1、.汽 车 车 身轻量化结构与轻质材料福州大学 材料学院汽车车身轻量化结构与轻质材料汽车车身轻量化结构与轻质材料第一章第一章 绪论绪论 全世界汽车工业界已清楚地认识到，节省资源和减少对环境的污染是汽车可持续发展迫切需要解决的两大问题。要使汽车更省油、更环保，目前一个可行的重要措施就是汽车轻量化，广泛和更多地使用轻质材料。洁净化洁净化安全化安全化轻量化轻量化舒适化舒适化信息化信息化汽车设计和制造的五大方向汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.1 汽车轻量化的紧迫性 节能的需求l车重与行驶阻力的关系l车重与定速燃料效率的关系20sin(1)FW
2、WaWAVW汽车重量0滚动阻力系数斜率a加速度等价旋转重量比空气阻力系数A迎风面积V车速1.1 汽车轻量化的紧迫性1.21.31.41.5轻量化有助于减小行驶阻力轻量化有助于降低油耗汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.1 汽车轻量化的紧迫性 l美国的排放法规l欧洲的排放法规l日本的排放法规l我国的排放法规环保的需求1.1 汽车轻量化的紧迫性1.21.31.41.5日益严格的排放法规要求车辆自重降低汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.1 汽车轻量化的紧迫性 1.1 汽车轻量化的紧迫性1
3、.21.31.41.5l节省资源l减少污染l提高发动机效率；l改进汽车造型以降低风阻系数；l改进汽车轮胎；l改进结构和材料方法可行在保证动力性和安全性的前提下实现轻量化汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.2 汽车轻量化研究的方法高强度钢高强度钢铝合金铝合金 塑料塑料 镁合金镁合金 复合材料复合材料 密度小，强度大，吸能性好 密度小，耐腐性能好密度、强度人为可控，吸能性更好可使板厚减薄，强度刚度增加 密度更小，强度大，吸能性好1.31.41.51.11.2 汽车轻量化研究的方法新材料的应用汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身
4、轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.2 汽车轻量化研究的方法1.31.41.51.11.2 汽车轻量化研究的方法结构优化设计板壳厚度梁截面平面惯性矩对汽车零部件的精简和整体化、集成化尺寸优化应力分布均匀化减小质量延长寿命形状优化向承受高负荷的部位储存材料将承受低负荷的部位去除材料汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.2 汽车轻量化研究的方法1.31.41.51.11.2 汽车轻量化研究的方法革新工艺l液压成型工艺l激光焊接工艺l定制板材技术l金属板固态成型技术l真空压铸成型技术l无孔压铸成型技术与轻质结构设计要求相符的与轻质结构设计要求
5、相符的创新制造工艺创新制造工艺革新工艺拓宽汽车轻量化的可能性汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.3 车身零件的轻量化对整车轻量化的贡献1.21.3 车身轻量化对整车轻量化的贡献1.41.51.1质量占整车的0安全性、舒适性要求高结构复杂材料众多车身的轻量化对于整车轻量化举足轻重形状复杂美观、防腐要求高制造成本占整车的0汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论铝合金发动机气缸、离合器壳体铝合金发动机气缸、离合器壳体 大众甲壳虫1.4 车身结构轻量化设计发展1.21.31.4 车身结构轻量化设计
6、发展1.51.1玻璃增强纤维复合材料车身外壳玻璃增强纤维复合材料车身外壳 克莱斯勒CCV复合材料概念车平均油耗实际为平均油耗实际为2.99L/100km，轿车自重，轿车自重800kg世界上第一辆批产低油耗轿车世界上第一辆批产低油耗轿车 大众3升车Lupo全铝空间框架车身全铝空间框架车身(ASF)(ASF)，世界上第，世界上第一种大批量生产的全铝车身轿车一种大批量生产的全铝车身轿车 奥迪A2汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.4 车身结构轻量化设计发展1.21.31.4 车身结构轻量化设计发展1.51.1以全铝结构件为基础，使用钛，镁以全铝
7、结构件为基础，使用钛，镁和碳纤维等贵重材料和碳纤维等贵重材料 福特P2000广泛应用轻质材料，自重广泛应用轻质材料，自重750kg Ecobasic“3L” 镁合金和复合材料的车身框架，自重镁合金和复合材料的车身框架，自重700公斤公斤 丰田ES3铝质车身铝质车身 法拉利360Modena /Spider汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1.4 车身结构轻量化设计发展全铝车身的豪华型轿车全铝车身的豪华型轿车 捷豹XJ81.21.31.4 车身结构轻量化设计发展1.51.1全铝车身的高级跑车全铝车身的高级跑车 法拉利612-Scagliett
8、i汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论l资源丰富，体系完善 ；l我国汽车用铝与国际水平差距较大 ；l使用潜力大。1.5 我国汽车的轻量化现状1.高强度钢2.铝合金l镁合金的时代已经到来；l我国是镁资源大国；l目前国内用量很少。3.镁合金l已经起步，逐年上升；l多元化发展；l品种较少，与国外差距大 。1.21.31.41.11.5 我国汽车轻量化现状4.复合材料l与国际先进水平差距大；l可生产低级别的双相钢；l冷轧超高强度钢可生产一部分；l先进的高强度钢板在研发阶段。 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第
9、一章 绪 论绪论车身用轻质材料车身用轻质材料轻质车身结构的成型工艺轻质车身结构的连接工艺应用多种材料的轻质车身设计第1章第第2章章第3章第4章第5章第6章车门的轻量化设计示例汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论第二章第二章 车身用轻质材料车身用轻质材料 由于不断推广使用各种性能优异的轻质材料，汽车轻量化成绩显著。高强度钢比例稳步攀升，复合材料比例也呈上升态势，而全塑车身的出现也显出了复合材料在未来汽车工业中的巨大潜力。除此以外，铝合金、镁合金、高强度钢、钛合金等轻质材料也越来越多地应用于汽车。车身零部件的选材原则 使用性 工艺性经济性使得零件
10、在使用过程中具有良好的工作性能 能够确保零件便于加工 能使产品具有较低的总成本 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢汽车用高强度钢板的开发进程磷合金钢双相钢微合金钢CP 钢TMS 钢TRIP 钢各向同性钢烘烤硬化钢高强度 IF 钢1975 1980 1985 1990 1995 20002.1.1 高强度钢的发展历史2.1 高强度钢2.22.32.4高强钢的应用越来越广，我国在这方面起步较晚汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢 北美轿车高强度钢的应用趋势l价格低，
11、经济性好；l性能优越，能保证大零件的刚性；l利用现有的汽车生产线，节约设备投资。2.1 高强度钢2.22.32.42.1.2 高强度钢在车身轻量化发展中的地位和作用目前，钢材乃车身主要用材。未来，高强钢的比例会大幅增加汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2.1 高强度钢2.22.32.42.1.3 高强度钢在车身上应用的示例车身结构减重抗扭抗弯提高造价降低90%高强钢板减重32%无框架车门结构高强钢车门外板超高强钢车门杆件减重约30%制造成本降低成本低于铝材30%五星碰撞标准生产成本被接受油耗降低钢铁高回收性汽车车身轻量化结构与
12、轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1 高强度钢2.22.32.42.1高强度钢lULSACULSAC项目试制车门的结构及装配过程lULSAB对比车平均值ULSAB目标ULSAB试制与对比车相比重量/kg271200203-68扭转刚度/Nm/kg1153113000208009269弯曲刚度/Nm/kg1190212200181006198一次固有振动数/Hz38406022部件个数195158-37汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2022-6-62.1 高强度钢2.22.32.42.1高强度钢lUL
13、SAB-AVC ULSAB-AVC项目中采用的材料强度和加工工艺 ULSAB-AVC项目中采用的各种高强度钢板 PNGV项目的研究成果表明：高强钢是目前轻质车身用材的首选汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2022-6-62.1 高强度钢2.22.32.42.1.4 高强度钢在车身上应用的基础车身用高强钢的分类传统高强钢（传统高强钢（HSS）先进高强钢（先进高强钢（AHSS）低碳钢(Mild)无间隙原子钢(IF)各向同性钢(IS) 、烘烤硬化钢(BH )碳一锰钢( CMn )低合金高强度钢(HSLA )相变诱导塑性钢(TRIP)
14、复相钢(CP)马氏体钢(Mart)双相钢(DPP) 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2.1 高强度钢2.22.32.4l屈服强度小于210MPa的钢为软钢l210-550MPa的为高强度钢(HSS)l高于550MPa的为超高强度钢(UHSS)。汽车用钢屈服强度和伸长率的关系钢YP/MPaTS/MPaEI /%-值厚度/mm热轧开发钢47061035902.3传统钢5306102460冷轧开发钢39060037601.4传统钢4206002560590MPa级残留奥氏体热、冷轧钢板的机械性能 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一
15、章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2022-6-62.1 高强度钢2.22.32.4材料结构方式 l变截面技术对于车辆的轻量化、安全性和其结构本身的承载适应性都有显著提高等厚度板TWB 减重20TRB 减重40TRT减重55各种结构板料的减重效果比较汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2.1 高强度钢2.22.32.4各种结构板料的机械性质比较综合新方案连续变截面板技术，连续变截面板技术，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沿轧制方向上具有预先定制的变截面形状。汽车车身轻
16、量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2.1 高强度钢2.22.32.4TRB的应用实例运用TRB技术的宝马后横梁汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2022-6-62.1 高强度钢2.22.32.4高强钢拼焊应用于车身欧洲激光拼焊板历年使用量激光拼焊板激光拼焊板，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。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2022-6-62.
17、1 高强度钢2.22.32.4空心变截面钢管技术，空心变截面钢管技术，实现进一步的轻量化，而且与传统的矩形截面相比，具有同样的抗拉压和突出的抗扭力学性能。TRT在NSB项目中的应用TRT在Scalight项目中的应用 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.1高强度钢2.1 高强度钢2.22.32.4对不同部位，起不同作用的部件，使用不同强度的高强钢车身用高强钢的结构与性能汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.2铝合金“四门两盖四门两盖”阶段阶段“壳式支撑结构壳式支撑结构”车身车身比较昂贵
18、的权宜之计，对车身承载性影响不大带加强筋钢结构的一种替代品2.2 铝合金2.32.42.12.2.1铝合金的发展历史“空间框架结构空间框架结构”车身车身实现了全铝车身设计制造铝合金在汽车车身上的应用主要经历三个阶段汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.2铝合金2.2 铝合金2.32.42.12.2.2铝合金在车身轻量化发展中的地位和作用 北美、欧洲、日本轿车用铝合金占车身质量比例 铝合金比强度高，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截面的构件，从结构上补偿了部件的刚度；吸能性好，碰撞安全性优势明显，而且由于车身质量减轻，在碰撞时产生
19、的动能减小。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.2铝合金年代厂家车型使用部位1982奥迪AUDI100C3车门里板 车门窗框 前保险杠横梁1984马自达SANBANA RX-7发动机罩1989日产SKYLINE发动机罩 前翼子板1991本田ACURA SX全铝车身1992铃木敞篷车活动顶盖 后支柱1993福特SYYNTHENS2010全铝车身1994奥迪AUDI A8全铝车身2.2 铝合金2.32.42.12.2.3铝合金在车身中应用的示例 奥迪A8 第一代铝合金ASF车身 奥迪 A2第二代铝合金ASF车身新奥迪A8第二代铝合金ASF车身
20、汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.2铝合金铸造铝合金铸造铝合金 直接用铸造方法浇注或压铸成零件或毛坯的铝合金。 2.2 铝合金2.32.42.12.2.4车身用铝合金的特点变形铝合金变形铝合金 是经熔炼铸成铸锭后，在经过热挤压加工形成各种型材、棒材、管材和板材。 l离合器壳体、变速箱壳体等壳体类零件；l发动机部件；l保险杠、轮辋、制动钳等非发动机结构件。l制造保险杠、发动机罩、车门行李箱等车身面板、车轮的轮辐、轮罩、轮外饰罩等结构件l仪表板等装饰件。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论
21、2.2铝合金2.2 铝合金2.32.42.1 . 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.2铝合金2.2 铝合金2.32.42.1种类屈服极限（N/mm2)拉伸强度（N/mm2)延伸率(%)平均延伸率(%)硬度HVn值r值5052-01072132422520.320.745052-H242122691310800.131.055182-01252643128260.310.615182-H242733501110910.130.756061-04512530250.280.666061-T41972712420640.200.74冷轧钢板1
22、812984623450.212.00主要铝合金板的机械性能奥迪铝车身空间框架结构中的材料汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.3镁合金2.2 2.3镁合金2.42.12.3.1镁合金在车身上应用的示例 近年来世界汽车用镁合金压铸件统计表镁合金压铸件对减轻质量和提高性能的影响十分显著，故障车身上应用的发展极其迅猛汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.3镁合金2.2 2.3镁合金2.42.12.3.2镁合金在车身上应用的出发点铸造镁合金多用于压铸工艺生产。生产效率高、精度高、铸件表面质量好
23、铸造镁合金多用于压铸工艺生产。生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织优良、可生产薄壁及形状复杂的构件。、铸态组织优良、可生产薄壁及形状复杂的构件。变形镁合金可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工。具有更高变形镁合金可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工。具有更高的强度、更好的塑性和更多的样式规格。的强度、更好的塑性和更多的样式规格。按化学成分分类按是否含变质剂锆分类按成型工艺分类汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.3镁合金镁合金的力学性能2.2 2.3镁合金2.42.1牌号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%疲劳强
24、度/MPa布氏硬度/HB弹性模量/GPa减震系数/%AZ91D24016035070704525AM60B22513085070654345AM50A21012510-6045-AS41A21514065070604540AS211721104-63-60AE4223014510-6045-特性AZ91D铝合金A380ABS塑料工程塑料PET工程塑料PBT密度/g*cm-31.812.741.071.611.72抗拉强度/MPa24033143193172屈服强度/MPa16016539152117延伸率/%3316.54.53.0弹性模量/GPa45712.18.310.3屈服重量比100-
25、4110777吸水性/%000.330.050.07热导率/W*(m*K)-15196.20.280.280.29熔化温度/598595260260260膨胀系数/m*m-126-76.52725刚度100-7.82124汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.3镁合金2.2 2.3镁合金2.42.1 . 镁合金压性能非常优越，在工艺技术支持下应用前景广泛汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.1复合材料应满足的条件 由两种或两种以上化学、物理性质不
26、同的材料组成；用人工方法制造的；性能优于各组分单独存在时的性能，具有协同增强的特点。 2.4.1 复合材料的发展历史玻璃纤维增强材料碳纤维增强树脂基复合材料有机纤维复合材料复合材料性能人为可造、可控，是二十一世纪新兴材料汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.12.4.2 复合材料在车身轻量化发展中的地位和作用在汽车用材料中复合材料正占有越来越重要的地位改善性能、赋予功能性、改善加工性、降低成本是开发复合材料的目的汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论
27、2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.12.4.3 复合材料在车身上应用的示例BMW CFRP 侧围骨架复合材料的框架结构 复合材料车身顶盖 复合材料备胎总成下端板块Noryl GTX 964重量: 2,1 kgTopspoilerNoryl GTX 964重量: 1,0 kg玻璃重量: 4,4 kg举升门总成 门板内饰PP/Dilour重量: 0,8 kg结构GMT PP GF 40重量: 7,0 kg汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.1 雷诺 Avantime 车身塑料件 克莱斯勒的
28、CCV车身 通用概念车Ultralite 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.12.4.4 复合材料在汽车车身上应用的出发点性能未增强增强拉伸强度/Mpa80260弯曲强度/Mpa120360冲击强度/(kJ/m2)10300l聚合物基体 分为热固性和热塑性两大类，以热固性树脂为主，主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等。l增强材料 复合材料中的增强用纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和金属纤维等，其中应用最广泛的是玻璃纤维。 玻璃纤维对乙烯基酯树脂的增强作用汽车车身轻量化
29、结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.1热塑性热固性金属与金属复合材料非金属与金属复合材料非金属与非金属复合材料纤维复合材料夹层复合材料细粒复合材料混杂复合材料正是因为复合材料的人为性导致了材料的复杂性和性能多样性。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.12.4.5 车身用复合材料的特征及其与汽车性能的关联材料种类密度(g/cm3)拉伸强度(MPa)比强度(103cm)高级合金钢8.012801600A3钢7.8540
30、0510LY12铝合金2.84201500玻璃纤维增强环氧树脂1.735002890玻璃纤维增强聚酯树脂1.802901610玻璃纤维增强酚醛树脂1.802901610玻璃纤维增强DAP树脂1.653602180Kevlar纤维增强环氧树脂1.28142011094碳纤维增强环氧树脂1.55155010000汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.1 各种碳纤维的特性碳纤维复合材料与常用工程材料比性能比较 各种材料吸收性能的比较汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料
31、第一章 绪 论2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.1 Dodge viper 跑车的碳纤维车架结构 Porsche 的碳纤维发动机罩 梅塞德斯奔驰SLR 跑车 使用了一体式碳纤维车架的Ferrari F50 轻质高强、耐撞击，抗断裂韧性好、减振，隔音性能好、可设计性好、电性能好、耐腐蚀性能好、热性能好、工艺性能优良、老化现象是复合材料的特点，尤其是新型碳纤维复合材料性能格外优越，最具发展前景。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论绪论车身用轻质材料轻质车身结构的成型工艺轻质车身结构的成型工艺轻质车身结构的连接工艺应用多种材料的轻质车身设计第1章第2章第第3章章第4章第5章第6章车门的轻量化设计示例
