行业专家畅谈汽车轻量化发展访汽车轻量化技术创新战略联盟专家讲解.docx
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行业专家畅谈汽车轻量化发展访汽车轻量化技术创新战略联盟专家讲解
行业专家畅谈汽车轻量化发展——访汽车轻量化技术创新战略联盟专家
2012中国汽车轻量化技术研讨会于2012年9月1011日在北京召开。
《汽车工艺与材料》杂志社作为本届研讨会的协办单位之一,特约汽车轻量化联盟专家委主任陈一龙先生、中国第一汽车股份有限公司原副总工程师柏建仁先生、中国汽车工程研究院有限公司副总工程师马鸣图先生、哈尔滨工业大学材料学院苑世剑院长、刘刚教授和吉林大学汽车学院王登峰教授就我国汽车轻量化材料、工艺及相关技术问题进行了访谈。
AT&M记者:
谈谈您对电动汽车轻量化问题的看法。
陈一龙:
电动汽车作为未来汽车的发展方向,受到各国政府的高度重视,我国政府亦将其纳入战略新兴产业,发布了鼓励电动汽车产销的政策,并作出产业化的规划,这无疑是汽车工业发展的大好机遇。
然而,产业化的电动汽车与轻量化的关系问题却一直没有受到各方面的足够重视,值得认真探讨。
2011年第4期《中国汽车参考》刊登了“德国国家电动汽车平台报告”,介绍了德国国家电动汽车平台灯塔项目的内容。
显然,德国把电动汽车的轻量化列为实现产业化的关键技术之一。
2011年的奥迪A3e-tron纯电动汽车自重1592kg,只比125kW的奥迪A3sportback2.0TDIquattrro略重,在达到这种轻量化水平下,仍在轻量化上投入大量资金作为单列重大项目进行研究与开发,值得深思。
据“报告”所说,轻型车身立项原因很简单,就是要平衡电池引起的质量增加。
其作用定位是,使德国电动汽车和国际竞争对手在技术上平起平坐,更可能使德国在电动汽车技术上获得领先优势。
这句“和国际竞争对手在技术上平起平坐”是我们必须考虑的。
解析一下就是,没有一定轻量化水平的电动汽车是没有市场竞争力的,是不可能实现产业化的,只能做示范用。
在这种认识下,我们看一看国内电动汽车的质量控制情况。
目前国内自主品牌电动汽车的质量变化,与同类对标燃油汽车相比,增重均在30%以上;而合资品牌的增重在6%16%,不要与国外“略微增重”(5%相比,已是大大落后了。
如果再考虑碰撞安全性,国外电动汽车均达到欧洲NCAP五星碰撞标准,自主品牌电动汽车能得几个星呢?
由此看出,电动汽车的轻量化问题必须敲起警钟了。
其实张小虞先生2010年就讲过,轻量化问题已经成了横亘在电动汽车发展过程中的鸿沟和大课题。
其含义有三:
一是受电池水平影响,电动汽车更需要轻量化;二是没有相当轻量化水平的电动汽车由于缺乏竞争力,不可能实现产业化;三是电池、电机、电控系统的成本居高难下,国家已拿出巨额资金补贴电动汽车的销售,电动汽车轻量化面临成本控制的巨大压力。
无论如何,电动汽车应当是具有相当轻量化水本刊记者纪维萍
平的汽车,而不是单纯靠电池驱动的汽车,它们应当有轻量化的定位,达不到定位的电动汽车应当暂停开发和补贴,否则是对资源的浪费(不可能实现产业化。
人们应当知道,汽车轻量化技术是共性基础应用技术,是各种汽车不可绕开的技术。
总之,电动汽车列为国家战略新兴产业是汽车工业发展的重大机遇,但实现电动汽车的轻量化又面临巨大的挑战。
因此,电动汽车轻量化技术路线问题理应受到行业和政府有关部门的高度重视。
AT&M记者:
请您预测一下未来汽车车身的主体材料。
柏建仁:
为了说明这一问题,先看一下目前应用现状及各种材料的优势与劣势。
车身轻量化途径包括车身设计、材料技术与制造技术三个方面。
从材料技术而言,车身应用的材料有钢铁、铝合金、镁合金及树脂基复合材料。
依据车身应用的材料构成,将车身分类为钢车身、以钢为主多种材料混合车身、铝车身及复合材料车身。
选择材料与相关的制造技术取决于车的技术目标及成本结构。
目前,市场上有多种车身概念。
钢车身:
通过应用更多的高强度钢及先进制造技术减重,与软钢相比高强度钢一般减重10%25%。
应用高强度钢及先进制造技术,可提高燃油经济性,提高被动安全性。
与其他材料相比,钢的价格也较低。
典型例子为大众汽车的PassatCC,高强度钢应用比例为81%,其中超高强度钢应用比例为29%。
多种材料混合车身:
车身材料以钢为主,其次是铝合金、复合材料及镁合金。
多种材料混合车身充分挖掘了各种材料的潜力,如铝保险杠梁改善了低速碰撞性能,铝发动机罩改善了行人保护性能。
典型例子是大众汽车BentleyContinentalGTC,发动机罩及门防撞梁用铝合金,行李箱盖外板用热固性复合材料SMC,行李箱盖内板用镁合金。
铝车身:
铝密度小,铝零件与钢件相比减重可达50%以上。
如果对零件简单地以铝代钢,减重可达40%50%,比以变强度钢代替普通软钢减重更多。
但由于铝材价格高,铝车身一般用于高级轿车,目前新能源汽车应用铝车身也是一种趋势。
铝车身包含全铝车身及以铝为主的车身。
典型例子是AudiR8用铝100%,AudiTT用铝69%。
在用铝很多的车身中,也发挥其他材料改善车身性能的优势。
如AudiA8用铝比例92%,部分采用了钢板,如侧面碰撞的关键零件——B柱使用钢板。
复合材料车身:
以复合材料为主的车身。
复合材料也是轻质材料,减重效果明显。
典型例子是丰田汽车LexusLFA车型,应用纤维增强复合材料41.3%、SMC13.7%、铝40.4%。
在欧洲车身会议文献中,自2006年至2011年发布了72个车身,其中有32个钢车身、30个以钢为主多种材料混合车身、8个铝车身及2个复合材料车身。
从上述可见,在相当长的时间里,钢作为车身主体材料的地位会继续保持;多种材料混合车身是发展趋势,钢的用量会逐渐减少;高价格车、新能源车车身应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。
AT&M记者:
谈谈您对高强度钢应用现状的看法。
柏建仁:
从上世纪70年代石油危机开始应用高强度钢,初始目的是提高燃油经济性。
伴随着汽车工业发展,环保及安全日益重要,高强度钢应用也越来越多。
以日本轿车车身高强度钢板应用比例进展说明:
1980年为8.7%、1992年为23.3%、2000年左右为40%、2002年达到50%。
高强度钢应用进展主要表现在以下几个方面:
车身设计理念变化、应用比例增加、钢的强度提高、零件制造技术发展。
最近几年国外开发的新车,乘用车车身高强度钢应用比例平均约为60%,多的达到80%以上。
第一代先进高强度钢应用比例增加,应用比例高的大约为20%。
热成形钢抗拉强度达到1500MPa、1800MPa。
2007年,成立轻量化技术创新战略联盟的时候,对自主品牌车作过调查,高强度钢应用比例平均为25%,AHSS、UHSS应用少。
这几年变化很大,新开发车高强度钢应用比例超过45%,高的达到
60%,AHSS、UHSS应用比例增加。
建议把轻量化纳入设计规范,同时注重安全性,应用先进的制造技术。
AT&M记者:
请您谈谈辊压成形技术的应用现状与发展。
柏建仁:
辊压成形技术是一个很老的技术,说它老,应用了很多年,但一直是等截面辊压。
它又是一个很新的技术,说它新,最近几年开发了变截面三维辊压技术。
其技术优势:
生产成本低、生产效率高、材料利用率高、模具磨损低;即使材料为高强度钢,成形后零件回弹较小;能成形复杂的截面形状,比普通弯曲成形有更小的圆角半径;柔性,适合同系列车型开发(零件只是长度、厚度变化;材料抗拉强度超过1200MPa时,冷成形无能为力。
制造的主要零件有门窗框、保险杠梁、门槛、门防撞梁、顶盖横梁等。
欧洲汽车公司辊压零件与车身质量比约为5%,预计将来可达到20%。
最近几年开发了变截面三维辊压技术。
变截面零件合理设计型材的几何断面,提高承载能力,减轻零件质量。
瑞典ORTIC公司、德国DATAM公司开发了第三代3D柔性辊压成形设备。
一汽与北方工大合作,正在研制3D柔性辊压生产线。
应用的钢种主要为高屈服强度双相钢及马氏体钢。
瑞典SSAB公司开发了辊压成形用钢。
AT&M记者:
材料轻量化与结构轻量化都属于汽车轻量化技术,如何看待二者的辩证关系?
马鸣图:
对二者之间的关系,我想还是从轻量化的途径谈起。
汽车轻量化首先从轻量化的概念开始,然后通过优化设计取得轻量化的效果,再通过合理选取高强度轻量化的材料取得轻量化的效果。
要合理应用高强度轻量化的材料,就必需应用先进的成形工艺,从而取得轻量化的效果。
因此,汽车轻量化是多种专业优势的集成,多种材料优势的集成,多种先进的加工成形工艺优势的集成。
正如问题中所说,材料轻量化和结构轻量化确实都是属于汽车轻量化技术,二者是紧密相关的,为进行优化的结构轻量化设计,就必需深刻理解高强度轻量化材料的性能和应用后的轻量化效果,也就是在轻量化结构设计中,需要有轻量化材料的数据库进行支撑,这样才能满足轻量化材料应用时得到预期的轻量化效果。
轻量化的结构是一个零部件的概念,对某些汽车零部件仅依据某些轻量化材料的性能尚不能完全准确地预测轻量化优化后的零部件的功能。
这里应该强调的一个概念是材料的性能和零部件的功能既有关联又有不同。
从材料到零部件要经过一系列的加工,这些加工过程中有的可能提升性能,有的可能降低性能,所以一定要具体分析。
例如,采用双相钢DP600做冲压件,这类双相钢屈服强度比较低,但加工硬化速率很高,应变硬化+烘烤硬化可使初始屈服强度增加120160MPa,如以初始屈服强度来预测零部件的功能,就不能确切表征成形后零件的真实功能。
所以,在用材料性能预测零部件功能时,一定要了解材料本身的加工特性和加工后材料性能的变化。
AT&M记者:
国内汽车未大量推广应用轧制铝合金是什么原因?
谈谈您的看法。
马鸣图:
在变形铝合金中,有挤压铝合金、轧制铝合金板材。
轧制铝合金板材主要用于汽车的冲压件。
用铝合金板材做汽车冲压件,首先是可以减重,如用铝合金板材代替钢板,可使发动机罩盖总成减重40%50%;铝合金导热性好,有利于发动机舱的散热。
另外,用铝合金板材制作的发动机罩盖,还有利于改善碰撞后对行人的伤害,有利于碰撞对行人法规的实施,但是铝合金板材做汽车冲压件,需要解决抗时效稳定性、烘烤硬化性、成形性、翻边延性、油漆的兼容性、抗凹性等相互矛盾性能的合理匹配。
AT&M记者:
请您谈谈硼钢材料热冲压成形技术在中国未来汽车业中的应用前景,在乘用车不同级别车型中的应用零件种类。
马鸣图:
热冲压成形技术最早于1970年在瑞典首先开发成功。
其技术的主要目标是把零件做得更强、更轻。
人们对汽车轻量化一直关注的问题是轻量化能不能保证汽车的安全性。
汽车轻量化是多种技术优势的集成,其中热冲压成形技术就是使汽车零件更
强从而保证汽车的安全性,而又能够同时实现轻量化的技术。
这种技术是将零件加热到900℃以上,进行奥氏体化,然后迅速移到冲压机的模子上进行冲压,使零件在热状态下进行成形。
不仅大大降低了成形力,而且使复杂的零件能够一次成形。
高温改善了板材的成形性,在冲压成形的同时,在模子中以大于钢材淬火时冷却速度的冷速进行冷却,从而使零件在保压状态下进行淬火,得到全板条马氏体组织,极大地提升了零件的强度。
以目前应用广泛的22MnB5钢种为例,这种钢种通过热成形后得到的汽车安全件其抗拉强度可以超过1500MPa,有效地提升了在汽车轻量化前提下汽车的安全性,取得了汽车零件轻量化、高强化和碰撞安全性的综合效果,因此热冲压成形是一种有前景的先进成形工艺。
正因如此,自1970年以来,热冲压成形工艺发展很快,目前全世界已有近150条生产线,中国已投产和在建的也有10多条。
热冲压成形零件在乘用车上有广泛的应用,其典型零件有前、后保险杠,左、右A柱,左、右门B柱,门内防撞杆,背顶横梁,中通道,左、右门槛等。
最近有资料报道,VOLVO一些车型上,热冲压成形零件用量已超过15%,新设计的车型将近20%;意大利的Fiat一些车型上热冲压成形零件用量已超过25%;中国一些新开发的车型上特别是合资品牌,也开始应用热冲压成形零件。
目前,中国一些企业家看到这个商机,对这一技术产生了很大的兴趣,并纷纷投资建厂,有的设备全套引进。
但是在引进中,国外不可能给我们关键技术,因此还难以发挥引进设备的效益。
更由于一些企业未掌握这一核心技术,导致设备的选型、制作、工艺参量的制定产生诸多失误,投资不能发挥效益,带来不少损失。
从原理上看,热冲压成形并不神秘,但是确实有诸多的核心技术和企业生产的专有技术,这些技术不掌握,盲目投资,必然会带来一些损失。
因此,应该采用产、学、研、用的模式,踏踏实实做些热冲压成形技术相关设备的研发和技术的开发,以形成我国具有自主知识产权的热冲压成形设备生产线和专用技术,不要一哄而起,否则要么会出现盲目引进,要么会给企业带来投资损失。
目前,该项目已经获得科技部的支持。
中汽院、东北大学、华中科技大学、湖北永吉吉集团在科技部项目的支持下,集成各方已有的热冲压成形技术方面的优势和研发成果,打造中国一流的具有自主知识产权的热冲压成形生产线,并形成完整的热冲压成形专有技术。
AT&M记者:
请您预测一下硼钢板材热冲压技术中加热工艺的发展趋势。
马鸣图:
目前,热冲压成形的加热工艺主要是采用辊道式的连续炉。
这类炉子的优点是自动化连续生产,但是能耗大,辊子寿命有问题,更换辊子困难,使用中有时也会出现一些质量事故,造价高。
因此,最近已经出现模块化的多层箱式炉。
这类炉子具有节能环保的特点,但是对自动化的送料和总线控制系统要求比较高,相对辊道炉炉门开闭次数也较多,影响炉内气氛和保护气氛的用量。
国外也有报道直接采用通电加热的方式,由于热冲压成形零件的复杂性,这种加热方式难以保证零件温度的均匀性,目前实施有相当大的难度。
中汽院和华中科技大学也在联合开发有关新的节能的加热方式,一要保证加热效果,二要保证合理的节能,三要保证炉子加热元件的使用寿命和可靠性、稳定性,因此这方面还有大量的工作要做。
另外,加热工艺与热冲压成形的板材表面质量有关系,有镀层和无镀层板的加热方式都会有些区别。
因此,要保证我国热冲压成形技术健康稳定发展,开发有镀层的热冲压成形用钢也是极为重要的一个方面。
AT&M记者:
请您谈一下铝合金板材成形技术的发展趋势。
马鸣图:
铝合金汽车板冲压成形技术是在铝合金板材性能保证要求的前提下提出的。
这里我应该强调,汽车用各类钢板,包括高成形性板、一般高强度钢板、第一代先进高强度钢板、第二代先进高强度钢板、第三代先进高强度钢板都是钢铁企业的顶级产品,它代表了钢铁技术的发展水平。
而铝合金汽车板,由于其性能的特殊性,比如它的总伸长率只有同等强度钢板总伸长率的一半,因此其冲压工艺和成形
工艺、冲压过程中的各种参量和钢铁材料有一定的不同,这也是铝合金汽车板冲压工艺和冲压模具设计制造的专用技术。
总体来说,铝合金汽车板的冲压成形性要比钢板差一些。
正因如此,为了改进铝合金汽车板的冲压成形性,最近开发了一系列的专有技术。
目前,以下3个方面的成形技术研究较多。
热力液压成形技术:
成形温度增加到170℃时,拉深高度只从35mm增加到38mm;而当增加到250℃时,拉深高度可增加到60mm。
目前,世界众多著名汽车制造商都在采用此技术。
丰田公司所使用的板材液压成形机的成形力达40000kN,能成形平面尺寸为1300mm×950mm,重达7kg。
超塑性成形技术:
美国摩根汽车生产的Aero8的铝制外覆盖件采用了超塑成形与手工成形的结合。
在福特公司生产的FordGT全铝结构车上,几乎所有的覆盖件都是用超塑性成形技术来生产的。
电磁复合冲压成形技术:
电磁复合冲压成形的冲裁时间只需10-210-4s;在传统冲压模具和润滑条件下铝合金板材的成形高度为4.4cm,在相同的成形设备安装电磁成形线圈后,利用5.4kJ的能量进行电磁成形,一次成形周期可控制在5s以内,铝合金板最高成形高度可达6.4cm,结果铝合金板成形极限提高了近47%。
AT&M记者:
请您谈谈管类零件成形技术的发展趋势。
苑世剑:
空心轻量化构件的传统制造技术是先冲压成形多个半片再焊接成整体,为减少变形,一般只能进行点焊,截面不是封闭的,构件的可靠性较差。
近20年来,在突破了超高压动密封和计算机闭环伺服控制技术后,管材内高压成形技术逐步发展起来,并迅速成为空心轻量化构件的主流制造技术。
其基本原理是以管材作坯料,通过向管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为复杂空心构件。
内高压成形件以空心替代实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面,比传统的冲压焊接空心构件再减轻15%30%,并且由于构件的整体化,大幅提高刚度和疲劳强度,是轻量化结构制造技术的实质性进步。
欧美国家新型轿车大量采用内高压成形构件,年产达到5000万件,但是对我国实行技术封锁和设备垄断。
为了提升我国自主品牌轿车的核心竞争力,哈尔滨工业大学从1999年开始,在国内率先开展了内高压成形理论、工艺、模具和装备的系统研究,并在汽车行业取得大批量应用,多种产品用于航空航天重要型号研制和批量生产,成为世界三大研发基地之一,于2010年获得国家科技进步二等奖。
2011年,哈尔滨工业大学与一汽轿车股份有限公司等单位合作,在汽车轻量化技术创新战略联盟支持下,承担了国家科技支撑计划项目,进一步开展了内高压成形全过程仿真技术研究、多孔同步液压冲孔技术研究和典型产品内高压成形模具和工艺规范研究工作。
通过解决各项产品的内高压成形全过程工艺仿真技术、数控弯曲-预成形-内高压成形全套工艺技术,以及模具结构优化与变形分析、形状尺寸精度控制、多点液压冲孔等技术,为一汽轿车、北汽集团、长城汽车等企业自主品牌轿车开发了20余种零件的内高压成形工艺和批量生产模具,包括底盘关键构件副车架和扭力梁、车身前支梁和排气系统管件等。
目前,制约我国内高压成形技术发展的重要因素是我国车企的内高压成形件设计能力薄弱和内高压成形专用管材供应体系不完善,哈尔滨工业大学开展了内高压成形零件设计规范研究,开发了管材内高压成形性能直接测试设备,从汽车内高压成形构件设计源头出发,到内高压成形件批量生产,为国内汽车企业提供完整的解决方案。
AT&M记者:
请您谈谈汽车结构件中实心零件空心化的发展趋势。
刘钢:
石油紧缺、环境污染和气候变暖是人类生存与发展面临的三大难题,大量石油被汽车等运输工具消耗,所排放的废气更是空气污染和气候变暖的主要因素。
结构轻量化是运输工具节约燃料、减少废气排放和提高安全可靠性的主要手段之一。
轿车减重10%,油耗降低6%8%;载货车减重会提高载货
AT&MAT&MINTE量;质量轻,惯性力小,利于提高汽车碰撞安全性。
结构轻量化有两个主要途径:
一是材料减重,也就是采用低密度轻质材料;二是结构减重,主要是采用空心变截面结构,进一步减重可在空心基础上采用变厚度壳体和整体结构。
因轻质材料成本往往较高,而力学性能往往较低,就金属材料来说,结构减重的代价更小,范围更广,因此也更为重要。
对于承受弯扭载荷为主的结构,采用空心变截面构件,既可减轻质量又可充分利用材料强度。
例如,采用内外径之比为0.85的空心轴代替实心轴,在抗扭能力不变的前提下,质量可以减轻近50%。
所以,国内外汽车制造业均大量采用空心构件取代实心构件,不但实现结构的轻量化,而且节省材料、降低成本。
AT&M记者:
您认为怎样评价汽车车身轻量化水平最合适?
王登峰:
首先,介绍车身轻量化系数和轻量化评价方法。
汽车轻量化是汽车节能、减排、降耗的有效途径之一,符合国家汽车产业中长期发展规划。
汽车车身分为内外饰车身和白车身。
带有内外饰的全装备车身质量约为整车质量的2/3左右,而白车身质量接近整车质量的1/3,该比例会随着不同类型和级别的乘用车而有所不同,但差异不大。
因此,车身的轻量化对汽车轻量化意义重大。
按照国家标准GB/T4780—2000《汽车车身术语》中的定义,白车身是由车身本体、开启件及其他可拆卸结构件组成的总成,不含门窗和风挡玻璃,其中车身本体定义为结构件和覆盖件焊接或铆接后不可拆卸的总成。
欧洲关于白车身的定义通常不包括四门两盖等开启件和其他可拆卸结构件,相当于国标中车身本体的定义。
不论白车身的定义如何,其轻量化水平均可用白车身轻量化系数进行评价。
该评价指标表明,白车身的轻量化系数越小,其轻量化水平越高。
但在对不同车型白车身轻量化水平进行对比评价时,必须明确白车身是如何进行定义的。
按不同定义方法计算出的白车身轻量化系数差异较大,只有按同一白访R谈VIEW车身定义方法计算出的白车身轻量化系数才具有可比性。
目前,国内许多文献上关于白车身轻量化系数的计算方法比较模糊和混乱。
有些文献在计算白车身轻量化系数时,参考欧洲的定义方法计算白车身的结构质量,其中不包含四门两盖等开启件和其他可拆卸结构件以及风挡玻璃,有的包括风挡玻璃。
也有按国标GB/T4780—2000定义的白车身计算其结构质量,从而导致计算出来的不同车型白车身轻量化系数不具有可比性。
因此,用轻量化系数对白车身轻量化水平进行评价时,首先必须给出明确的白车身定义,这样才能对不同车型白车身的轻量化水平进行有效对比评价。
带有内外饰的全装备车身的轻量化水平也可以参考白车身的轻量化系数来定义车身的轻量化系数,并对其轻量化水平进行评价,但白车身的结构质量应改为整个内外饰车身的质量,白车身静态扭转刚度应改为带有内外饰时车身的静态扭转刚度。
其次,谈谈影响车身轻量化水平的主要因素。
车身的轻量化水平主要受车身结构和内外饰的轻量化优化设计、高强钢和轻质材料的应用和轻量化制造工艺三方面应用程度影响。
在控制车身成本的基础上,只有综合运用高强度钢、轻质合金、塑料和非金属复合材料,进行结构和材料一体化轻量化优化设计,才能使合适的材料用在车身合适的位置,使每部分材料都能发挥出其最大的承载、抗撞、吸能和减振吸声作用。
再通过合理选用高强度钢先进成形、激光拼焊、内高压成形、辊压成形、复合材料成形和先进连接技术等轻量化制造工艺,才能研发出满足强度、刚度、振动噪声、被动安全性和耐久性要求,轻量化水平高的车身结构。
近年来,随着我国汽车工业设计和制造水平的不断提高以及车身轻量化技术的不断应用,自主品牌汽车车身的轻量化水平明显提高,一些车型的车身轻量化水平已经接近合资和进口车型车身轻量化水平。
可以相信,在业界同仁的共同努力下,在不久的将来我国自主品牌汽车的轻量化技术水平会有大幅提升,逐渐研发出达到世界先进水平的轻量化汽车产品。
AT&M10汽车工艺与材料AT&M2012年第10期
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