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机械与车辆学院

《汽车节能技术》结课论文

（2014-2015学年第一学期）

论文题目 汽车的轻量化技术

姓 名 xxx

学 号 1104030xxxxxx

班 级 2011级车辆工程4班

任课教师 xxx

成 绩

目 录

1. 车身轻量化技术概述 2

1.1 车身结构设计轻量化的现状 2

废电池的处理：在日常生活中，使用电池的地方愈来愈多。从电视机、VCD的遥控器，到学生们的随身听，处处都要用电池。随之而来，就发生了电池的处置问题，提议把大家平时丢弃的废电池一个个收集起来，最终送到有关工厂处置。

1.2 车身结构材料轻量化的现状 2

2. 实现汽车轻量化 3

2.1 车身结构轻量化的途径 3

2.2 车身结构轻量化材料的选择 4

2.3 电动汽车选择小型化汽车电池 4

3. 汽车轻量化的发展与前景 5

3.1 车身结构轻量化先进材料有哪些 5

3.2 车身结构轻量化的发展 6

3.3 汽车轻量化的前景 6

参考文献 7

1. 车身轻量化技术概述

1.1 车身结构设计轻量化的现状

目前超轻钢结构汽车车身联盟(Ultra Light Steel Auto Body, ULSAB )，联合制定了新的汽车车身设计业界标准，其目标是减少汽车钢结构车身的重量并且维持汽车的性能和造价不变。中国一些科研部门和高离校也在研究激光拼焊板制造车身零部件、用变截面弹簧钢梁设计、制造车身悬架系统迭板弹获等·以达到保持车身抗振性能、节省材料、降低造价的目的。

至于结构设计方面触附法是通过优化车身结构实现轻量化, 前轮驱动(FWD)结构就是一个结构轻量化的典型和成功的例子。它没有通过驾驶舱下面的驱动轴。也不用制造后桥壳，变速器和差速器都装配在一个壳体中，这样所需的零部件就更少，对于减轻整车重量有很大的作用。减轻车重可以提高加速性、制动性和燃油经济性。同时，由于前轮驱动的汽车的驱动轮承受着发动机和驱动桥的重量，还可以增加驱动轮的附着力，这对于在湿滑路面上行驶的汽车将会有很大的帮助。

汽车轻量化的前提应保证汽车整体性能不受影响。结构的轻量化设计中改变结构之后同样亦不能降低部件的强度。这一点可以通过有限元分析法加以解决，以减少乍口骨架、发动机和车身钢板的重量。高刚性结构、部件一体化、减少焊缝、厚度的合理选择与分配等都可以带来轻量化的效果。

目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术，那上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究；开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。

1.2 车身结构材料轻量化的现状

与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：

1.轻质材料的比重不断攀升，铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多；

2.结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高，如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，计算机辅助集成技术(CAX)(包括CAD/CAE/CAM...）和结构分析等技术也有所发展；

3.汽车轻量化促使汽车制造业在成型方法和连接技术上不断创新。

目前，我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究，开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料；耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究取得了较大进展，半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金铸造生产线，国内一些高校和汽车研究所在进行铝合金板材的成型性、大型铝合金结构件整体铸造成型技术和关键设备的研究。国内汽车轻量化材料正在加速发展，车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用，如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金，一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。

2. 实现汽车轻量化

2.1 车身结构轻量化的途径

1.变截面薄板及其在车身制造中的应用

多骑自行车、多坐公交车，为节能减排出力;重复使用纸张，双面打印，多发电子贺卡、电子邮件，保护森林;亲近大自然，参加植树造林活动，认养(捐植)一棵树木，寄托自己的理想，埋下自己的愿望。在家中，多养几盆花。

用于车身制造的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板(Tail·rWelded Blanks, TWB)，另一种是通过柔性轧制生产工艺得到的连续变截面板(Tail·rRo出ngBlanks，TRB)。TWB 是根据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压。这样，冲压工程师可以根据车身各个部位的实际受力和变形的大小,预先为某车身部件定制一块理想的拼接板料，从而达到节省材料、减轻重量且提高车身零部性能的目的。在一些汽车制造强国，TWB已经成为汽车制造业中的标准工艺，主要用来制造汽车车身侧框、车门内板、车身底盘、电动机间隔导轨、中间立柱内板、挡泥板和防撞箱之类的车身零部件。

由于TWB可以根据需要任意进行拼接，因而具有极大的灵活性，并且能按照等强度的，概念优化设计一些原来是等厚度的车身零部件，把它们由原来的锻造加工转换为冲压加工，既提高加工效率，又节省加工能源。

TRB是通过一种新的轧制工艺一柔性轧制技术而获得的连续变截面薄板。柔性轧制技术类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺，但其最大不同之处是在轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整变化，从而使轧制出的薄板在沿着轧制方向上具有预先定制的变截面形状。在柔性轧制过程中，可以通过计算机对轧机的实时控制来自动和连续地调整轧辊的间距，从而实现由等厚度板卷到TRB板卷的轧制。这就要求在设计车身时必须预先考虑到后续成型加工中钢板各个部位的实际受力和变形以及整个车身的承载情况，在轧制之前选定有利于后续加工的板料型面。当前设计领域中，已经具备相当成熟和功能强大的CAD /CAM/CAE软件，这种优化设计可以通过DFM/DFA(面向制造的设计和面向装配的设计)等手段予以实现。

TRB连续变化的截面提供了有利于后续成型加工的可能性比如.事先运用有限元分析或数字模拟技术判断车身覆盖件在冲压过程中可能出现拉裂或材料流动性较大的部位那么，在车身设计阶段就可以为某一部件的某个部位预先分配较大的板料厚度.从而有效地避免废品的发生。

2.2 车身结构轻量化材料的选择

据统计，汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总质量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的质量又居首位。因此减少汽车车身质量对降低发动机的功耗和减少汽车总质量具有双重的效应。为此，首先应该在车身制造材料方面寻找突破口。具体说来可以有如下几种方案：

(1)使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

(2)使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；

(3)使用基于新材料加工技术的轻量化结用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。

方案(1)和(2)是通过更换车身材料种类来达到汽车轻量化的目的。其中铝合金具有高强度、耐侵蚀、热稳定性好、易成型等一系列优点，已经在车身、底盘及悬架系统、发动机和车轮等部件的制造上得到成功地应用，但是由于铝合金中有较高含量的硅和铁，使之回收再利用成为新的难题，从而影响铝合金的更大规模使用。镁比铝更轻，可以作为铝的最佳替代用品，随着汽车轻量化技术的发展，已有60多种汽车零部件开始用镁合金制造，世界上镁材料的消耗日益攀升，然而在地球上，镁恰恰是一种比较稀缺的属，其价格昂贵自不待说，再加上镁合金在加工成型方面的困难，更限制了其被广泛应用。塑料聚合物，如连续玻璃纤维与热塑性树脂改性聚丙烯复合材(G1·ssMatReinfo·cedThermoplastic·，GMT)是最佳的车用轻质材料，其密度仅为金属的1/5。用塑料制造汽车零部件所消耗的能量仅为钢材能耗的1/2，还具有加工容易、成型性好、耐腐蚀等特性。目前轿车上使用GMT材料的零部件有800多种，主要有发动机罩、仪表板骨架、蓄电池托架、座椅骨架、轿车前端模块、保险杠、行李架、备胎盘、挡泥板、风扇叶片、发动机底盘、车顶棚衬架等。除了可用来制造零部件之外，还有望应用在整个车身制造上，即所谓全塑车身。但是，不同种类的塑料聚合物材性能料的性能千差万别，塑料的强度、耐冲击性、耐蠕变性及抗老化性也是其难以克服的弱点；且方案(2)还将导致车身造价提高。

相比之下，至少在目前及至今后相当长的一段时期内，钢仍然是汽车车身制造用材的最佳选择。钢材不仅具有优异的性能价格比，还有长期积累起来的冶金技术和成型加工经验，使之在汽车行业中仍然坐拥不可撼动的霸主地位。而方案(3)正是从材料加工的角度出发，使经过特殊加工后的钢板材料的承载性能、成型性能或者其他方面的性能大大提高。

2.3 电动汽车选择小型化汽车电池

对于混合动力甚至纯电动车来说，有什么办法能够对其进行减重呢？许多车企的做法是从提供驱动能量的电池着手。最早的时候，人们利用铅酸电池为电动车供电，原因在于它的电极材料容易获得，制造简便。随着技术进步，镍氢电池诞生，它相比铅酸电池来的更轻，并且容量也更大，在混动车中有广泛应用。

而随着燃效与环保法规收紧，车企希望通过电动车来达到最新的标准，那么，即便镍氢电池的大容量也已无法达标。镍氢电池的能量密度与相对应重量的石化燃料能量密度无法比拟。

3. 汽车轻量化的发展与前景

3.1 车身结构轻量化先进材料有哪些

1.高强度钢板 主要特点有:具有较高强度，良好的强度和塑性平衡，随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀，具有良好的点焊性能。

2.铝合金 与汽车钢板相比，铝合金具有密度小(2.78/cm‘)、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。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。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。

3.镁合金 镁的比强度、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。

4.泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其弹性好，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，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、行李舱盖等。

5.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。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。

6.工程塑料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。

7.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)，因其质量轻，而且具有高强度、高刚度，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因

而是很有前途的车用轻量化材料。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。

3.2 车身结构轻量化的发展

汽车车身节能主要包括注重车身造型减少空气阻力和实现车身轻量化两个方面的节能技术。车身质量约占汽车总质量的30%，所以汽车车身的轻量化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要。从车身造型发展的历史、车身结构轻量化设计TWB，以及优化车身结构轻量化设计和车身结构轻量化材料的发展趋势，汽车轻量一直都是我们进行的重要工作之一。汽车轻量化的研发也是至关重要的。

面对材料轻量化的趋势，我建议：要提高我国汽车轻量化技术水平，当务之急是集成全国轻量化技术优势，开展产、学、研大联合，建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台。该平台应积极推进产、学、研的合作与交流；促进汽车轻量化技术研究成果向产业化方向转化；制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准；建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术咨询的服务机构。

3.3 汽车轻量化的前景

中国汽车工业协会专用车分会副理事长王立耀，最近一直忙于专用汽车轻量化技术方面的研究与推广。鉴于此，他十分关注锻造铝合金轮毂的发展前景。

全球汽车过去五年增加1亿辆，汽车已经对能源和环境形成了巨大挑战，如果不能解决环境和能源问题，就不会有汽车的未来。这样的观点，已经成为众多国家的共识。担心与压力，使节能减排成为全球汽车业头等课题。

对节能减排，很多人关注的是目前热度颇高的新能源汽车。在王立耀看来，不论是新能源汽车还是传统汽车，轻量化趋势是未来汽车的必然选择。

参考文献

［1］宋家慧. 美国<1990年油污法>及船舶油污损害赔偿机制概述 [J].交通环保，1996, 20(12):11-14.

［2］贾林青.海商法[M].北京：中国人民大学出版社，2010：15-17.

……

争做低碳行动的践行者：我们倡议广大团员青年积极参与“低碳行动，从我做起”活动，带头乘坐公共交通工具，或选择“拼车”结伴而行，或选用自行车、步行等绿色出行方式上下班，尽量减少摩托车、小汽车的使用。特别要把步行和骑自行车出行作为促进节能减排、保护环境、强身健体的有效行动。