汽车轻量化解决方案--全铝车身结构技术(2)

2020-03-27 01:59

四、骨架与蒙皮的成形工艺

1)、车身骨架成形工艺

车身骨架由铝合金材料通过挤压模挤压出各种断面的闭口或开口的长条形结构型材(是钢材无法办到的),可根据需要锯切任意长度。这种铝型材还要根据车身结构需要进行变形加工,达到车身结构形状的要求。于是一种“型材液压成形”技术应声而生。

型材液压成形技术应用主要为底盘大梁、车身结构、各系统零部件的骨架变形加工,因其具备高刚性、尺寸精度与稳定性高、较为耐蚀、工件数少、制作过程简化、成本降低等优点,该技术在汽车制造业广泛应用。此技术保证了零部件精准的尺寸和形状,在充分利用空间、赢得更多轴力度和硬度的同时,减轻了重量。由于型材液压成形技术不仅简化了模具结构,还减少了模具副数,改善了材料严重变薄的状况,提高了产品质量,大幅度降低了生产成本,因此型材液压成形零部件需求快速增加。2004年北美生产的典型车型中将有50%结构体零件采用型材液压成形技术制造。

以型材液压成形技术制造结构件的车型,经碰撞测试结果,其安全性比传统的“板材冲压”制造结构件要好,同时整车质量有了大幅度的降低。因此在北美、欧洲制造的轿车、客车、高铁中,空心轻体的铝型材构件在轿车总量的比例已从15年前的10%上升到20%,而在货车、客车、专用汽车、越野吉普车等的比例已达到70%以上。

梁柱结构是车身骨架的基本承载单元,在车身总成中所占比例较高。评价轻量化对刚度的影响程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)

值,即“单位质量所具有的刚度值”进行比较。SME 值越高,表明该结构在保持刚度不变的情况下轻量化效果越好,反之亦然。比如:铝材与钢材相比,如果用铝材制作的结构件,其强度大于同等质量的钢材结构件30%。所以说,如果保持与钢结构件同等强度前提下,其铝结构件要轻30%左右。

从结构轻量化途径考虑,在满足空间尺寸限制的前提下,我们还可以从“型材截面优化”方面来增加其结构件的强度(钢制型材无法办到的),如增加矩形截面薄壁梁的高度为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案,增加宽度仅能提高其扭转刚度,但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板个数为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案,但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板形状为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案,但改变壁厚没有效果。如增加圆筒截面的直径为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案,但改变壁厚没有效果。与上述闭口情况相反,对于任意开口截面,增加壁厚为提高其扭转刚度的最佳方案,但开口型材的扭转刚度远远小于闭口型材。

2)、车身蒙皮成形工艺

车身蒙皮是指附盖在车身骨架上的外蒙皮,铝板蒙皮加工成形方式与钢板蒙皮加工方式基本上相同,通过液压机与模具对板材进行冲压成形,由于铝板的拉伸性比较差,因此在对铝板进行冲压成形时,要对模具进行润滑性改良,或对铝板进行退火处理,或对铝板进行加热处理。对于有强度要求的结构件,在进行退火、加热处理成形后,还要进行恢复强度的时效处理。

五、铝型材连接工艺

车身各零部件的连接是指骨架与骨架、蒙皮与骨架、钢件与铝件、车门与骨架、内饰与骨架等各零部件之间的有效连接,对于全铝车身结构来说,重点在骨架与骨架、蒙皮与骨架之间的连接,通过资料调查表明,目前全世界全铝车身结构设计的制造企业,大概分为三类:一是以英国亚历山大丹迪斯为代表的铆钉连接工艺;二是以瑞典肯联为代表的螺栓连接工艺;三是以美国美铝为代表的焊接连接工艺。

按汽车轻量化的轻量准则,其焊接连接工艺最轻,其次是铆钉连接工艺,螺栓连接工艺最重。按疲劳强度可靠性来说,螺栓连接工艺和铆钉连接工艺最佳,其次是焊接连接工艺。按生产成本核算,焊接连接工艺最省,螺栓连接工艺最贵。 六:总结

为达到汽车节能环保的目的,对汽车进行轻量化结构设计,是最直接、最有效的途径。在轻量化材料选择上,利用铝材可挤压成各种截面形状的特点,从而达到从截面结构上增加整体结构的强度,是高强钢、玻璃钢、碳纤维、不锈钢等材料无法做到的。所以说,铝合金材料是实现汽车轻量化的首选材料。

全铝车身结构技术,其型材截面优化、连接工艺优化和结构拓扑优化三个方面的研究,是汽车轻量化的最佳解决方案。 湖南晟通集团汽车工程研究院全铝车身项目负责人:伍成祁 创作于2012.11.04 关键词解释:

1)、Stiffness Mass Efficient:

单位质量所具有的刚度值:SME=K/M,系数=刚度/质量。 将车身薄壁梁截面参数对其弯曲刚度和扭转刚度的影响进行定量分析和性能优化意义重大。以车身薄壁梁的刚度质量系数SME作为评价指标,通过对典型闭口和开口截面梁的分析,得到了薄壁梁截面参数与SME的解析表达式。利用HyperMesh软件进行有限元仿真计算,对定量化表述的理论公式进行了验证,并提出基于刚度特性优化的薄壁梁截面设计原则。把该设计原则应用在某车型车身上,比较整车弯曲SME值和扭转SME值的前、后变化,得到了更优的整车刚度水平。

2)、型材截面优化

铝材最大的特点是可挤压成各种截面的形状,通过对截面形状有意识地按抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度、疲劳强度等结构要求来进行截面设计,从而达到从截面结构上增加整体结构的强度。


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