汽车技术的发展与轻量化

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1、汽车技术发展与轻量化,郭 孔 辉 2009-02-14 长春,汽车技术发展与轻量化,汽车的技术挑战与发展 汽车电动化与智能化 汽车轻量化,节能 环保 安全 方便 舒适,提高能耗效率 减少传动损失 降低空气阻力 降低轮胎滚阻 制动能量回收 减轻汽车自重 改善碰撞安全 提高行驶性能,汽车的技术挑战与发展,Standby/Idle 11%,Accessories 2%,Aero 6%,Rolling 5%,Kinetic,Braking 4%,Driveline Losses 6%,Engine Losses 66%,Engine,D/L,轿车的能耗分布,汽车挑战的相关性,节能与减排大方向是一致的

2、“吃得多，排得多” 节能与减排也有一点矛盾： 最佳工作点的不一致 安全与节能、减排基本是矛盾的,汽车传统技术的挑战,发动机和底盘电控技术的进一步发展。燃烧控制、稳定性控制、防撞控制、导航、通讯 柴油机: 继续向轿车发展 欧洲柴油轿车市场 约占一半 汽油机:在不断进步,仍是轿车的主流 新汽油机的升功率都在50千瓦以上，甚至70千瓦 传动多档化。轿车6档已是常见，重卡有16档 无级变速的近期发展：原有的AT、AMT、CVT 向DCT和勒布莱提尔6AT/8AT取代的趋势,DCT（双离合器变速箱）,多档变速与自动变速技术 节能排放要求增加档数 减少驾驶员疲劳 非职业驾驶员的增加 AMT,DCT,CVT

3、,新一代AT (勒布莱提尔6AT/8AT),5AT,新6AT,新6AT与流行5AT的比较,汽车电动化与智能化,内燃机还在进步，电动化已是趋势 纯电动车有待蓄电池的突破 我国纯电动大巴已在08奥运会成功使用 成本仍高，但利用峰谷电差价可有效益 混合动力车正在迅速发展 轻混：本田 Insight，已批量生产 重混：丰田 Prius ，已批量生产 “超重混”：以纯电动为主。比亚迪- “双模”F3DM 已投放市场 燃料电池汽车。燃料电池的成本、寿命、重量尚待成熟 我国已有研发样车（同济轿车、清华大巴） 超级电容无轨电车。上海交大最早开发。现已在上海、烟台试运行,提高动力传动系效率 减轻自重与阻耗 怠速

4、停机 部分停缸。本田 车身外形流线化。目前轿车CD值 为0.300.35，可降至0.200.25 轮胎低阻化，由f=0.007-0.009降至f=0.0055,约可提高燃料经济性68% 混合驱动。Atkinson循环 燃料电池 制动能量回收。超级电容、液压混驱 超越传动-惯性节能,节能汽车的技术途径,串联式，成本较高 并联式，由ISG膨胀而成，目前应用最多。分为“弱混驱”与“强混驱” 按驱动形式分为“共驱式”与“分驱式” 液压混驱。适合公交，制动能量回收效率高,混合驱动,FORD：,混合驱动发动机,A. “弱混”，如本田Insight,电动功率约小于25% 有怠速关机系统 部分制动能量回收 很

5、少单独电驱动 电池小，充电简单,B.“强混”，如丰田Prius,电动功率约占3050% 部分单独电驱动（短距离） 怠速减速关机 更多的制动能量回收,C.“超强混”，如比亚迪F3DM,以电动为主 Plug-in 充电 发动机应急使用 充分的制动能量回收 自重增加约 200 Kg,汽车的轻量化,不断追求的目标,轻量化与节能,汽车运动消耗的能量基本都与汽车的总重密切相关。汽车自重每减少10，燃油消耗可降低68 发改委于2004年颁布的汽车产业发展政策第十条明确提出：2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上”。 中国汽车工业“十一五”发展规划；到2010年，汽车整备质量减轻10%；新

6、产品的回收利用率超过80%，其中材料再利用率超过75%”,减轻自重是汽车发展的基本要求,近二十年来，国外乘用车平均每十年减重8%9%，商用车减重10%15%；未来十年里轿车自质量还将减少20% 我国目前自主品牌轿车的自重约比发达国家同类轿车重8%10%，商用车重10%15% 节能和新能源汽车开发中，尤其是电动汽车（包括纯电动、混合动力和燃料电池汽车）开发中，汽车轻量化问题也十分突出 确保车辆安全性是汽车减重后面临的最主要问题之一 近期颁NCAP碰撞评价结果：进口轿车与合资品牌轿车大都为45星级，自主品牌车极少数车能够达到3星级，绝大部分车为12星级，自主品牌产品的安全性亟待大幅度提高，意味着自

7、重的进一步提高,汽车系统轻量化的相关性。动力系与承载系 拓扑优化理论的应用。对汽车白车身、副车架、动力总成壳体和悬置支架等关键零部件进行轻量化设计与应用 开发承载系统新结构，减轻承载部件静动载荷 承载系统动力学优化 空气悬架与多轴悬架 消扭悬架,轻量化设计方法,高强度钢的应用,目前发达国家轿车车身高强度钢板用量已经占到整车自质量的40%50%，而我国自主品牌产品目前平均不到10%，个别车型达到20%。 国外在大量应用高强度IF钢、烘烤硬化钢、强度590MPa级以上的双相钢（DP钢）、相变诱导塑性钢（TRIP钢）和复相钢及马氏体钢，有效提高了车身的抗弯扭刚性和抗碰撞能力 车门B柱和车门内防撞杆多

8、用强度级为1500Mpa的热成形马氏体钢 在商用车领域，发达国家已普遍分别采用屈服强度为700MPa高强度钢和1400MPa级弹簧钢制作悬架变截面弹簧；我国商用车大梁板多用345MPa级钢板，弹簧板多用屈服强度为1100MPa以下强度钢，两大总成质量明显大于国外车。,铝镁合金的应用,发达国家铸造铝合金与形变铝合金均已形成完整系列，得到广泛应用，轿车每车平均用量已达120公斤左右，预计2010年将达到每车150180公斤水平 我国目前主要应用的是铸造铝合金，变形铝合金品种少，没有形成系列，汽车可批量冲压用铝板还没有自给，锻造铝合金也没有应用，平均每车用量约为国外的1/2 镁合金在发达国家也有较完

9、整的系列，世界平均每车用量为3公斤左右，德国实际应用领先，为915公斤，预计今后每年将快速增加用量 我国没有形成镁合金的完整系列，平均每车用量约1公斤左右，个别企业间断生产使用达到9公斤/车，“十五”和“十一五”国家均安排了专项科技项目,塑料及复合材料的应用,近几年国外汽车塑料的用量稳步增长。日本每车平均用量已达到100公斤，占整车自质量的8%10%，美国轿车每车用量116.5公斤， 占整车自质量超过10%。同时，目前国外车用釜内合金PP塑料的应用也正在以每年2.22.8%的速率增长 在我国，目前经济型轿车塑料的用量为每车5060公斤，中高级轿车为每车6080公斤，全行业平均每辆汽车塑料用量占

10、整车自重的5%10%，主要差距表现在釜内合金PP塑料的应用和塑料复合材料的应用水平方面,内高压成形技术的应用,内高压成形技术（Hydroforming）是以管坯作原料，通过适当的模具和液体压力，一次成形零部件，代替多个零件分别成形再组焊成所需的零部件，可以减少零件数量和重量，提高质量和降低成本，是近来深受重视的新技术 近年来，国外相关技术发展很快，生产发动机副车架、散热器支架等部件，副车架由原来6个零件的组焊件变成一个管坯液压成形件，减少质量40%；散热器支架由17个零件减少为10零件组成，减重24% 我国目前这一技术还没有得到应用，合资企业所用相关产品全部依赖进口。,激光拼焊板成形技术,从合

11、理用材出发，将几块不同强度级别、不同厚度或不同规格的钢板用激光拼焊成一个冲压毛坯，再冲压成零部件，代替分别进行冲压再组焊的零部件以减轻了整车自重。目前该技术在国外已经得到广泛应用，已经建立有数十条生产线。 在我国，目前已经建立有6条激光拼焊生产线。但由于受到产品设计、模具开发等方面技术的制约，该技术的应用受到很大制约，用件与品种较少，使用范围不够广，该技术的优势没有得到有效发挥。 目前还进一步发展渐变厚度板料的成形技术,热成形马氏体超高强度钢的应用,为解决提高轿车的碰撞安全性与轻量化的矛盾，轻量化与超高强度钢的成形困难的矛盾，国外已开发了热成形用钢板和热成形技术 重要的防撞件的材料强度已提高到

12、1500MPa 国外一些车型的门B柱，防撞杆及门槛和边梁等构件已经应用该技术。是轿车达到NCAP五星级碰撞水平的重要技术 在我国，该技术处于研发阶段，合资企业所使用的零件全部来自国外,有色金属半固态成形技术,有色金属半固态成形技术能够有效提高铸件质量和强度，且有利于汽车生产过程的节能环保 国外已广泛应用。我国，该技术曾被列入“九五”、“十五”863计划。经过近十年的技术攻关，在汽车非受力零件生产中得到一定程度的应用，但尚未在汽车强度件上批量使用 轿车支架件、悬架导向杆件等是重要的受力件，也是国外目前铝合金半固态成形技术已经广泛应用的领域（奥迪的锻铝转向节与控制臂）,等温淬火球铁的应用,ADI的

13、特性：热处理中温相变生成贝氏体与残余奥氏体 高强度：抗拉强度800-1600 Mpa 韧性高：延伸率 =1-10% 冲击韧性：k=10J/Cm2-120J/Cm2 弯曲疲劳与接触疲劳强度高，与低碳合金钢相当 国外已用于制造齿轮、曲轴、悬架与传动系的支架与托架、控制臂万向节、轮毂等,结 语,节能、环保、安全是汽车技术的永恒主题 与之密切相关的轻量化问题是汽车技术不断追求重要目标。为此必须掌握轻量化的材料技术和成形技术 掌握高强度钢、铝镁合金和塑料复合材料等轻量化材料应用技术，实现高强度钢在轿车车身上的大量应用，提高商用车车架提高强度级别，推进铝镁合金在车身、底盘、动力总成上的应用和塑料复合材料在典型零件应用 掌握轻量化材料先进成形技术，推进应用 内高压成形技术 铝合金半固态成形技术 激光拼焊板成形技术 超高强度钢热成形技术（热成形马氏体超高强度钢应用） 有色金属半固态成形等先进轻量化制造技术,谢谢！,掌握轻量化的材料技术和成形技术， 为自主品牌的健康成长而共同努力！,