量化, 一探究竟。