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汽车新技术概论 课程论文
常州工学院课程论文
课程名称： 汽车新技术概论 论文题目： 汽车轻量化技术
学生姓名： 班级学号：
2012 年 11 月 8日
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汽车新技术概论 课程论文
汽车轻量化技术
摘要：能源短缺及环境污染问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。汽车轻量化对于降低油耗、减少排放起着至关重要的作用。本文主要从材料轻量化，结构轻量化以及先进的成形技术来介绍汽车轻量化技术。由此可以发现，汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。 关键词：轻量化；环保；材料；设计；成形
Lightweight of Automobile
ABSTRACT：Energy shortage and environmental pollution problems have restricted the sustainable development of China's automobile industry , whether from the social benefit and economic benefit to consider, low oil consumption, low emission of the cars are the needs of the development of economical society. Auto lightweight for reducing oil consumption and emissions plays an important role. This article is mainly from material lightweight, structure lightweight and advanced forming technology to introduce automobile lightweight technology. Thus, it can be found that the automobile lightweight technology is one of the important technical measures to reduce fuel consumption, emissions and improve the security effectively.
KEYWORDS：lightweight; environmental protection；material；design；forming 1.引言 （1）苛刻的安全法规要求用提高汽车主动
安全、节能和环保已成为消费者最关心安全性和被动安全性的眼光来完善汽车的的汽车性能指标。如何开发出更安全、节能、安全设计 ； 环保的汽车也是当今汽车厂商的重点技术（2）选用轻金属材料是节油和降低排放的发展方向。汽车安全的重要性不言而喻, 涉重要方法； 及到人身安全; 节能和环保, 不仅影响到（3）选用轻金属材料是提高汽车动力性、用户的用车成本, 也关系到可持续发展。目舒适性和提高竞争力的方向。 前, 各国已有诸多安全和排放法规来强制因此，轻金属替代钢铁材料是汽车发展的重规范汽车产品的安全和环保性能。研究资料要方向。世界各大汽车公司都争相开发轻金表明, 汽车的燃油消耗与汽车的自身质量属材料。 成正比, 汽车质量每减轻1% , 燃油消耗降
钢轻金塑
低0. 6% ~ 1. 0% , 燃油消耗下降, 排放也车名 其他
铁 属 料
随之减少。因此减少汽车自身质量成为提高节能环保性能的有效途径。而白车身作为车50.5 16.4 14.0 19.1 大众路波 身骨架一般占整车质量的22% ~ 25% , 其63.0 6.0 8.0 23.0 奔驰E系 轻量化对降低整车质量意义重大。因此, 汽34.0 28.8 24.6 12.6 奥迪A2 车轻量化技术成为现代汽车开发技术一个58.3 12.8 17.1 11.8 奥迪A6 重点课题。 39.0 福特新型P2000 24.0 37.0 — 2.材料轻量化 66.0 9.0 — 25.0 福特Taurus 2.1.轻金属在汽车上的应用 BMW公司3系 56.7 11.5 14.4 —
铝、镁、钛合金材料是所有现用金属材
2.1.1.铝合金.
料中密度较低的轻金属材料(镁合金约
自70年代开始，汽车用铝量不断增加。
1.74g/cm3, 铝合金约2.7g/cm3，钛合金约
作为一种轻质材料，铝合金正日益受到汽车
4.51g/cm3。而钢的密度约7.8g/cm3），因
制造企业的青睐。目前，全世界耗铝量的
而成为汽车减轻自重，提高节能性和环保性
12％～15％以上用于汽车工业。有些发达国
的首选材料。
家已超过25％。2006年欧美日的小汽车平均
选择轻金属的意义：
用铝量已经达到127kg/辆。欧洲铝协(EAA)
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预测：在2015年前,欧洲小汽车用铝量将增至300kg/辆。
铝合金在汽车上的应用优势:
（1）汽车轻量化，节能降耗，有利环保 （2）汽车铝合金零部件回收再利用率高 （3）提高燃油效率，加大载重能力 （4）减少工序，提高装配效率 （5）安全舒适。 2.1.2.镁合金
镁是极重要的有色金属，它比铝轻，能够很好地与其他金属构成高强度的合金。我国原镁产量目前居世界第一位，占全球总产量的1／3。虽然是世界产镁大国，而在镁合金材料生产、研究及应用领域与北美、西欧、日本还有相当大的差距，处于起步阶段。
镁合金在汽车应用中的优势：
（1）汽车质量减轻、提高载荷及有效承载能力（与铝相比，镁可使重量减轻21%，与灰铸铁相比，可减轻50%）；
（2）降低废气排放及燃油成本提高燃油经济性综合指标；
（3）减震性能好，降低汽车噪音及震动。 2.1.3.钛合金
钛合金将是替代钢铁的轻量化和高性能的材料，是最具有潜力的汽车用材料。钛和钛合金应用的最大阻力来自于其高价格，所以钛合金的研制和生产工艺的开发重点都在于降低成本。
钛合金在汽车应用中的优势：
（1）铝和不锈钢在近200℃会失去原有的力学性能，而钛合金在500℃左右仍能保持良好的力学性能；
（2）在车用轻金属材料中，钛的强度可以达到与合金钢相当的高强度1500MPa，大大高于铝、镁合金；
（3）钛合金具有优异的耐蚀性能，可在恶劣的工作环境下使用。
2.2.高强度钢在汽车上的应用
高强度钢强度优于普通钢板、成本低于铝镁合金，使高强度钢板成为未来汽车结构材料的主体。
除疲劳强度外，其他各性能均正比于板厚和相应的材料性能n次方的乘积，因此高强度钢板能够大幅增加构件的变形抗力,提
高能量吸收能力和扩大弹性应变区。高强度钢板用于汽车零件上，通过减薄零件来减轻质量。与铝、镁、复合材料等相比,高强度钢板的制造相对容易,具有经济性较好的优势。
高强钢主要用于制作车身外板，车身内板以及车身结构件，这类钢铁材料和汽车轻量化关系密切：
（1）材料强度提高增加了安全性； （2）覆盖件抗凹性的改善提高了商品性；
（3）板厚减薄使汽车结构轻量化。 高强度钢是汽车轻量化的关键材料之一，近年来随着先进成形工艺与计算仿真技术的发展，高强度IF钢、DP双相钢、TRIP钢、热成形钢等在汽车部件中的用量越来越多。目前，国内钢铁企业的生产制造水各种汽车用钢板屈服强度和伸长率的关系平与国外的先进水平还有不小的差距，不少品种的高强度钢尚需要进口，国内钢铁企业应加大研发力度，早日赶上国外先进水平，为国内汽车行业的轻量化做更多的贡献。 2.3 其他材料的应用
蠕墨铸铁具有更高的刚度和强度，而简单地以蠕墨铸铁代替灰铸铁不会使零件质量减轻，但通过减小铸件壁厚即可减轻其质量。国外轻型发动机缸体应用蠕墨铸铁较多，并通常采用胀断主轴承盖的方法以简化加工工艺。如MAN公司最新推出的D2066发动机就采用了这样的材料和工艺。国内此应用较少。
也有一些车采用了非常少见的材料，例如TVR和法拉力V8采用的是一种称作凯福拉（Kevlar）的材料来制造进气管，它能获得更轻的重量，而且进气噪音与金属进气管相当。
在车用发动机上陶瓷基复合材料也有着广泛的应用。如活塞部分采用陶瓷材料后，可使燃烧室中实现部分隔热，从而减少冷却系统的容量和尺寸。在高强度柴油机中可有效降低活塞环槽区的温度，有时可取消对活塞的专门冷却。由于陶瓷材料的质量较轻，配气机构中的气门、挺柱、摇臂及弹簧座改用陶瓷后，允许发动机以提高转速来提高功率，或者在转速不变的情况下降低气门
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弹簧的弹力而降低功率损耗。气门座、摇臂头等易磨损部件用陶瓷材料后，可以减少磨损，延长使用寿命。 3.结构轻量化
车身结构轻量化也就是结构优化设计，即通过采用先进的优化设计方法和技术手段，在满足车身强度、刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命、NVH（振动噪声）、车身结构可制造性、生产成本等诸多方面的性能要求，以及相关的法律、法规、标准的前提下，通过优化车身结构参数，提高材料的利用率，去除零部件冗余部分，同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量，实现轻量化。
3.1 CAD/CAE在汽车结构设计上的应用
CAD/CAE/CAM一体化技术是典型的多媒体信息处理和多媒体软硬件集成系统。它使汽车设计与制造向着可控化，信息化，智能化和标准化的目标发展。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。利用CAD、CAE技术，可以准确实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件，还可以进行布局进一步分析和运动干涉分析等，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。
图1奥迪A8的全铝车身 奥迪A8就是这方面成功的实例，奥迪公司采用ASF技术，全铝合金车身使它的重量降低40％，只及普通中型轿车的水平。它也是世界上第一辆全铝合金量产车。
此外利用CAD／CAE／CAM技术可以用仿真模拟代替实车进行试验，对轻量化设计的车身进行振动、疲劳和碰撞分析。现代
计算机辅助工程在汽车生产上的运用，大大
缩短了汽车开发周期，同时显著提高了轻量化汽车的开发效率和制造水平。 3.2结构小型化
目的是在不增加成本的情况下，维持车身功能与抗击安全性的同时减轻汽车重量。采用轻量化技术可以减少车身重的25%。
每百公里油耗 Y与自重 X满足以下关系：
Y = 0 . 003X + 3 . 3434 (1)
对商用车的研究表明 , 汽车质量每减少1 000 kg,油耗可降低 6 %～7 %。油耗的下降 ,意味着 CO2 ,氮氧化物 (NOx)等有害气体排放量的下降。据报道 ,在美国汽车质量如果减少 25 % ,燃油消耗按减少13 %计 ,一年可节省 2 . 7亿桶石油 , 每消耗 1 L燃油 ,将产生 CO2 2～2 . 5 kg。
图2为汽车行驶过程中各个阻力对车的影响
图3为汽车质量与汽车经济性的关系 除空气动力学阻力之外，车子运动的各类阻力都和车子质量呈线性关系。由此表明，使用结构小型化的汽车对节能减排意义重大。
除了新能源汽车的开发，汽车小型化趋势正在成为缓解金融危机和能源紧张的
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