1、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连接工艺应用多种材料的轻质车身设计第1章第2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1.1 汽车轻量化的紧迫
2、性 节能的需求车重与行驶阻力的关系车重与定速燃料效率的关系20sin(1)FW 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1.1 汽车轻量化的紧迫性 图 1.3 美 国 加 利 福 尼 亚 州 汽 油 车 排 放 限 值 图 1.4 欧洲排放标准限值 美国的排放法规欧洲的排放法规日本的排放法规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
3、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1.21.31.41.5节省资源减少污染提高发动机效率；改进汽车造型以降低风阻系数；改进汽车轮胎；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
4、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液压成型工艺激光焊接工艺定制板材技术金属板固态成型技术真空压铸成型技术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
5、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
6、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
7、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-Scaglietti汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论资源丰富，体系完善；我国汽车用铝与国际水平差距较大；使用潜力大。1.5 我国汽车的轻量化现状1.高强度钢2.铝合金镁合金的时代已经到来；我国是镁资源大国；目前国内用量很少。3.镁合金已经起步，逐年上升；多
8、元化发展；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.复合材料与国际先进水平差距大；可生产低级别的双相钢；冷轧超高强度钢可生产一部分；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
9、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
10、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价格低，经济性好；性能优越，能保证大零件的刚性；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
11、被接受油耗降低钢铁高回收性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ULSACULSAC项目试制车门的结构及装配过程ULSAB对比车平均值ULSAB目标ULSAB试制与对比车相比重量/kg27113000208009269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2022-10-222.1 高强度钢2.22.32.42.1高强度钢ULSAB-AVC ULSAB-AVC项目中采用的材料强度和加工工艺 ULSAB-AVC项目中采
12、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2.1高强度钢2022-10-222.1 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)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2.1高强度钢2.1 高强度钢2.22.32.4屈
13、服强度小于210MPa的钢为软钢210-550MPa的为高强度钢(HSS)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 第一章 绪 论2.1高强度钢2022-10-222.1 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
14、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2.1高强度钢2022-10-222.1 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
15、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2.1高强度钢2022-10-222.1 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
16、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
17、能性好，碰撞安全性优势明显，而且由于车身质量减轻，在碰撞时产生的动能减小。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
18、代铝合金ASF车身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。离合器壳体、变速箱壳体等壳体类零件；发动机部件；保险杠、轮辋、制动钳等非发动机结构件。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2.2铝合金2.2 铝合金2.32.42.1 .密度低密度低耐蚀性好耐蚀性好柔性的强
19、度设计柔性的强度设计高的导热性能高的导热性能表面美观表面美观铸造性好铸造性好是钢的1/3 不易生锈 在常温下的强度不低于铸铁 约比铝高三倍 无色透明的氧化膜 溶化温度低，易成复杂形状 切削性好切削性好耐磨性好耐磨性好 是铸铁的4-5倍，工具磨损小 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-H
20、242733501110910.130.756061-04512530250.280.666061-T41972712420640.200.74冷轧钢板1812984623450.212.00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
21、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、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/
22、MPa延伸率/%疲劳强度/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
23、.3屈服重量比100-4110777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2.3镁合金2.2 2.3镁合金2.42.1 .质量轻质量轻比强度高比强度高稳定性高稳定性高阻尼系数良好阻尼系数良好点此屏蔽性好点此屏蔽性好可回收性好可回收性好是钢的1/5 是铝合金的1.8倍 工件尺寸精度高 减振降噪 防电磁干扰 符合环保要求 切削性好切削性好铸造成型性好铸造成型性好 易加工 壁薄，并生产效率
24、高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金属基复合材料陶瓷基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
25、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 复合材料备胎总成举升门总成 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2.4复合材料2.2 2.32.4复合材料2.12.4.4
26、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)10300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。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按其组成分类按其结构特点分类纤维复合材料夹层复
27、合材料细粒复合材料混杂复合材料按其基体材料分类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7.85400510LY12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
28、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、
29、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汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论第三章第三章 轻质车身结构的成型工艺轻质车身结构的成型工艺 从车身生产技术的角度出发，材料和加工成本、成型性以及连接性等因素都是选择材料的基准，各种应用于车身的轻质材料都存在着不同于目前普通低碳钢的成型工艺问题，这些材料的应用过程中也成就了很多新的成型技术，例如内
30、高压成型、拼焊板液压成型等。这些技术的应用必将进一步提高轻质车身材料的性能。车身零部件的成型性要求表面质量要求刚性要求工艺性要求没有波纹、皱褶、凹痕、擦伤、拉痕等缺陷没有塑性变形不均匀现象尽可能地减少工序数汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.1 车身用高强钢的成型工艺3.1.1 冲压技术3.1车身用高强度钢的成型工艺3.23.33.4 汽车覆盖件不同部位的受力和变形特征易出现的质量问题：易出现的质量问题：破裂、面畸变、表面凸凹及划伤、偏移线、尺寸精度不良、形状精度不良、刚度不足等。车身薄壁件的 冲压过程既不是简单的拉伸变形，也不是简单的胀形变形，而是两种变形同时存在的复合变形。可能
31、解决的途径：可能解决的途径：破裂与成形极限图的应用，起皱和面畸变问题的防止与控制，尺寸精度和覆盖件刚度的控制等汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.1车身用高强度钢的成型工艺3.23.33.43.1.2 激光拼焊板技术专用拼焊钢板专用拼焊钢板:普通拼焊板(TB)、工程拼焊板(TEB)补片型拼焊板3.1 车身用高强钢的成型工艺结构种类，评价项目分体式结构一体化结构材料利用率65%左右40%左右适用材料的选择可以不可以零件数、所需模具数5件，10副模具1件，4副模具焊接部位外观不好好车身精度不良好车身刚度不良提高 拼焊板整体侧围成型与原分块冲压成型的比较汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一
32、章 绪 论3.1 车身用高强钢的成型工艺3.1车身用高强度钢的成型工艺3.23.33.4 减少零件数量、减少结构件质量、提高结构件质量和可靠性是自由组合激光拼焊板材技术的特点。激光拼焊板在车身上的典型应用激光拼焊板在前纵梁上的应用汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.1 车身用高强钢的成型工艺3.1车身用高强度钢的成型工艺3.23.33.43.1.3 液压成型技术LoadingPre formingReverse DrawingFinished PartBlank HolderBlankPunch板材液压成型 管材液压成型汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论(a)在 成 形
33、过 程 中 (b)成 形 的 最 后 阶 段 3.1 车身用高强钢的成型工艺3.1车身用高强度钢的成型工艺3.23.33.4 周边径向加压充液拉延成型充液拉延与与翻边的复合工艺拉延成型有反向预胀形的充液拉延 充液变薄拉延黏性介质压力成型汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.1 车身用高强钢的成型工艺3.1车身用高强度钢的成型工艺3.23.33.4管材成型工艺过程大致分四歩：管材制作预弯预成型成型 液压成型采用液态的水、油作传力介质，代替刚性的凹模或凸模，使坯料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模成型。它在板材、管材加工方面能克服常规工艺的不足，具有制模简单、周期短、成本低而产品质量好
34、、形状和尺寸精度高等特点，尤其适于在一道工序内成型具有复杂形状的零件。它不仅可提高成型极限，实现轻量化设计及辅助工序与成型工序的集成。而且模具具有通用性，不同厚度、材质的坯料可用同一副模具成型，大大节省成本的优点。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.2 车身用铝合金的成型工艺3.2.1 挤压成型3.2车身用铝合金的成型工艺3.33.43.1热挤压成型冷挤压成型有利于金属塑性变形；但摩擦力大，变形性很不均匀；可获得挤压效应。少（或无）切屑加工，能提高零件的力学性能并节省材料，生产周期短汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.2 车身用铝合金的成型工艺3.2.2 压铸成型3.2
35、车身用铝合金的成型工艺3.33.43.1流变铸造触变铸造在液态金属的凝固过程中进行强烈的搅拌,得到固-液混合浆料。在螺旋压射成型机中，使金属颗粒变成浆料后压铸成型。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.2 车身用铝合金的成型工艺3.2.3 电磁成型3.2车身用铝合金的成型工艺3.33.43.1 电磁冲压机的工作原理复合式冲压示意图 利用瞬间的高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形，需要整套充、放电设备，成型速度快，效率高汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.2 车身用铝合金的成型工艺3.2.4 新兴加热吹塑成型3.2车身用铝合金的成型工艺3.33.43.1 将加热后的铝板放入加热
36、的金属模具中，利用高压空气挤压成型。适合加工形状复杂的零件，效率高，时间短。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.2 车身用铝合金的成型工艺3.2.5 其他3.2车身用铝合金的成型工艺3.33.43.1 车身的铝合金零部件的冲压，其技术原理与钢制零部件相同，只是铝制零件的成型要特别注意以下几点：1.在成型模具的设计及成型条件的选定上，要控制延展部位到最小，深冲部位能达到最大成型；2.由于铝合金板总延伸率小，变形分布不均，因此要尽可能地使加工变形分散开，以防深冲裂纹的产生；3.加工时要适当涂润滑油，以防卡模、粘附等；4.由于铝合金板的弹性模量是钢板的三分之一，弹性回复量大，故要防止模具
37、过量而造成的形状不良。因回弹增加和出现裂缝，铝合金板的冲压加工比钢板难度大。如使用专用模具，这种影响会减少，但成本很高。此外，采用铝板冲压的生产率比钢板低，因为铝板易损伤，模具需频繁清洗，从而也增加了制造成本。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论 3.3 车身用镁合金的成型工艺623.23.3车身用镁合金的成型工艺3.43.13.3.1 铸造成型挤压铸造过程示意图喷射沉积制模工艺镁合金压铸过程 不同铸造方法产生的AZ91镁合金的拉深性能对比汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.3 车身用镁合金的成型工艺633.23.3车身用镁合金的成型工艺3.43.1 不同铸造方法产生的镁合
38、金铸件的循环时间和质量指标对比对比的铸件指标低压铸造真空铸造触变铸造半固态铸造挤压铸造循环时间33142表面精度33111卷入气体33321缩孔44111可热处理性11111可焊性11111 镁合金铸造成型有压铸、半固态铸造、挤压铸造、低压铸造、消失模铸造、喷射沉积成型等方法，各有其优缺点。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.3 车身用镁合金的成型工艺643.23.3车身用镁合金的成型工艺3.43.13.3.2 变形成型 镁合金的变形加工技术主要有挤压成型和热冲压成型等。镁合金的挤压条件 合金坯料温度/模子温度/挤压速度/ms-1M141643838038820100AZ31371
39、4002323161540AZ61371400232288720AZ8036040023228847 镁合金板材热拉深成型时主要工艺参数有拉深力、成型速度、坯料温度、模具预热温度、润滑方式、模具圆角、模具间隙、压边力等，这些因素对坯料的拉深成型结果均有不同程度的影响。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论1搅拌器；2料罐；3循环泵；4热交换器；5计量泵；6混合头；7模具3.4 复合材料的成型工艺653.4.1 热固性复合材料的成型工艺3.23.33.4 复合材料的成型工艺3.1喷射成型层压成型RTM成型反应注射成型 热固性复合材料的成型工艺有喷射、层压、模压、拉挤、RTM、反应注射等。汽
40、车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论3.4 复合材料的成型工艺663.4.2 热塑性复合材料的成型工艺3.23.33.4 复合材料的成型工艺3.1由单纤维到部件 热塑性复合材料的成型工艺有冲压、挤压、模压等。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应用多种材料的轻质车身设计第1章第2章第3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 论第四章第四章 轻质车身结构的连接工艺轻质车身结构的连接工艺 汽车制造过程中采用的连接工艺主要有热装配、机械装配和粘接三大类。关于轻质材料的连接工艺主要采用点焊、激光焊、胶接、铆接等技
41、术。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.1 传统焊接技术传统焊接技术传统焊接技术熔化焊接固相焊接熔化固相焊接钎焊4.1传统焊接技术4.24.34.44.54.64.74.8 焊接既是一个装配工艺过程，又是一个复杂的冶金过程、热处理过程以及焊接变形与应力的产生过程。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.2 点焊4.14.2点焊4.34.44.54.64.74.8 点焊通常分双面点焊和单面点焊两大类。电极、工艺参数、材料厚度和属性、接头设计是影响连接质量的关键。点焊机专用电极接头的设计汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.3 激光焊接几种用于激光拼焊板工艺的焊接方法
42、比较焊接工艺优点缺点说明CO2激光焊接灵活性高，防腐性能好成本高工艺复杂应用最普遍的焊接工艺YAG激光焊接采用光纤传送，灵活性更好，非线性焊接的能力高成本高Nd：YAG激光器的能量低由于Nd：YAG激光器的输出能量正逐渐提高，较有发展潜力，新的系统正开始应用生产电阻焊可靠性高，成本较低防腐差，焊缝厚，线性焊接仅次于CO2激光焊接，比激光焊接的成本低电子束焊（非真空）高速，高能系统不完善，成本高已用于生产厚的框架零件，并正在研究用于板材高频感应焊接焊接速度快不完善，焊缝长度受限VOLVO公司已将该方法用于生产4.14.24.3激光焊接4.44.54.64.74.8YAG固体激光器CO2气体激光器
43、汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论快速激光焊接接头凝固裂纹的形成4.3 激光焊接 复合焊接 4.14.24.3激光焊接4.44.54.64.74.8 激光焊接热循环，焊接裂纹，焊接接头的软化是激光焊应用需要进一步研究的方向。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.4胶焊4.54.64.74.84.4 胶焊 图2-1 8 粘 合 剂 弹 性 模 量 与 扭 转 刚 性 的 关 系 车身扭转刚性 弹 性 模 量 l采用了面接合的形式；l提高了接合效率；l增强了刚性；l实现了结构的轻量化l粘合剂应保证胶焊工艺能够经受恶劣的形式环境而不产生失效；l确保长期使用下保持
44、比较高的弹性模量和冲击性能汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论粘合剂在汽车上的应用主要部位 奔驰S级 罗孚 大众Polo 大众Touran 奔驰E级 奔驰S级 美洲狮XJ 宝马7系 宝马1系 斯柯达明锐 奥迪A6 奔驰S级 奥迪Q7ABDC粘接长度 m年4.14.24.34.4胶焊4.54.64.74.84.4 胶焊粘合剂在越来越多的汽车上应用汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论与老款相比：一阶弯曲刚度提高34 扭转刚度增加20 质量减少7kg4.14.24.34.4胶焊4.54.64.74.84.4 胶焊05款A6老款A6零部件数345287+58焊点51026147-104
45、5铆接3640+364压铆8363+20激光焊+激光钎料0+MIG焊+Weld pin408220+188结构粘接+衬套225+17制造BIW机器603480+123激光钎料激光焊接MIG焊铆接点焊 新、老奥迪A6应用粘接剂前后的比较 从功能来分，车用胶可分为结构胶、半结构胶、密封胶和修补胶；从使用的部位来看，其又可分为车身、内饰、发动机和底盘零部件等工艺用胶。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.44.5电弧焊4.64.74.84.5 电弧焊熔化极惰性气体保护电弧焊熔化极氩弧焊钨极惰性气体保护焊激光MIC复合焊接机头电弧复合焊接的原理图 铝合金的连接多采用熔化极惰
46、性气体保护电弧焊和激光电弧焊，其焊接电流大，焊接速度快，热影响区小，生产效率高，可焊接厚件，工业上应用广泛。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.44.54.6 胶接4.74.84.6 胶接胶接剂分 类典型代表有机胶粘剂 合成胶粘剂树脂 热固性胶粘剂 酚醛树脂、不饱和聚酯 热塑性胶粘剂 -氰基丙烯酸酯橡胶 单一橡胶 氯丁胶浆 树脂改性 氯丁-酚醛混合型 橡胶与橡胶 氯丁-丁腈 树脂与橡胶 酚醛-丁腈、环氧-聚硫 热固性树脂与热塑性树脂 酚醛-缩醛、环氧-尼龙天然胶粘剂 动物胶粘剂 骨胶、虫胶 植物胶粘剂 淀粉、松香、桃胶 矿物胶粘剂 沥 青 天然橡胶胶粘剂 橡胶水无
47、机胶粘剂 磷酸盐 磷酸-氧化铝 硅酸盐 水玻璃 硫酸盐 石 膏 硼酸盐汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.44.54.6 胶接4.74.84.6 胶接胶接接头 胶接接头受力方式为剪切、拉伸、剥离和不均匀扯离。胶接接头的基本形式是搭接 铝合金表面上的氧化膜，增强了与合适的金属胶粘剂牢固和持久的支持。故连接容易及比强度高是广泛用胶粘剂连接铝组合件的原因。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.44.54.6 4.7自冲铆接4.84.7自冲铆接全铝车身连接技术和生产成本的关系 工艺简单，连接可靠，抗振，耐冲击，不会引起热变形，质量易检查，成本低
48、是铆接的特点。它是铝合金或镁合金车身使用上最多的连接方式。汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.44.54.6 4.7自冲铆接4.84.8复合材料的连接工艺l胶接l焊接l成型连接 在结合处铺上浸有树脂的玻璃布或其他材料的垫片，然后将它固化，而使零件与垫片连接起来。连续连接汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.44.54.6 4.7自冲铆接4.84.8复合材料的连接工艺复合材料的复合材料的机械连接机械连接l螺纹连接l铆接l螺纹-螺栓连接l自楔紧连接机械连接汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论4.14.24.34.44.54.6 4.
49、7自冲铆接4.84.8复合材料的连接工艺金属同复合材料的胶-铆接头混合连接胶胶铆连接铆连接胶胶缝连接和胶缝连接和胶针连接针连接凸缘连接凸缘连接复合材料结构连接方法中，螺纹连接、胶接、铆接和螺栓连接得到了广泛应用。凸缘连接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连接工艺第1章第2章第3章第4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 论第五章第五章 应用多种材料的轻质车身设计应用多种材料的轻质车身设计 随着新技术，新工艺的不断应用，传统钢结构车身正在被新材料所取代。铝、镁合金制成的车身几乎要比传统车身轻50%，而
50、高强度的碳纤维复合材料要比传统钢制件大约轻60%。采用新型材料尤其是碳纤维复合材料对于减轻汽车自重量和降低制造成本具有不同寻常的作用。不同材料车身的自质量对比 汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论5.1 轿车车身结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.4白车身由覆盖件、梁或支柱以及结构加强件组成车身前部结构设计结构是敞开的发动机舱，承受比较大的集中力，主要由前纵梁支撑，并尽可能吸收纵向碰撞能量。5.1.1 车身构造汽车车身轻量化结构与轻质材料 第一章 绪 论5.1 轿车车身结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.4 车身中部结构设计结构是乘坐舱，结构强度要求很高，主要起到承受侧面撞
