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1、At&m fm 界AT&M FIELD O F VISION汽车的轻量化技术与节能环保汽车轻量化是当前汽车工业的发展方向，也是当前节能环保的重要策略。本文重点阐述轻量化材 料技术、先进轻量化工艺、轻量化结构设计及轻量化连接技术等关键技术，讨论汽车轻量化与节能环 保关系，提出了我国汽车轻量化技术与节能环保的发展方向。 上海汽车集团股吩有限公司新能源汽车事业部冯 奇范军锋 王斌凌天钧2010年第2期汽车工艺与材料 AT&M#At&m fm 界2010年第2期汽车工艺与材料 AT&M#At&m fm 界ifW 发现结沟I可阳刚庚不足） 员贾册门.CAE
2、 都门；3步二定义优化区.确宗形編忧化會15CAE 伶作部Ch CAD步五:详细焙构设计MW CAD协作部门OE步畀三：优化计算，评价优化结妥 奂实部门.CAE惋作部门：CAD步骤四琼岀化化绘制AJG条不均布, 不等空的加34筋）负黄部门CAE协作部Ph CAD图3步睐夭：駆冬方负责郎门CAE协“部门.CADAT&M1前言随着我国汽车产呈和保有呈的不断攀升，我国汽车 的能源消耗和有害排放逐年递增。在日益短缺的能源状 况和日益恶化的环境状况下：发展节能、低排放的汽车 技术是减少能源消耗和减少环境污染的必由之路。为了达到降低油耗、减少环境污染及节约有限资 源的目标。目前，从国际发展趋势上看
3、，解决汽车节 能环保问题的主要措施如下。一是发展电动汽车等新 型能源汽车；二是大力发展先逬发动机技术；三是汽 车轻星化。比较以上3种主要措施，在当今发动机技 术提升难度日益加大的背景下，减轻汽车自身质呈， 是节能环保的最有效措施之一。2汽车的轻量化技术汽车轻呈化技术是实现节能环保目标的重要途 径，下面介绍目前主流的汽车轻量化技术。2.1轻量化环保材料随着汽车轻量化需求，新环保材料（材料本身具有 环保性和可回收性）将扮演愈来愈重要的角色。目前， 可用来减轻汽车自身质虽的新环保材料有两大类：一类 是高强度材料，如高强度钢、高强度不锈钢、结构钢、 高强度铸铁和粉末冶金等；另一类是轻质材料，如铝合 金
4、、镁合金、钛合金、塑料和复合材料、精细陶瓷、金 属基复合材料、非金属基复合材料等。2.2轻星化绿色制造技术(1 )激光拼焊板技术激光拼焊板技术是根据汽车零件设计的要求，将 不同厚度、不同强度和不同镀层种类的钢板，通过激 光拼焊成一块整体板，然后再进行冲压得到所需零件 形状的工艺技术。激光拼焊工艺与传统工艺对比见图1。它最显著 的优势是，减少了零件数量和材料消耗，减轻了整 车质虽，简化了装配工艺，因而得到越来越广泛的 应用。落料个体成形穿播落料濒光炜接整体成吃图1传统工艺和激光拼焊对比目前，在汽车上的应用主要有前/后车门内板、 前/后纵梁、侧围、底板、车门内侧的A/B/C立柱、轮 罩、尾门内板以
5、及车身等。(2 )液压成形液压成形技术是把管状或板状材料放在密封的 模具中，然后采用液态的水或油替代刚性的凹模或凸 模，使板料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模 成形。由于液体替代了刚性模具，不仅减少了模具数 量，降低了费用，还可以提高产品质量和成形极限， 从而实现轻量化设计。使用液压成形方式制造的零件，可将原来分割成数 个零件组合的部件，改为用单一零件代替，减少了零件 组合的工作，同时增加了车体的刚性，从而达到减轻质 虽、降低戌本的目的。典型的零部件有底盘、发动机支 架、排气系统与悬挂系统等。成形原理见图2。(3)热成形热冲压成形技术是将钢板加热到Ac3点以上的A (奥氏体)区域进行冲压成
6、形，然后在冲模中从Ar3 相变点以上进行急冷，以获得具有均匀马氏体组织的顾形最终产品图2金属板料液压成形原理高强钢构件的成形方式。热冲压原理见图3。热冲压 技术优势：a.具有高的强度且具备良好的延展性， 保证复杂零件的成形；b.可适当降低零件的厚度， 有效减轻零件质呈；c.具有高的尺寸精度；d 降低 压机的吨位；e.能够提高整车的碰撞性能。目前， 应用轻量化热成形技术的车身零部件有前、后保险 杠、A柱、B柱、中通道、前门防撞梁、防撞杆等。机直人加热炉及保护气单元桥帀机:泰噩图3热冲压工艺原理(4)钢板柔性轧制技术一一辗压成形技术钢板柔性轧制技术是指首先将截面厚度变化的规 律输入计算机，工作过程
7、中在计算机的控制下自动调 整轧银间隙，使钢板的厚度按规定的要求呈周期性变 化，从而得到可变截面厚度的钢板卷料，这种卷料可 广泛用于车身零部件。(5 )其他技术新兴的渗浸陶瓷工艺，陶瓷碳素技术，纳米材料 技术也将是未来选项。2.3轻量化结构优化设计技术车身的结构优化是指在车身开发阶段应用CAX 体仅技术，用数值模拟技术代替实车试验，对车身进 行静刚度、振动、疲劳和碰撞等结构性能分析，得到ra 7r & mf iELD0 FV S 0 Nr车身的力学结构性能，并应用现代优化技术对车身结 构进行优化。当前主流轻呈化结构优化设计技术有拓扑优化设 计、零部件整合、汽车小型化、形状优化等。2.4环
8、保型连接技术环保型连接技术要求以自然资源的保护和生产 过程的优化为目标，替代传统连接方式，且符合经济 性、环保性、安全性的基本要求。当前，主流环保型 连接技术有冲钾、激光焊接、迭边压接、超塑性扩散 连接等。3汽车轻量化技术对节能环保的贡献(1) 新环保材料汽车使用新环保材料以后，整车质星随之减轻。带来的好处不仅是性能更好，操控更灵活。除此以 外，耗油量也会大幅下降。更重要的是铝合金、镁合 金都是可以不断循环再造的金廉，虽然首次铸造铝合 金和镁合金比钢所用的能源增加，但轻量化汽车行驶 时所省能源很快便弥补了铸造时的能源。在循环使用 时，铝合金所需的能源亦远比再造钢铁为少。从长远 看，镁合金、铝合
9、金的轻呈化、100%循环再制造等 特性，都是发展环保事业中不可不使用的金属材料。以塑代钢的塑料零部件可减轻整车质呈，是汽车 轻呈化的重要轻质材料，其中75%塑料还可以循环冉 利用，可以大幅降低能源消耗和推动环保进程。(2) 轻量化绿色制造技术轻屋化绿色制造技术如激光拼焊板技术、液压成 形技术、高强钢热成形技术等简化了模具，缩短产品 周期，能制造出其他工艺无法实现的复杂结构，不但 对提高汽车性能，减少零件数量和汽车轻屋化有十分 重要意义，而且能降低制造零部件能源消耗，减少环 境污染。(3) 轻呈化结构结构优化技术能从根本上促进汽车轻量化发展。可以广泛采用现代优化技术对车身结构进行优化，在 确保车
10、身的功能、性能和质量的前提下，去除冗余材 料，使车身部件精简化、小型化、薄壁化和中空化， 以达對减轻整车质呈的目的，从而降低整车运行过程 中的能耗和排放。(4) 现代连接技术现代连接技术如激光焊接、锁钾连接、压力连接 等除了在节能、环保、安全上比传统的焊接工艺具有 其先天的优势外，同时在不同特性材料连接、合金材 料连接、镀层材料连接等方面具有绝对优势。4汽车轻量化技术节能环保的LCA评 估全生命周期分析(Life Cycle Analysis, LCA )是 一种用于评价产品在其整个生命周期中，即从原材料 的获取，产品的生产、使用直至产品使用后的处逻过 程中，对环境产生影响的技术和方法。这种方
11、法被认 为是一种"从摇篮到坟墓”的方法。按国际标准化组 织的定义(ISO 14040 ),生命周期分析是对一个产 品系统的生命周期中的输入、输出及潜在环境影响的 综合评价。根据全生命周期分析方法，对汽车轻量化 的4种主流技术逬行分析和比较如下。(1 )新环保材料不仅本身具有环保性和可回收 性，目以减轻整车质呈，而且减少材料使用和浪费， 降低整车运行过程中的能耗和排放。(2 )绿色制造技术不但简化了模具结构，缩短了 产品的生命周期，而且可以制造出其他方法所不能制 造的复杂工件，这对提高汽车性能、减少零件数量和 减轻汽车自身质量有十分重要的意义，在制造过程中 可实现节能环保。(3)先进的
12、结构设计理念可从根本上杜绝资源 浪费，可以使资源达到合理配置，不但提升整车性 能，还可以优化零部件结构，是减轻整车质虽的垂 要手段。(4 )现代连接技术以经济性、环保性、安全性为 基本要求，以轻呈化连接为目标，可以从根本上降低 能耗和减少污染物排放。(下转第们页)2010年第2期汽车工艺与材料 AT&M7At&m an 界AT&M FIELD 0 F VISION2010年第2期汽车工艺与材料 AT&M11At&m an 界AT面处理试脸研究。开展了镁合金材料及铸造工艺的研 究与开发开展了镁合金铸造工装设备的开发及应用 大型薄壁复杂镁合金零件的机械加工技
13、术，建立了镁 合金技术标准和铸造工艺规程。见图6。东J4H300-20发Q机筷合金世轮室4 560g）图6C.非金属材料的应用研究在非金属材料方面的研究主要有：热塑性发动 机气门室置盖；商用车底盘功能件固定支架塑料化应 用；塑料燃油箱的开发及性能研究；空气悬架系统橡（上接第6页）5汽车轻量化技术在节能环保方面的 应用汽车轻量化技术不是汽车零部件的简单材料替 换，工艺更新，结构优化和使用先进连接技术，而是 一个涉及到技术、经济、能源、环境等多方面的复杂 系统工程，它不但是国家能源安全的战略需求，也是 节能减排的战略需求，需要将从材料到汽车零部件结 构设计和检测、绿色制造、轻量化连接、汽车零部件
14、回收再制造、零部件维修等关键技术集成开发与应 用，需要各项关键技术相互支撑。上海汽车新能源汽车事业部以科委要求新能源汽 车整车减轻质呈7%10%为目标，与同济大学、上 海交通大学、上海理工大学等开展产、学、研合作， 重点针对车身、底盘、动力系统零部件，集成开发和 研究新材料、新工艺、优化设计、先进连接工艺。以 胶减振件的设计；EPDM中冷器出气胶管的开发及应 用；顶盖扶手气辅注塑成型应用研究；D310驾驶室 非金属材料设计及零部件性能研究；D530驾驶室非 金属材料设计及零部件性能研究。4结束语轻星化是汽车工业发展的关键，是汽车产品研发 的方向。随若国家节能减排、绿色环保政策法规的逐 步实施，
15、汽车轻虽化为越来越多的企业所重视；东风 公司近年米开展了一些工作，针对局部细分市场，开 发了一些轻屋化车型。存在的主要难点是商用车超载 情况比较严重，对载荷的预知性把握相对困难。今后要充分发挥轻呈化联盟的作用，行业信息 共享，行业共同促进，进一步加大新材料、新工艺的 研究与应用，进一步加大零部件总成轻量化的技术研 究，加大投入，与钢厂、高校、研究机构合作，进一 步推进轻量化工作向产业化、商品化的转化。幽仪表板骨架轻呈化开发为例，原钢制仪表板骨架质星 为5.545 kg,采用镁合金材料进行全新优化设计，结 合牛进制造工艺，新的镁合金产品质呈为1.895 kg, 达到减轻质埜65%。6结束语当今世界，环境的日益恶化成为摆在人类面前 的重大难题，保护环境、减少有害物排放是全世界的 共同目标。汽车作为能源消耗、资源消耗及排放的大 户，降耗、减排、降重成为其技术发展的重中之重。综上所述，汽车工业快速发展的今天，随若环境 保护呼声愈来愈高，我国汽车工业应推广使用新环保 材料和轻莹化绿色制造技术，重视汽车轻呈化结构优 化设计和汽车材料回收利用技术，在政府、生产商和 消费者的共同努力下，来实现我国汽车轻呈化，生产 适合我国国情的轻量化、节能环保型汽车。2010年第2期汽车工艺与材料 AT&M#