汽車是複雜的機械繫統, 通過對核心零部件進行輕量化結構優化設計和高強度鋼, 鋁/鎂合金, 碳纖維複合材料等輕量化材料以及先進的製造成形工藝的應用, 預計到2030年, 以碳纖維混合車身為代表的輕量化零部件將佔市場的40%.
發動機及傳動系統核心零部件技術路線
發動機及傳動系統核心零部件技術路線如圖1所示.
1.乘用車發動機缸蓋及排氣歧管模組化設計
發動機模組化設計是實現發動機輕量化的重要手段. 在增壓汽油發動機中, 對發動機氣缸蓋與排氣歧管進行模組化設計, 一方面可以對排氣歧管進行冷卻, 提高經濟性, 解決排氣溫度過高的可靠性問題; 另一方面可以減小排氣管法蘭, 螺栓等聯接零件的尺寸, 可大幅度降低整機質量. 對於2L左右的汽油增壓發動機可減小質量2~ 3kg, 是降重的重要途徑之一.
2.乘用車發動機氣缸體
對鑄鐵氣缸體採取保證鑄造壁厚, 減小壁厚公差, 優化局部結構的方法, 結合鑄造工藝的改進進行輕量化. 優化主軸承壁, 缸體裙部, 上下法蘭面結構, 可降重2%~ 3%; 通過拓撲分析優化主軸承蓋結構, 降重1%~ 3%; 鑄鋁氣缸體優先考慮採用壓鑄鋁缸體的技術方案. 在保證結構強度的情況下, 做到結構最輕量化. 主要的工作內容是解決鑄鋁缸體結構設計, 壓鑄工藝等設計工藝難題, 然後擴展應用.
3.曲軸
發動機曲軸主要採用主軸頸與連杆軸頸空心結構的鑄造麯軸達到輕量化的目的, 在結構上可以採用優化平衡塊數量及外形尺寸, 曲柄形狀等措施進行輕量化優化設計. 在材料上採用高強度球墨鑄鐵滾壓曲軸, 替代現有的鍛鋼曲軸.
4.凸輪軸
裝配式空心凸輪軸是目前非常成熟的凸輪軸輕量化技術, 可實現降重30%以上, 已在國外發動機中廣泛應用.
5.傳動軸
傳動軸長度較長時, 傳統鋼製軸管因模態較低, 無法滿足NVH要求而只能做成兩段. 碳纖維軸管模態較高, 只需做成一段即可, 這樣可以省掉一個萬向節, 軸承和中間支承, 結構大大簡化, 重量也顯著降低. 碳纖維傳動軸整體能夠比傳統鋼製傳動軸降重50%左右.
車身核心零部件輕量化技術路線圖
對於承載式車身本體, 輕量化技術路線方向之一是全鋁車身, 方向之二是鋼鋁混合車身, 方向之三是以碳纖維為主的多材料混合車身. 需要解決的問題是鋁合金材料的製造, 鋁材/複合材料的性能測試與評價, 鋁材/碳纖維車身的性能 (強度和安全等) 類比, 模具的製造技術和不同材料的連接技術.
對於非承載式車身本體, 輕量化技術路線方向之一為碳纖維車身與塑料車身外覆蓋件, 方向之二為採用鋁製車架. 車身本體及車身核心零部件的輕量化技術路線如圖2所示.
在輕量化材料的應用上主要採用高強度鋼, 鋁/鎂合金和碳纖維複合材料. 高強度鋼主要用於車身內外板以及車身結構件, 變形鋁合金在車身零件及結構件的應用方面發展較快, 如應用日益廣泛的鋁合金行李箱蓋, 發動機罩, 後背門, 保險杠橫樑等. 鎂合金目前在車身上的使用主要集中在轉向盤骨架, 儀錶板骨架, 座椅骨架等, 從成本和性能的綜合考慮, 可用於車身結構件的複合材料以樹脂基碳纖維增強複合材料為首選. 碳纖維複合材料在汽車上主要可應用於發動機罩, 翼子板, 車頂, 行李箱, 門板, 底盤等結構件中.
在先進工藝上主要採用熱成形技術, 雷射拼焊板技術, 不等厚度軋制板/差厚板技術, 輥壓成形技術. 熱成形技術具有成形精度高, 成形性能好等優點, 已被廣泛用於生產高強度的汽車保險杠, 車門防撞杆, A柱, B柱, C柱以及車頂框架, 中通道等安全件和結構件等. 雷射拼焊板技術可應用於車身側框架, 車門內板, 風窗玻璃框架/前風窗框, 輪罩板, 地板, 中間支柱 (B柱) 等, 差厚板可以替代雷射拼焊板, 更適合製造梁類零部件, 如通道加強板, 前地板縱梁, 後保險杠梁, 後地板橫樑等. 輥壓成形技術可合理設計型材的幾何斷面, 提高承載能力, 減輕零件重量.
底盤系統核心零部件技術路線圖
汽車底盤分為四大部分: 懸架系統, 行駛系統, 轉向系統和制動系統. 其核心零部件技術路線如圖3所示.
1.懸架系統
懸架系統控制臂主要採用鑄鋁, 鍛鋁或碳纖維複合材料控制臂實現輕量化; 橫向穩定杆主要採用空心或碳纖維複合材料橫向穩定杆達到輕量化目標; 螺旋彈簧主要採用高強度鋼空心螺旋彈簧或碳纖維複合材料螺旋彈簧實現輕量化.
2.行駛系統
行駛系統車輪主要採用鋁合金鑄旋, 鋁合金鍛造, 鎂合金鍛造或碳纖維複合材料車輪實現輕量化.
3.轉向系統
轉向系統主要採用電動助力轉向系統及線控轉向系統實現輕量化. 對於採用鑄鐵材料的轉向節可通過結構設計拓撲優化實現輕量化, 或採用鑄鋁, 鍛鋁及碳纖維複合材料轉向節實現輕量化.
4.制動系統
制動系統整合化是未來制動系統輕量化的方向. 可採用傳統真空助力器, ESP, 真空泵 (真空度不足的條件下) 組合的制動系統形式或傳統真空助力器, ESP, 真空泵組合的形式, 少數車型採用無真空泵的液壓助力器系統, 或進一步採用ESP與液壓助力器整合的制動系統. 制動盤主要採用組合式制動盤實現輕量化, 如鋼盤帽或鋁盤帽+陶瓷摩擦環制動盤. 制動鉗主要採用鋁製制動鉗實現輕量化.
