汽車輕量化與變截面薄板的應(yīng)用
發(fā)布日期:2012-11-18 蘭生客服中心 瀏覽:5072
汽車輕量化的內(nèi)涵和途徑
汽車輕量化不但可以提高車速,還能降低油耗、減少廢氣排放量和改善安全性(縮短剎車距離和減少碰撞慣性)。然而,汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化而已。首先應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響,既要有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量,又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性,同時(shí)汽車本身的造價(jià)不被提高,以免給客戶造成經(jīng)濟(jì)上的壓力。
汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和輕量化材料的使用兩大方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可以采用前輪驅(qū)動(dòng)、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達(dá)到輕量化的目的,在用材方面可以通過材料替代或采用新材料來達(dá)到汽車輕量化的目的。世界各汽車生產(chǎn)強(qiáng)國都十分重視并競相開展了各種形式的汽車輕量化研究計(jì)劃和合作研究。
上個(gè)世紀(jì)末,由來自18個(gè)國家的35個(gè)鋼材生產(chǎn)商組成的“超輕鋼結(jié)構(gòu)汽車車身”聯(lián)盟(Ultra Light Steel Auto Body,ULSAB),聯(lián)合制定了新的汽車車身設(shè)計(jì)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),其目標(biāo)是減少汽車鋼結(jié)構(gòu)車身的重量并且維持汽車的性能和造價(jià)不變。有些研究計(jì)劃還致力于提出新的輕量化設(shè)計(jì)概念,其中包括超輕的鋼車架(ULSAC)及超輕的鋼懸掛系統(tǒng)(ULSAS)等研究項(xiàng)目;中國一些科研部門和高校也在研究激光拼焊板制造車身零部件、用變截面彈簧鋼梁設(shè)計(jì)、制造車身懸架系統(tǒng)迭板彈簧,以達(dá)到保持車身抗振性能、節(jié)省材料、降低造價(jià)的目的。
實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑
據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車車身、底盤(含懸掛系統(tǒng))、發(fā)動(dòng)機(jī)三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身外、內(nèi)覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。為此,首先應(yīng)該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體說來可以有如下幾種方案:
1)使用密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料,像鋁鎂輕合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等;
2)使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼;
3)使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材,如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。
方案1)和2)是通過更換車身材料種類來達(dá)到汽車輕量化的目的。其中鋁合金具有高強(qiáng)度、耐侵蝕、熱穩(wěn)定性好、易成型等一系列優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在車身、底盤及懸掛系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪等部件的制造上得到成功地應(yīng)用,但是由于鋁合金中有較高含量的硅和鐵,使之回收再利用成為新的難題,從而影響鋁合金的更大規(guī)模使用。鎂比鋁更輕,可以作為鋁的最佳替代用品,隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展,已有60多種汽車零部件開始用鎂合金制造,世界上鎂材料的消耗日益攀升,然而在地球上,鎂恰恰是一種比較稀缺的金屬,其價(jià)格昂貴自不待說,再加上鎂合金在加工成型方面的困難,更限制了其被廣泛應(yīng)用。塑料聚合物,如連續(xù)玻璃纖維與熱塑性樹脂改性聚丙烯復(fù)合材料 (Glass Mat Reinforced Thermoplastics,GMT)是最佳的車用輕質(zhì)材料,其密度僅為金屬的1/5。用塑料制造汽車零部件所消耗的能量僅為鋼材能耗的1/2,還具有加工容易、成型性好、耐腐蝕等特性。目前轎車上使用GMT材料的零部件有800多種,主要有發(fā)動(dòng)機(jī)罩、儀表板骨架、蓄電池托架、座椅骨架、轎車前端模塊、保險(xiǎn)杠、行李架、備胎盤、擋泥板、風(fēng)扇葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)底盤、車頂棚襯架等。除了可用來制造零部件之外,還有望應(yīng)用在整個(gè)車身制造上,即所謂“全塑車身”。但是,不同種類的塑料聚合物材料的性能千差萬別,塑料的強(qiáng)度、耐沖擊性、耐蠕變性及抗老化性也是其難以克服的弱點(diǎn);且方案2)還將導(dǎo)致車身造價(jià)提高。
相比之下,至少在目前及至今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi),鋼仍然是汽車車身制造用材的最佳選擇:鋼材不僅具有優(yōu)異的性能價(jià)格比,還有長期積累起來的冶金技術(shù)和成型加工經(jīng)驗(yàn),使之在汽車行業(yè)中仍然坐擁不可撼動(dòng)的霸主地位。而方案3)正是從材料加工的角度出發(fā),使經(jīng)過特殊加工后的鋼板材料的承載性能、成型性能或者其他方面的性能大大提高。
變截面薄板及其在車身制造中的應(yīng)用
用于車身制造的變截面薄板分為兩種,一種是激光拼焊板(Tailor Welded Blanks,TWB),另一種是通過柔性軋制生產(chǎn)工藝得到的連續(xù)變截面板(Tailor Rolling Blanks,TRB)。
TWB生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用
TWB是根據(jù)車身設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求,采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起,然后再進(jìn)行沖壓。這樣,沖壓工程師可以根據(jù)車身各個(gè)部位的實(shí)際受力和變形的大小,預(yù)先為某車身部件定制一塊理想的拼接板料,從而達(dá)到節(jié)省材料、減輕重量且提高車身零部件性能的目的。在一些汽車制造強(qiáng)國,TWB已經(jīng)成為汽車制造業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)工藝,主要用來制造汽車車身側(cè)框、車門內(nèi)板、車身底盤、電機(jī)間隔導(dǎo)軌、中間立柱內(nèi)板、擋泥板和防撞箱之類的車身零部件。
由于TWB可以根據(jù)需要任意進(jìn)行拼接,因而具有極大的靈活性,并且能按照等強(qiáng)度的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)一些原來是等厚度的車身零部件,把它們由原來的鍛造加工轉(zhuǎn)換為沖壓加工,既提高加工效率,又節(jié)省加工能源。
TRB是通過一種新的軋制工藝――柔性軋制技術(shù)而獲得的連續(xù)變截面薄板。柔性軋制技術(shù)類似于傳統(tǒng)軋制加工方法中的縱軋工藝,但其最大不同之處是在軋制過程中,軋輥的間距可以實(shí)時(shí)地調(diào)整變化,從而使軋制出的薄板在沿著軋制方向上具有預(yù)先定制的變截面形狀(參見圖1)。在柔性軋制過程中,可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)軋機(jī)的實(shí)時(shí)控制來自動(dòng)和連續(xù)地調(diào)整軋輥的間距,從而實(shí)現(xiàn)由等厚度板卷到TRB板卷的軋制。這就要求在設(shè)計(jì)車身時(shí)必須預(yù)先考慮到后續(xù)成形加工中鋼板各個(gè)部位的實(shí)際受力和變形以及整個(gè)車身的承載情況,在軋制之前選定有利于后續(xù)加工的板料型面。當(dāng)前設(shè)計(jì)領(lǐng)域中,已經(jīng)具備相當(dāng)成熟和功能強(qiáng)大的CAD/CAM/CAE軟件,這種優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過DFM/DFA(面向制造的設(shè)計(jì)和面向裝配的設(shè)計(jì))等手段予以實(shí)現(xiàn)。
TRB連續(xù)變化的截面提供了有利于后續(xù)成型加工的可能性。比如,事先運(yùn)用有限元分析或數(shù)字模擬技術(shù)判斷車身覆蓋件在沖壓過程中可能出現(xiàn)拉裂或材料流動(dòng)性較大的部位,那幺,在車身設(shè)計(jì)階段就可以為某一部件的某個(gè)部位預(yù)先分配較大的板料厚度,從而有效地避免廢品的發(fā)生。
TWB與TRB的比較
減重效果
TWB和TRB 的應(yīng)用都是為了達(dá)到汽車輕量化的目的。基于工程力學(xué)中薄壁梁承載性能的基本理論,若由等厚度板、TWB及TRB三種板材制成的結(jié)構(gòu)件具有同樣的剛度,則其減重效果如圖2所示。
TRB 之所以具有極佳的減重效果歸功于它的連續(xù)變化的截面形狀,也就是說,用最少重量的TRB材料制成的車身結(jié)構(gòu)件能達(dá)到其他兩種板料一樣的剛度。
機(jī)械性能和應(yīng)用效果
由于TWB存在厚度突變和焊縫的影響,且焊接添加金屬材料與被焊接基材在材料特性上必然有一定差異,致使TWB在沿長度方向上的硬度也會(huì)發(fā)生跳躍式的變化)所示。這將為后續(xù)的成型加工帶來極為不利的影響。再者,TWB的焊縫從外觀上來說即使采用任何涂裝措施也無法徹底掩蓋,因此它不適宜用作車身外覆蓋件材料,一般只用來制作內(nèi)覆蓋件或支承結(jié)構(gòu)件。相比之下,TRB具有較好的機(jī)械性能,其在沿長度方向上的硬度變化比較平緩,沒有TWB那樣的硬度和應(yīng)力波峰,具有更佳的成型性能;TRB所制成的零部件厚度可以連續(xù)變化,以適應(yīng)車身各部位的承載要求;其表面變化是連續(xù)、光滑的,因而可以制作各種車身外覆蓋件。)
工藝復(fù)雜程度
TWB可以通過激光焊接工藝進(jìn)行任意拼接,具有很大的靈活性。但由于它用不同厚度板材的對(duì)接或搭接,拼接處板料厚度有突變;此外焊縫及其附近會(huì)產(chǎn)生局部硬化,需要一道熱處理工藝來消除硬化效應(yīng),從而加大了工藝復(fù)雜程度。TRB則是靠柔性軋制工藝在不同厚度的板料之間形成一個(gè)連續(xù)的、緩變的過渡區(qū),不存在TWB的焊縫問題。但它的不足之處是受軋制工藝和軋機(jī)設(shè)備的限制,其厚度變化只能發(fā)生在板料的初始軋制方向上;此外,現(xiàn)有的軋制工藝還無法把不同金屬材料的板料“軋制”在一塊整板上,即在靈活性上不如TWB。
由以上對(duì)比分析可知,TWB和TRB在減重、機(jī)械性能、制造工藝等方面各有自己的特色和不足之處,從綜合指標(biāo)來看,TRB具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此,為達(dá)到汽車輕量化的目的,似有一種更好的方案提出:即把TRB與TWB組合在一起,制成真正意義上的“任意拼接板”(Tailored Blanks),從而得到一種新型的汽車輕量化用材。
TRB應(yīng)用實(shí)例
在一些汽車制造強(qiáng)國(如德國),TRB已經(jīng)開始投入汽車工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用之中。)所示為一個(gè)用在“奔馳”E級(jí)轎車上的TRB原型零件。這個(gè)由TRB沖壓成型的“側(cè)框”位于轎車后部,左右對(duì)稱。前端板料厚度為0.88mm,與左右側(cè)圍相接,后端板料厚度為1.15mm,恰是汽車追尾時(shí)的敏感部位,中間區(qū)域板料厚度均勻過渡。
TRB應(yīng)用中尚需解決的問題
TRB軋制工藝及其應(yīng)用給汽車輕量化開創(chuàng)了一個(gè)良好的途徑,還將給航空航天、軌道交通車輛等輕量化結(jié)構(gòu)零部件帶來了巨大的潛力和誘人的前景。然而,TRB的概念從提出至今也不過10年左右的時(shí)間,其加工和應(yīng)用的研究還不是十分成熟,還有不少深層次的理論問題和技術(shù)問題有待解決。比較突出的問題表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。
車身覆蓋件壓模具的設(shè)計(jì)
普通等厚度板材沖壓成型的車身覆蓋件模具的設(shè)計(jì),是復(fù)雜程度和難度相當(dāng)高的工作,更何況變截面薄板的沖壓成型模具設(shè)計(jì)。因?yàn)閷?duì)于變截面薄板來說,原來基于等厚度板材所建立的力學(xué)本征模型、數(shù)值仿真模型及三維幾何模型都不再完全適用了。需要花大力氣重建這些模型,針對(duì)變截面薄板的具體變化特征來重新設(shè)計(jì)車身覆蓋件沖壓模具。
變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動(dòng)性
變截面薄板的引入使車身覆蓋件的沖壓成型過程變得更為復(fù)雜,在同樣的壓邊力和拉伸力條件下,板料各部位的變形不均勻,覆蓋件的成型更難以控制。需要進(jìn)一步建立新的數(shù)學(xué)模型,開展以高性能計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的三維數(shù)值模擬來營造“虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Real)”環(huán)境,以預(yù)測(cè)變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動(dòng)情況,從而找出相應(yīng)的對(duì)策。
板料回彈問題
-對(duì)于等厚度薄板沖壓卸載后工件回彈量的精確補(bǔ)償,與材料本身的物理非線性、力學(xué)上的邊界非線性和模具型腔的幾何非線性等密切相關(guān),工程上往往是結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)來獲取一些數(shù)據(jù),再進(jìn)行工程分析,即確定材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、各種應(yīng)力應(yīng)變曲線及材料的各相異性等參數(shù),以有限元仿真、數(shù)值模擬的手段來進(jìn)行預(yù)測(cè),修改原覆蓋件三維設(shè)計(jì)模型,最終獲得一個(gè)與所要求的工件模型不同的模具型腔模型,以比較理想地解決回彈量的補(bǔ)償。而對(duì)于TRB來說,由于其本身結(jié)構(gòu)的特殊性,即沿軋制方向連續(xù)變化的截面形狀及由此引出的材料機(jī)械性能的非均一化,將會(huì)使工件回彈問題變得更為復(fù)雜。在這一方面,以德國亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成型研究所(IBF of Aachen University)Reiner Kopp為首的研究隊(duì)伍與工業(yè)界密切合作,已經(jīng)開始了一些探索性的研究工作,并取得初步的成果;中國上海交通大學(xué)模具技術(shù)研究所也在開展類似的研究。
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