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汽车轻量化与变截面薄板的应用

2017-09-15

汽车轻量化的内涵和途径 
汽车轻量化不但可以提高车速,还能降低油耗、减少废气排放量和改善安全性(缩短刹车距离和减少碰撞惯性)。然而,汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响,既要有目标地减轻汽车自身的重量,又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性,同时汽车本身的造价不被提高,以免给客户造成经济上的压力。 
汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的,在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的。世界各汽车生产强国都十分重视并竞相开展了各种形式的汽车轻量化研究计划和合作研究。 
上个世纪末,由来自18个国家的35个钢材生产商组成的“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。有些研究计划还致力于提出新的轻量化设计概念,其中包括超轻的钢车架(ULSAC)及超轻的钢悬挂系统(ULSAS)等研究项目;中国一些科研部门和高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簧,以达到保持车身抗振性能、节省材料、降低造价的目的。 
实现汽车轻量化的主要途径 
据统计,汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此,首先应该在白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构用材,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、底盘及悬挂系统、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金属,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料(Glass Mat Reinforced Thermoplastics,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。 
变截面薄板及其在车身制造中的应用 
用于车身制造的变截面薄板分为两种,一种是激光拼焊板(Tailor Welded 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(Tailor Rolling Blanks,TRB)。 
TWB生产工艺及其应用 
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件性能的目的。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。