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車身輕量化方法、材料、工藝、成本、水平、技術路線

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車身輕量化方法、材料、工藝、成本、水平、技術路線

發布日期:2018-06-20 作者: 點擊:

乘用車白車身包括下部車身、上部車身骨架、車門、發動機罩蓋、行李箱蓋、翼子板等部件,是發動機、變速器、傳動係統、製動係統、懸架係統、排氣係統、電氣係統及內飾件的安裝基礎,並通過其相應的結構設計滿足成員的安全性要求。車身輕量化的目的在於保證車身結構抗撞性、剛度、強度以及NVH性能前提下,減輕身上骨架質量,同時不提高汽車車身製造成本來增強整車波克棋牌下載的市場競爭力。


車身上應用的不斷擴大的高強、輕質材料主要為高強度鋼與超高強度鋼、鋁合金、鎂合金工程塑料以及符合材料等。高強度鋼主要應用於前防撞梁,A、B、C柱加強件,門檻梁,車門防撞梁和車頂橫梁等關鍵部位,並且因公比例逐漸擴大。歐美部分車身車身高強度鋼應用比例已超過60%,如奧迪A3、寶馬3係、凱迪拉克ATS、福特蒙迪歐等;日係車型高強度鋼占比也超過50%,如英菲尼迪Q50、本田思域等;鋁合金已由發動機罩向翼子板、行李廂蓋及車門上逐漸延伸,部分高端車已實現全部鋁合金車身;鎂合金已經從方向盤骨架、座椅骨架向轉向支撐、傳動係殼體零件上發展;纖維增強複合材料已開始應用於前段模塊、後尾門、進氣歧管等零部件;碳纖維複合材料已由跑車、豪華車向中高端車和電動車應用擴展。如圖某轎車帶四門兩蓋的車身結構。



在結構優化設計方麵,車型開發前期,對車身結構做出更合理的設計規劃更為重要。目前多材料車身結構輕量化設計正在向著搭建參數化設計平台(如圖),應用拓撲優化、尺寸優化、形貌優化、多目標優化以及結構-材料-性能一體化優化設計方向發展。



一、材料應用


1、高強度鋼:高強度鋼主要應用在車上內外板以及車上結構件,同時高強度鋼可以有效提升車身被動安全性。先進剛度剛在汽車超輕鋼車身、先進概念車上應用,在減重、節能、提高安全性、降低排放發麵應用前景良好。雖然在成型中麵臨回彈等問題挑戰,但相比於其他替代材料,高強度鋼還是性價比最好、最具吸引力的材料。


2、鋁合金:鋁合金的應用始於20世紀90年代,以奧迪汽車推推出的全鋁空間框架車身為代表。提出了奧迪全鋁車身框架概念(ASF),推出相應車身Audi100、第一代Audi A8、A2.除奧迪其他公司也推出了全鋁車身,如捷豹XJ、新路虎攬勝、奔馳S級車等如圖所示。


變形鋁合金在車身零件級結構件的應用方麵發展比較快,如應用日益廣發的鋁合金行李箱蓋、發動機艙罩蓋、後背門、保險杠橫梁等,隨著凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基複合材料和泡沫鋁材等新材料的開發應用,未來鋁合金在汽車應用範圍將進一步擴大,並將呈現鑄件、型材、板材並舉的局麵,預計未來鋁將成為僅次於鋼的第二大汽車用材料。





3、鎂合金:目前鎂合金在車身上主要集中在方向盤骨架。儀表盤骨架、座椅骨架等零部件上,在白車身結構件上還沒有量產應用。目前僅有克萊斯勒某車型上做過嚐試,如圖。由於鎂合金耐腐性和成型方麵限製,目前尚未得到廣泛應用。



4、複合材料:汽車工業複合材料技術首先應用於保險杠,而後用與生產變截麵彈簧鋼板以代替鋼板,之後又用與生產四門兩蓋。複合材料大規模應用是在20世紀80年代中期以後。1990年福特、克萊斯勒相繼開發出複合材料。複合材料具有許多金屬材料無法比擬的優點:密度低、比強高、比模高;材料性能具有可設計性;製品結構設計自由度大,易實現集成化、模塊化設計;抗腐蝕性好、耐久性能好,隔聲降噪;可采用多種成型工藝,模具成本低;A級表麵,可免噴塗等工序;投資少,生產周期短。目前,汽車輕量化發展需求迫切,從成本性能發展綜合考慮,可用於車身結構件的複合材料以樹脂基碳纖維增強複合材料為首選。可以應用於發動機艙罩蓋、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤燈結構件中。隨著車用複合材料技術的發展,現已廣發的應用在跑車、豪華車上,於鋁合金構件比,複合材料可以減重50%左右,目前車上碳纖維已從單向絲、雙向編製物,發展到多軸中空的碳纖維預製體,可獲得多種形狀結構的汽車部件,如圖寶馬I3電動汽車複合材料用用。



二、製造工藝


1、熱成形:精度高、成形性能好,廣泛應用於生產高強度汽車保險杠,車門防撞杆,A、B、C柱加強件,車頂框架,中通道等安全件和結構件。目前該技術在國外發展很快,美國通用、福特德國大眾等在用該項技術製造高強度衝壓件。中國一汽紅旗H7車身下部也規模化使用熱成形技術,如圖



2、激光拚焊:1985年奧迪成功采用全球第一塊激光拚焊板。20世紀90年代,歐美、日本各大汽車企業開始大規模使用激光拚焊技術。近年來該項技術在全球新型鋼製車身設計和製造商應用廣泛。如圖中國一汽H7車身使用激光焊接的典型結構件。



利用激光焊接技術可以減少汽車零部件數量、減輕車身重量、提高原材料利用率、提高結構功能、增加波克棋牌下載設計靈活性。


3、差厚板:差厚板是在激光焊接之後,為解決激光拚焊板存在的問題而出現的,生產過程如圖



差厚板可以代替激光拚焊板,從而更好的實現輕量化。但不完全代替激光拚焊板,因為激光拚焊除了焊接不同厚度板料還可以焊接不同材料、強度的板焊接在一起,差厚板不能實現這一功能。


三、成本估計


高強度鋼與其他輕質材料比,價格低、經濟性好,廣泛的應用可提高車是安全性。高強度鋼可以減薄材料,所以與普通鋼板相比可以做大成本不大幅增加,約為普通鋼板的1.5倍。


鋁合金密度2.68g/cm³,僅為鋼板的1/3。考慮到使用鋁材需要增加厚度及截麵,可以減重30%~50%,與鋼板相比,一般鋁板件成本將增加2-5倍。


碳纖維複合材料密度1.5 g/cm³,不及鋼的1/5。碳纖維複合材料應用到車門、發動機艙罩蓋、行李箱蓋能夠減重50%以上,其材料成本相對鋼板增加5倍以上。


四、輕量化水平


國內汽車輕量化產業未形成規模,產業鏈不夠完整,與國外差距較大。國際主流車型高強度鋼車身占比60%以上,強度級別780MPa、980MPa的鋼在車身構件上已相當普遍。高強度鋼可以在不降低安全性與舒適性前提下,零件減重20~30%。


國外或者國內合資高端車型部分零部件應用輕質材料,工程塑料零部件相對鋼製部件可以減重30%~35%,鋁合金零部件相對鋼製零部件也減重30%~50%,鎂合金零部件相對鋼製零部件可以減重40%~55%,碳纖維複合材料零部件相對鋼製零部件可減重40%~60%。


五、車身輕量化技術路徑




借鑒國外技術可以探索我國車身輕量化技術發展路線


1、 短期


目標:加大剛強度鋼和超高強度鋼應用比例,合理減薄鋼板厚度,廣泛應用先進成形技術和鏈接技術,達到預計的輕量化目標。


途徑:采用高強度鋼、超高強度鋼、工程塑料,適量應用鎂鋁合金及複合材料,進行車身結構參數優化設計,歐皇鋼板厚度斷麵形狀、尺寸,廣泛應用激光焊接、熱成形工藝及先進連接技術。


2、 中期


目標:掌握鋁鎂合金、複合材料特性及連接技術,結構-材料-性能一體化輕量化多目標協同優化設計方法,所需與國外技術水平差距。


路徑:擴大鋁鎂合金、複合材料在車身上的應用比例、零部件數量,根據材料性能優化設計鋁鎂合金與纖維增強複合材料零部件結構,充分發揮材料本身性能優勢。


3、 長期


目標:逐漸掌握碳纖維複合材料特性、零部件設計方法、高效製造工藝、性能控製方法和連接技術,逐漸趕超汽車工業發達國家汽車輕量化技術水平。


途徑:熟練應用鋼鋁混合車身設計、製造與連接技術,逐漸掌握碳纖維複合材料零部件結構設計。高效製造、性能調控和連接技術,擴大碳纖維複合材料在汽車上的應用比例。


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