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【技術干貨】汽車新技術下篇:汽車輕量化分析
發布日期:2019-05-16  來源:人民交通出版社股份有限公司  作者:史文庫  瀏覽次數:267
核心提示:10.4:輕量化設計的先進成型技術當今世界主流工藝技術主要有三種:一是激光拼焊板技術;二是液壓成型技術;三是高強度熱成型技術
 
10.4:輕量化設計的先進成型技術
 當今世界主流工藝技術主要有三種:一是激光拼焊板技術;二是液壓成型技術;三是高強度熱成型技術。 接下來就對這三種技術進行簡單的介紹。
10.4.1:激光拼焊
拼焊技術,即可將經不同表面處理、不同鋼種、不同厚度的兩塊或多塊鋼板通過一種焊接方法使之組合在一起。然后經沖壓成型后獲得高性能沖壓件的技術。 經這種拼焊技術而生成的板件稱為拼焊板。 激光拼焊板的原理如圖10-13 所示:
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       近年來激光拼焊發展迅速在汽車上已經得到了廣泛的應用。主要用于差強度、差厚度或不同表面處理狀態的零件整體成型。可以根據車身各個部位的實際受力和變形的大小,預先為各車身部件定制一塊理想厚度的拼接板,從而達到節省材料、減輕質量且提高車身零部件性能的目的。并且還能實現不同材料板材的焊接,從而進一步發揮了其減重的潛力。 其應用的典型零件如圖10-14 所示:
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激光拼焊技術具有很多優點主要有:
(1)減少了零件數量  通過激光拼焊板的使用?將原來多個零部件沖壓后,再用點焊連接起來的工序轉變成通過激光拼焊將多張鋼板連接在一起后,再將其沖壓成一個零部件的工序。
(2)減輕了零件質量  由于采用不同厚度鋼板進行拼接。對不承受載荷或承載較小的部位。可采用比原先更薄的鋼板,從而減輕了車身的整體質量。
(3)提高了車身耐蝕性
(4)提高了車身質量和安全性
10.4.:2:液壓成型
       液壓成型是指采用液態的水、油作為傳力介質代替剛性的凹模或凸模?使坯料在傳力介質的壓力作用下貼合凸模或凹模成型。由于用液體代替模具,不但減少了模具數量,降低了費用,還提高了產品質量和成型極限。可以實現車身輕量化設計。液壓成型按成型毛坯的不同可以分為管材液壓成型和板材液壓成型兩種,分別就兩種液壓成型方式作簡要論述。
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管材液壓成型的基本原理如圖10-15 所示:
 
     液壓成型件在汽車上的其他應用如圖10-16所示,管件液壓成型特別適用于制造汽車行業中沿構件軸線變化的圓形、矩形截面或異型截面空心構件和空心軸類件、復雜管件等。
     管材液壓成型技術在車身中主要用來加工一些結構件。如前風窗玻璃支架、前風窗玻璃與側窗玻璃的隔離條。側窗玻璃之間的隔離條、空間骨架、座椅骨架、減振機架等。
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10.4.3:熱成型技術
       熱成型技術是將熱處理技術(淬火)與冷沖壓相結合的制造工藝。可以成型強度超過1600MPa 的超高強度鋼板、高強度鋼板熱成型(也稱作熱沖壓)技術越來越受到工業界的關注。熱成型技術的優勢是:能夠成型強度高達1. 5GPa 的復雜承載零部件高溫下材料塑性、成型性好,能一次成型復雜的沖壓件。高溫下成型能消除回彈影響。零件精度高,成型質量好。 熱成型工藝是沖壓成型領域的前沿技術,可廣泛應用于汽車前、后保險杠、A 柱、B 柱、C柱、車頂構架、車底框架以及車門內板、車門防撞桿等構件的生產。
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      另外、熱成型技術的成產效率偏低、制造成本比冷成型件高。因此,熱沖壓成型技術今后將朝著高效率、低成本、強韌化、節能方向發展? 其中熱成型在車身上的應用如圖10-19所示。
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10.5:汽車輕量化評價
       全球汽車行業燃油經濟性和排放要求日益嚴格,高效動力系統、先進發動機、整車小型化和輕量化技術等在近年來得到廣泛研究和應用。 輕量化技術的應用成為現代汽車發展的主要趨勢之一。針對汽車輕量化水平的合理、準確評判對于指導汽車設計、制定相關法規以及出臺國家鼓勵政策等具有重要意義。
10.5.1:車身輕量化系數及車身結構利用系數
       白車身輕量化系數作為汽車輕量化的表征參量和評價指標?考慮了車身扭轉剛度、車身大小、質量水平。對白車身材料的合理使用、結構優化設計有重要意義,發展成為汽車行業車。身輕量化水平的重要評價方法。 圖10-20 為車身輕量化系數中各參數的示意圖。
 
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        由式(10-2)可知,若減小車身輕量化系數?可以通過提高剛度或降低白車身的質量來實現。若車身的質量不降低或降低很少?只需去提高車身的扭轉剛度也會實現降低車身輕量化系數的目的。但顯然這不是輕量化的目的?既未能實現整車質量的真正下降,更主要的是不能實現節能減排。 因此,車身輕量化系數僅可作為一個參考指標,不是評判一個車型輕量化水平的絕對指標。
10.5.2:車身輕量化評價指標
        通常輕量化是與原標桿車相比較時的相對值,因此為了更直接地反映輕量化的效果。也為了消除輕量化系數L 的量綱,于是提出了輕量化指數Li 作為表征輕量化效果的指標。即:
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式中: L1 、L2 ———輕量化設計前后的輕量化系數或者車型輕量化前后的其他性能指標。
10.5.3:整車面密度
        吉利汽車公司的姚再起等人認為人們對整車舒適性的要求。使內外飾、電子電器的比重明顯增加。從而大大增加整備質量,動力性能的提高也明顯增加發動機和動力系統質量。 因此,消費者能夠從感官體驗到的車的各項性能指標可以讓市場去衡量,輕量化評價只考慮整備質量水平更合理。在此基礎上,不考慮整車各項性能,對于同類車型的輕量化指標可僅考慮整備質量和輪邊距和軸距乘積所得投影面積(車型大小)即整車面密度的概念。如下式:
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       如圖10-21 所示,在平均線L0 附近的車型接近輕量化平均水平。在實線右下方的車型的輕量化水平較高,而在實線左上方的車型的輕量化水平較低,若將考察車型的對應數值標注在圖中相應位置。可明顯看出輕量化水平高低,但難以量化直觀表達。
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10.5.4:零部件輕量化評價
       總體上講,隨著車型增大,相應零部件質量也會增加。也就是每個零件、部件、分總成、總成都占整車的一定比例?若低于平均值。那么說明此零部件的輕量化水平較高。若高于平均值,那么此零部件的輕量化水平較低。假設零部件質量為Wi ,整備質量為Wk , 同時針對白車身或其他總成。也可計算所包括零件在整車、整個總成中的輕量化水平。如下:
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10.6:輕量化技術路線
        輕量化技術的應用是一個完整的系統,涵蓋行業多、學科多、產業鏈長必須從輕量化的概念入手。通過:產品的優化采用輕量化設計—材料的選擇實現輕量化應用—工業的處理得到輕量化結果—產品的試驗與產品全生命周期評價給出輕量化評價。因此,輕量化概念就目前研究的現狀。集中體現在優化設計、新材料、工藝和輕量化評價4 個方面。一些典型車身零件的功能和材料性能的關系列于表10-7
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不同結構件的功能要求不同,所對應材料的性能也不相同。 對于車身輕量化設計時應考慮的一些構件功能和對應的材料選擇時應考慮的材料特性列于表10-8。
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所以在進行零件輕量化設計時要遵循一定的技術路線(圖10-22):
(1)根據零件的受力和功能要求。按照表10-7 和表10-8 所列相關參量。通過對每個部件的輕量化目標和應力分析,優化設計完成后,才可確定輕量化材料。
(2)當采用輕量化的結構材料時,它可能會提高半成品的成本和打破原來的維修習慣,增加維修成本。因此必須通過幾何形狀優化和相關結構的輕量化優化設計,使零件的成本降至最低。
(3)對于輕量化材料的零部件進行應力應變分析和疲勞分析等,保證原有的結構的性能不發生改變。
(4)通過合理選擇輕量化材料和輕量化設計相結合以及先進的加工技術,使之達到質量和成本的最佳匹配,準確確定每千克減重的成本保持在可以接受的限度內,否則會導致輕量化設計缺乏市場競爭力。
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