汽车轻量化制造技术现状与发展

1011 275.5
203.6
226.6
轻量化是汽车节能和环保，提高续航能力最有效措施之一。
多种材料混合应用是汽车轻量化的发展方向。在欧洲车身会议文献中，自 2006年至2011年，72个车身中，有38个钢/铝/复合材料混合车身,占 53 %。
先进高强度钢（AHSS）的发展
在白车身中，低碳钢与 高强低合金钢（ HSLA ） 的重量比呈下降趋势； 约束淬火高强钢（ PHS ） 的重量比呈上升趋势； 烘烤硬化钢的用量将维 持不变。 通 过 低 碳 钢 、 HSLA 的 减少 以及 PHS 的 增加 ， 使车身重量减轻。
◎ 过去二十年，美国汽车油耗要求每年降低1%。而2010—2025年则每年要求降低4%。美 国规定截至 2016 年汽车油耗要达到 6.6 升/百公里 ，较美国现行标准降低 2.6L，2025年 达到4.18升/百公里。
2010年世界各国汽车燃油效率限额
2014年被称为电动汽车元年
• 李克强总理宣布：我们要像对贫困宣战一样，坚决向污染宣战。而汽车是大范围雾霾天气 的罪魁祸首之一，对策之一是大力发展新能源汽车。国家发展战略明确鼓励发展新能源汽 车，并在该领域技术研发、产业发展、市场推广等各方面都采取了力度很大的政策。 商务部研究院近日发布的《2014年消费市场发展报告》指出，今年将成为中国新能源汽 车消费元年。空气污染的环境压力使新能源汽车迎来明显利好。据中国汽车工业协会预 测，2014年中国新能源汽车销量将有望达到3.5万辆，同比增幅达100%。若将混合动力各 类车型加上，将会达到6万辆的规模。2014年将成为中国新能源汽车消费元年。新能源汽 车已成为今年北京车展的最大亮点。在本届北京车展上全球首发的118辆车中，中外车企 共全球首发新能源车79辆，约占七成。 我国新能源汽车发展可能再次落后，“湾道超车’梦想落空! 有人称2013年是电动汽车元年，即，国际电动汽车产业化取得了突破。据统计，新型动力 汽车去年的全球销量已经突破57.8万台，超出2012年销量1万多台。据预测，2014年全球 电动汽车市场将同比增长86%。德政府于2011年5月出台了《德国联邦政府国家电动汽车发 展规划》，其目标是：在2020年德国上路的电动及混合动力汽车达100万辆，到2030年至 少达到600万辆，到2050年电动交通网络覆盖全德城市区域。 美国特斯拉公司2013年销量超过2.2万辆，通用汽车雪佛兰混合动力车在美国销量为23,094 辆，日产聆风纯电动车销量为22,610辆。
纯电动车整车质量与续航能力关系
轻量化是汽车发展的历史必然
• 汽车发展至今已经超过100年, 目前的瓶颈是能源制约和环境污染. 石油是不 可再生的资源, 汽油和柴油驱动的机动车造成的污染有目共睹.
•
各国政府相继提出了燃油经济性指标, 硬性规定汽车公司到达百公里油耗指标 , 如美国政府的CAFA标准是2012年至少需要达到每加仑29.7英里(百公里油耗8 升)，到2016年需达到34.1(百公里油耗6.9 升),2025年则为54.5(百公里油耗 4.3升). 对超过CAFÉ目标的部分，主机厂需要支付每0.1 英里每加仑为5.5美 元/辆的罚金。
◎ 欧、美、日等国铝合
金板材在汽车上的应用呈现 快速发展势头（见表）。而 我国尚处于研发阶段，目前 还没有任何一家国产汽车整 车厂有应用铝合金大型板材 零件的实例. ◎ 现在液压成型的生产 线全世界有250条，中国不 到5条，正规生产的也就是 两条，原因是合资品牌现在 都进口。 ◎ 热成型生产线国际上 有150条线，中国尚没有一 条自主品牌的生产线，虽然 宝钢有所引进，但是现在尚 没有量产。 ◎ 这些在国际上已经 形成了数千亿欧元的产值。
预胀
充液拉深
国际铝合金车身成形技术
超塑成形（SPF）在美国通用（ GM) 的应用：
汽车覆盖件快速塑性成形工艺 （ QPF ），成形时间降到了 15 秒以内。 某车型后背门内板镁合金和外板铝合 金气胀超塑性温成形，在快速液压机 上成形每件只需1-2分钟。 车身铝板温 / 冷成形，应用于高档车。
GM 开发的铝合金汽车覆盖件成形设备
车身高强度钢的使用趋势

沃尔沃公司在VOLVO XC90车身制造中同时采用冷、 热冲压工艺

2006～2020年国内先进/超高强钢冲压模市场规模预测
热冲压工艺的优点
•回弹极小，成形精度好 • 高延展率，高强度 • 减重 • 极好的碰撞安全性
热冲压工艺示意图
卷材
热冲压工艺示意图 下料 传送 加热
铝车身可靠连接技术2-焊接技术
• 目前除大量采用锁铆、自切削螺钉、自攻螺钉、冲联工艺及胶（粘）接 等非熔化连接方法外，还大量采用MIG焊、激光焊（包括激光熔焊、激 光钎焊）,激光-MIG电弧复合焊,搅拌摩擦焊。 • 其中激光-MIG电弧复合焊接是新型先进焊接技术。
本田
Msx
车身框架 加强件，折叠活顶
307
车门外板
铝车身可靠连接技术1--机械连接技术
铝合金导热率高，采用传统电阻点焊技 术连接能耗极高，而且质量难以保证。 目前国外汽车制造厂商大量采用自冲铆 接、自切削螺钉等机械连接方法实现铝 合金连接，该技术目前由英国Henrob、 美国Emhart、德国Bollhoff等国外公司 所垄断。 上海交通大学提出一种从自冲铆接接头 形成到接头性能评价的全数字化方法以 实现铆接工艺的优化。
◎ 我国汽车材料替换革命的思考
全球汽车产业处于材料革命前夜
◎ 着眼于可持续发展，节能环保成为汽车工业亟待解决的两大问题。特别是 大范围雾霾 天气倒逼汽车产业大调整。调整目标集中在 “新能源、新材料、先进发动机”三大方面。 随着新能源汽车的举步维艰，材料转换的重要性日渐凸显。
◎ 我国 《节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）》提出，到2015年，当年生 产的乘用车油耗降至 6.9升/百公里，节能型乘用车油耗降至 5.9升 /百公里以下，较现行标 准降低2.6L 。2020年降至5.0升/百公里，节能型乘用车油耗降至4.5升/百公里以下；商用 车新车油耗接近国际先进水平。
整车零件总数减少 车身性能增强 车身自重减小
国际铝合金汽车发展
◎ 2002年，全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数 量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还 使车重减少50%。新一代奥迪Q7将采用全铝车身 。 ◎英国捷豹 XK更是将铝合金技术与轻量化优势发挥到极致，不仅车身零件总数从5,189 个降至2,761个，车身刚性提高了48％。新一代路虎车身重量比上一代减重420千克，车身 的钢材料替换为铝合金，并采用单壳体式车身，比上一代钢制车壳体减重高达39%。前副 车架采用铝合金材料铸造，减轻14千克。后副车架采用单件空心铸件，减轻了15千克。 ◎凯迪拉克ATS 的前机盖采用铝合金冷冲压工艺，减震塔采用真空薄壁压铸技术，发动 机支架采用铝合金挤压件焊接结构，保险杠采用铝合金挤压件，车门采用铝合金成形，车 身其它部位、结构件、底板、覆盖件采用钢材。前后轴重达到50%：50%，可与BMW3系 竞争。 ◎ 据媒体2014年2月20日报道：继福特之后，通用汽车也开始积极筹备推出铝外壳汽车， 预计在2018年底大规模生产。目前两家企业已经开始开足马力生产铝制汽车面板。
汽车轻量化制造技术现状与发展
题 纲
◎ 能源和环境双重压力倒逼汽车产业转型
◎ 全球汽车产业处于材料革命前夜 ◎ 多种轻量化材料混合应用是汽车轻量化的发展方向
◎ 先进高强度钢（AHSS）的发展 及成形技术 ◎ 铝合金汽车的发展；铝合金车身成形，铝合金结构件先进铸造技术 ◎ 复合材料汽车的发展；碳纤维覆盖件、结构件成形技术，长纤维增 强热塑性复合材料(LFT)成形技术 ◎ 多种轻量化材料连接技术
12% 28%
第三代AHSS发研发目标： 性能可达到：1000-1500MPa时具备20%- 30%的延伸率 应用从碰撞安全件延伸至结构件甚至外覆盖件，如下图所示。
美国汽车业高强钢的目标： 1）第三代AHSS的量产，并且降低价格; 2）强度达到1000-1500MPa，并可冷成形; 3）材料可焊性好、成本低。
瑞典
沃尔沃
760GlE
SavannoRX-7
覆盖件，活动顶
覆盖件外板 覆盖件内板 覆盖件内外板
5000，6000系列
GZ45 G4B GC45
马自达
Rixlster
Casmo
日本 日产 Infiniti Leopard
覆盖件内板
覆盖件内外板 车身外板 车身内板
KS5030
5000系列 6000系列 5050 5182 5052 6000系列
冲压并
迅速冷却
机械科学院先进中心完成的高强度钢热冲压中试线
德国BENTLER公司中国工厂生产高强钢零件
德国BENTLER公司中国工厂生产高强钢零件（续）
铝合金汽车的发展
铝合金成形工艺进步
铝合金铸件 液压成型件 高性能 铝合金连接件 应用 铝合金冲压件 铝合金锻件
铝合金零部件重量在整车重量的比例增加
提高燃油经济性有多种途径：汽车轻量化，增加变速箱中的速度等级，柴油技 术，汽油直喷技术，可变气门（VVT），涡轮增压等等。鉴于研发所需时间和 成本的限制，当前主机厂主要考虑轻量化的手段。 在轻量化的材料选择上, 未来将是多种材料并存的局面: 超高强度钢, 镁铝合 金, 增强树脂材料. 每一种材料都由其优缺点. 在不降低部件力学性能的前提 下, 努力降低重量是轻量化的方向.
以3000T设备为核心的铝合金汽车覆盖件充液拉深生产线（日本Amino）
我们的差距
国家 汽车厂家 保时捷 德国 梅赛德斯-奔驰 法拉利 英国 意大 利 美国 罗孚 Lamborghini Zagagurrd 通用 克莱斯勒 汽车型号 928 120SEC Testarossa Hande ROVER Kountak Stelvio 凯迪拉克 切诺基 车身零部件 覆盖件，翼子板 覆盖件，行李舱盖 覆盖件，后翼子板 前翼子板 所有外部装饰件 所有外部装饰件 覆盖件，顶盖 机盖板 合金牌号 AC120 AC120，5000系列 5000，6000系列 5000，6000系列 5000，6000系列 AC120，5000系列 6000系列
各种性能的钢材在车身的应用与发展
低碳钢 （260270MPa） 烘烤硬化钢 HSLA DP600 PHS （9001500MPa）
（300-390MPa） （440-650MPa） （590-980MPa）
2005 目前 未来
41% 12% 12% 20% 20% 25% 15%
12% 30% 25%
•
•
轻量化是实现节能减排的有效手段
研究表明，约 75% 的油耗与整车质 量有关，降低汽车质量 , 就可有 效降低油耗以及排放。目前，大
量研究表明，汽车质量每下降 10% ，
油耗下降6-8%，排放降低4%。
总重量(Kg) 行程(Km)
1550 186
纯电动车整车质量与续航能力关系
1407
1253
1154 244.3
铝 合 金 冲 压 覆 盖 件
铝 合 金 挤 压 型 材
铝 合 件金 压 铸 Text
MIG焊、铆接
Audi A8全铝车身
减重40% 静态扭转刚度提高40%
铝合金汽车板材/管材充液拉深技术
充液拉深技术是改善铝合金车身覆盖 件变形均匀性、增加结构刚度的有效 途径。 由于铝合金材料的硬化指数值低，属 加工硬化效果较弱的材料，只有通过 较大的变形才能实现较理想的硬化。 为克服普通拉深所产生的变形量小、 变形不均匀的问题，利用液压先进行 预胀变形，再进行液压作用下的充液 拉深成形技术，整个成形过程中面板 部分经历两次变形，应变硬化效果显 著。因此，能够提高铝合金覆盖件的 可成形性、改善变形均匀性的充液拉 深成形技术是铝合金等低塑性、难成 形轻质材料板材零件成形的有效途经。
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新能源新材料双轮驱动— 电动汽车发展的必由之路wenku.baidu.com
◎ 国际名牌电动汽车都采用复合材料为主的新材料。这也是他们续航 能力和电池重量低的原因所在。 ◎ 如，德国BMW、大众、意大利兰博基尼、日本帝人和美国GM都开发了 碳纤维车身电动汽车。 ◎ 我国电动汽车增重高达 30-40%，远远超过国际先进 水平（德国大众电动汽车增 重6-16%），复合材料电动 汽车成为减重的最佳出路， 可平衡增加的电池重量。