汽车轻量化设计与碳纤维复合材料的应用

汽 车 自 身 质 量 ,以 达 到 减 重 、降 耗 、环 保 、安 全 的 综 合 目 标 。轻 量 化 必 须 首 先 保 证 汽 车 使 用 性 能 要 求 ,既 要 有 目 标 地 减 轻 汽 车 自 重 ,又 要 保 证 汽 车 在 使 用 中 的 安 全 性 、耐 撞 性 、抗 振 性 以 及 舒 适 性 等 性 能 要 求 ；还 要 保 证 汽 车 产 品 的 成 本 不 提 高 ,以 满 足 市 场 竞 争 力 要 求 。
谷礼双 1， 贾 晶 2
机 电 工 程 系 , 广 西 柳 州 545006； 2.西 安 航 天 复 合 材 料 研 究 所 , 西 安 710025)
摘要： 本文综述了汽车轻量化设计的常用方法， 分析了轻量化方法使用的制约因素， 并以宝马集团 i3
纯电动车中碳纤维复合材料材料使用为导向， 探讨今后 CFRP 轻量化应用的方向， 为汽车轻质化设计工
研 究 数 据 显 示 , 汽 车 车 身 自 重 约 消 耗 70%的 燃 油 , 若 整 车 重 量 降 低 10%, 燃 油 效 率 可 提 高 6%到 8%； 车 重 降 低 1%, 油 耗 可 降 低 0.7%； 汽 车 整 车 质 量 每 减 少 100 公 斤 , 百 公 里 油 耗 可 降 低 0.3 升 到 0.6 升 。 油 耗 的 下 降 , 意 味 着 CO2, 氮 氧 化 物 (NOx) 等 有 害 气 体 排 放 量 的 下 降 。 据 报 道 , 在 美 国 汽 车 质 量 如 果 减 少 25%, 燃 油 消 耗 按 减 少 13%计 , 一 年 可 节 省 2.7 亿 桶 石 油 。
汽 车 轻 量 化 不 是 以 简 单 的 整 车 减 重 数 量 来 衡 量 ,必 须 与 所 设 计 车 身 的 尺 寸 和 功 能 密 切 相 关 。例 如 ：对 于 经 历 过 完 整 设 计 生 产 周 期 的 经 典 车 型 ,其 功 能 已 满 足 使 用 要 求 ,轻 量 化 设 计 的 内 容 是 减 轻 整 车 质 量 ；若 车 型 功 能 还 处 于 提 升 和 完 善 期 间 ,轻 量 化 设 计 是 完 善 功 能 而 保 持 质 量 不 变 ；若 某 型 需 改 进 提 高 性 能 ,则 轻 量 化 设 计 实 际 上 是 功 能 改 进 、降 低 重 量 、结 构 优 化 和 控 制 成 本 的 结 合 。 2 主要轻量化设计方法
目前汽车轻量化设计采用的方法包括： 1) 优 化 结 构 设 计 寻 找 更 有 效 率 的 结 构 设 计 , 采 用 全 承 载 式 车 身 (BIW), 运 用 现 代 数 值 模 拟 技 术 对 车 身 进 行 刚 度 、振 动 、疲 劳去 除 冗 余 结 构 、精 简 车 身 部 件 ,使 其 小 型 化 、 中 空 化 、薄 壁 化 ,以 达 到 减 轻 车 身 重 量 的 目 的 。所 有 轻 量 化 方 法 的 使 用 ,均 以 优 化 结 构 设 计 为 基 础 展开。 2) 高 强 度 钢 的 使 用 高 强 度 钢 板 其 强 度 约 为 一 般 低 碳 钢 强 度 的 2倍 , 在 车 体 等 结 构 件 中 使 用 高 强 度 金 属 , 能 保 证 结 构 功 能 性 的 前 提 下 ,有 效 减 少 结 构 质 量 。 3) 使 用 轻 质 金 属 铝 、镁 、钛 合 金 材 料 是 金 属 材 料 中 密 度 较 低 的 材 料 ,因 而 成 为 汽 车 减 轻 自 重 ,提 高 节 能 性 和 环 保性的首选材料。 a.铝 合 金 汽 车 每 使 用 1kg 铝 , 可 减 轻 自 重 2.25kg, 减 重 效 应 高 达 125%, 在 汽 车 整 个 使 用 寿 命 周 期 内 可 减 少 废 气 排 放 20kg。 此 外 , 铝 回 收 简 便 , 是 除 钢 铁 以 外 能 最 大 限 度 回 收 利 用 的 材 料 , 接 近 90%的 汽 车 用铝可以回收并循环利用。 铝 具 有 良 好 的 物 理 和 化 学 性 能 ,工 业 生 产 中 的 铸 、锻 、冲 工 艺 均 能 适 用 ,是 可 采 用 多 种 铸 造 工 艺 制 造 零 件 的 少 数 几 种 金 属 材 料 之 一 ,最 适 于 应 用 广 泛 的 压 力 铸 造 工 艺 。但 铝 合 金 的 成 本 约 为 钢 铁 材 料 的 5倍 。 b.镁 合 金 镁 是 极 重 要 的 有 色 金 属 ,其 密 度 低 于 铝 ,且 易 与 其 他 金 属 合 成 高 强 度 的 合 金 。我 国 原 镁 产 量 目 前 居 世 界 第 一 位 , 占 全 球 总 产 量 的 1/3, 但 在 镁 合 金 材 料 生 产 、 研 究 及 应 用 领 域 等 方 面 尚 处 于 起 步 阶 段 ,与 北 美 、西 欧 、日 本 等 发 达 国 家 差 距 很 大 。 近 年 国 外 镁 合 金 在 汽 车 上 的 应 用 , 以 年 平 均 25%的 速 度 快 速 增 长 , 汽 车 上 有 60 多 种 零 部 件 可 以 采 用 镁 合 金 生 产 。 我 国 经 过 “十 五 ” 和 “十 一 五 ” 科 技 攻 关 , 也 有 20 余 种 汽 车 零 部 件 可 以 采 用 镁 合 金 生 产 。目 前 镁 合 金 件 应 用 正 朝 大 型 集 成 化 方 向 发 展 。 c.钛 合 金 铝 和 钢 在 近 200℃力 学 性 能 会 大 幅 降 低 , 而 钛 合 金 在 500℃左 右 仍 能 保 持 良 好 的 力 学 性 能 , 而 且 钛 合 金 的 强 度 可 与 高 强 合 金 钢 的 强 度 相 媲 美 , 达 到 1500MPa, 大 大 高 于 铝 、 镁 合 金 。 钛 合 金 具 有 优
汽 车 减 重 是 系 统 工 程 ,由 车 身 结 构 轻 量 化 开 始 ,若 车 身 结 构 重 量 更 轻 ,则 悬 架 承 载 载 荷 减 少 , 相 应 地 底 盘 也 可 减 得 更 轻 ,汽 车 发 动 机 需 要 提 供 的 牵 引 力 减 小 ,则 可 搭 配 排 气 量 较 小 、较 轻 的 引 擎 。 汽 车 历 经 长 期 的 结 构 设 计 研 究 ,现 代 汽 车 的 结 构 设 计 都 已 日 臻 成 熟 ,仅 仅 通 过 结 构 优 化 设 计 来 进 一 步 改 进 ,提 升 空 间 极 其 有 限 。 3.2 高 强 度 金 属 特 点 限 制 其 大 规 模 使 用
铝 合 金 板 材 的 性 能 尚 需 提 高 ；与 汽 车 用 铝 合 金 相 关 的 数 据 库 有 待 建 立 和 完 善 。例 如 设 计 方 面 , 铝 合 金 零 件 的 设 计 方 法 、结 构 计 算 方 法 、成 形 工 艺 的 计 算 机 模 拟 等 设 计 数 据 有 待 完 善 ；铝 合 金 应 用 工 艺 的 制 定 缺 乏 基 础 数 据 ,铝 合 金 焊 接 工 艺 方 法 研 究 、铝 合 金 材 料 的 表 面 形 态 、油 漆 前 的 前 处 理 、 油 漆 后 的 防 腐 效 果 等 问 题 有 待 进 一 步 积 累 数 据 ；维 修 技 术 方 面 ,对 经 碰 撞 后 的 铝 合 金 结 构 件 和 覆 盖 件 的 复 原 、恢 复 原 则 以 及 开 裂 后 的 补 焊 等 均 缺 乏 经 验 和 方 法 。铝 合 金 的 成 本 仍 高 于 钢 铁 材 料 。 3.4 价 格 昂 贵 工 艺 不 完 善 , 限 制 镁 、 钛 合 金 的 规 模 应 用
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异 的 耐 蚀 性 能 ,可 在 恶 劣 的 工 作 环 境 下 使 用 。 4) 非 金 属 材 料 使 用 汽 车 使 用 的 非 金 属 材 料 主 要 包 括 高 分 子 材 料 、陶 瓷 材 料 和 复 合 材 料 。高 分 子 材 料 以 工 程 塑 料 、
橡 胶 、合 成 纤 维 等 为 代 表 ,主 要 应 用 于 汽 车 保 险 杠 、内 饰 、仪 表 板 、轮 胎 等 零 部 件 ；陶 瓷 材 料 以 陶 瓷 、玻 璃 为 主 ,多 用 于 火 花 塞 、传 感 器 、门 窗 等 零 部 件 制 造 ；复 合 材 料 包 括 金 属 基 和 非 金 属 基 复 合 材 料 ,主 要 用 于 车 顶 导 流 、风 挡 窗 框 等 外 装 板 件 。 3 制约轻量化方法使用的主要因素 3.1 结 构 设 计 精 简 余 地 非 常 有 限
高 强 度 钢 由 于 其 塑 性 差 ,或 存 在 焊 接 、镀 锌 困 难 等 工 艺 特 点 ,限 制 了 其 大 规 模 使 用 ；同 时 为 了 保 证 车 身 刚 度 ,主 要 承 载 结 构 必 须 具 有 一 定 的 截 面 积 ,由 于 高 强 钢 和 普 通 碳 钢 具 有 相 同 的 弹 性 模 量 , 因此在某些要求刚度较高的部位需要增加钣金厚度而未采用高强钢。 3.3 数 据 积 累 有 待 完 善 , 铝 合 金 规 模 应 用 尚 需 时 日
第 15 卷 第 5 期 2015 年 10 月
柳州职业技术学院学报
JOURNAL OF LIUZHOU VOCATIONAL & TECHNICAL COLLEGE
[汽车产品设计与模具开发]
Vol.15 No.5 Oct.2015
汽车轻量化设计与碳纤维复合材料的应用
(1.柳 州 职 业 技 术 学 院
图 1 车重和定速燃料消耗的关系
收稿日期： 2015-07-12 作者简介： 谷礼双， 硕士,柳州职业技术学院机电工程系高级工程师,研究方向： 机械结构设计与教学； 贾晶， 硕士， 西安航 天复合材料研究所高级工程师， 研究方向： 碳纤维研制及应用。
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1 汽车轻量化 汽 车 轻 量 化 是 采 用 现 代 设 计 方 法 、使 用 新 材 料 和 其 它 有 效 手 段 对 汽 车 产 品 进 行 优 化 设 计 ,减 轻
作者提供参考。
关键词： 汽车； 轻量化设计； 碳纤维复合材料