Wprowadzenie do technologii tłoczenia samochodów

Białe nadwozie samochodu osobowego obejmuje dolną część nadwozia, górną ramę nadwozia, drzwi, maskę silnika, pokrywę bagażnika, błotniki i inne elementy. Stanowi podstawę montażową silnika, skrzyni biegów, układu przeniesienia napędu, układu hamulcowego, układu zawieszenia, układu wydechowego, układu elektrycznego i elementów wewnętrznych i spełnia wymagania bezpieczeństwa swoich elementów poprzez odpowiednią konstrukcję konstrukcyjną. Celem lekkiego nadwozia pojazdu jest zmniejszenie masy szkieletu nadwozia, przy jednoczesnym zapewnieniu odporności na uderzenia strukturalne, sztywności, wytrzymałości i parametrów NVH nadwozia pojazdu, przy jednoczesnym niezwiększaniu kosztów produkcji nadwozia pojazdu w celu zwiększenia konkurencyjności rynkowej pojazdów. cały produkt pojazdu.
Lekkie materiały
Stale rozwijające się wysokowytrzymałe i lekkie materiały stosowane w nadwoziach samochodów obejmują głównie stal o wysokiej i ultrawytrzymałej stali, stopy aluminium, konstrukcyjne tworzywa sztuczne ze stopów magnezu i materiały spełniające wymagania.
Stal o wysokiej wytrzymałości
Stal o wysokiej wytrzymałości jest stosowana głównie w kluczowych częściach, takich jak przednie belki antykolizyjne, wzmocnienia słupków A, B i C, belki progowe, belki antykolizyjne drzwi i belki poprzeczne dachowe, i stopniowo rozszerza się proporcjonalnie do społeczeństwa. Udział stali o wysokiej wytrzymałości stosowanej w niektórych nadwoziach samochodów europejskich i amerykańskich przekroczył 60%, takich jak Audi A3, BMW serii 3, Cadillac ATS, Ford Mondeo itp.; Udział stali o wysokiej wytrzymałości w japońskich modelach samochodów również przekracza 50%, takich jak Infiniti Q50, Honda Civic itp.;
stop aluminium
Stop aluminium stopniowo rozszerzył się od maski silnika po błotniki, pokrywę bagażnika i drzwi, a niektóre samochody z wyższej półki uzyskały nadwozie w całości ze stopu aluminium;
ze stopu magnezu
Stop magnezu ewoluował, począwszy od ramy kierownicy i ramy siedzenia, a skończywszy na wspornikach układu kierowniczego i elementach obudowy układu przeniesienia napędu;
Materiały kompozytowe wzmocnione włóknem
Zaczęto stosować materiały kompozytowe wzmocnione włóknami w takich elementach, jak moduły przednie, tylne klapy i kolektory dolotowe; Materiały kompozytowe z włókna węglowego rozszerzyły się z samochodów sportowych i luksusowych na zastosowania w pojazdach średniej i wyższej klasy oraz pojazdach elektrycznych. Konstrukcja nadwozia pewnego sedana z czterema drzwiami i dwoma pokrywami, jak pokazano na rysunku.
Projekt optymalizacji konstrukcji
Jeśli chodzi o projekt optymalizacji strukturalnej, ważniejsze jest sporządzenie bardziej rozsądnego planu projektu konstrukcji nadwozia na wczesnym etapie rozwoju pojazdu. Obecnie lekka konstrukcja wielomateriałowych konstrukcji nadwozia pojazdu rozwija się w kierunku zbudowania sparametryzowanej platformy projektowej (jak pokazano na rysunku), stosując optymalizację topologii, optymalizację rozmiaru, optymalizację morfologii, optymalizację wielocelową i zintegrowane projektowanie optymalizacji materiału konstrukcji wydajność.
1, zastosowanie materiału
1. Stal o wysokiej wytrzymałości stosowana jest głównie w wewnętrznych i zewnętrznych panelach pojazdów, a także elementach konstrukcyjnych. Jednocześnie stal o wysokiej wytrzymałości może skutecznie poprawić bezpieczeństwo bierne nadwozia pojazdu. Zastosowanie zaawansowanej sztywności w ultralekkich stalowych nadwoziach samochodowych i zaawansowanych pojazdach koncepcyjnych ma obiecujące perspektywy w zakresie redukcji masy, oszczędzania energii, poprawy bezpieczeństwa i redukcji emisji. Mimo wyzwań, takich jak odbicie podczas formowania, stal o wysokiej wytrzymałości jest nadal najbardziej opłacalnym i atrakcyjnym materiałem w porównaniu z innymi materiałami alternatywnymi. 2. Stosowanie stopów aluminium rozpoczęło się w latach 90. XX wieku, co reprezentowało nadwozie Audi wykonane w całości z aluminium. Zaproponowano koncepcję konstrukcji nadwozia Audi w całości z aluminium (ASF) i wprowadzono na rynek odpowiednie Audi100, Audi A8 i A2 pierwszej generacji. Oprócz Audi inne firmy wypuściły również wszystkie aluminiowe nadwozia, takie jak Jaguar XJ, Nowy Range Rover, Mercedes Benz Klasa S itp., Jak pokazano na rysunku.
Odkształcone stopy aluminium szybko rozwinęły się w zastosowaniu na elementy konstrukcyjne na poziomie części nadwozia, takie jak coraz bardziej popularna pokrywa bagażnika ze stopu aluminium, pokrywa komory silnika, tylne drzwi, belka zderzaka itp. Wraz z rozwojem i zastosowaniem nowych materiałów, takich jak zestalone stopy aluminium, stopy aluminium w metalurgii proszków, superplastyczne stopy aluminium, kompozyty z osnową aluminiową i aluminium spienione, stopy aluminium będą w przyszłości dalej rozszerzane oraz odlewy, profile Oczekuje się, że sytuacja łączenia blachy i aluminium stanie się drugim co do wielkości materiałem motoryzacyjnym po stali w przyszłości.
Nadwozie Audi A8 w całości aluminiowe
3. Stop magnezu
Obecnie stop magnezu koncentruje się głównie w ramie kierownicy w nadwoziu pojazdu. Rama deski rozdzielczej, rama siedzenia i inne elementy nie zostały jeszcze wyprodukowane masowo i zastosowane w elementach konstrukcyjnych białego nadwozia. W chwili obecnej zostały podjęte próby tylko z pewnym modelem Chryslera, jak widać na zdjęciu. Ze względu na ograniczenia odporności na korozję i formowanie stopy magnezu nie są jeszcze powszechnie stosowane.
4. Materiały kompozytowe
Technologia materiałów kompozytowych w przemyśle motoryzacyjnym została najpierw zastosowana w zderzakach, następnie zamiast blach stalowych wyprodukowano zamiast blach stalowych blachy sprężynowe o zmiennym przekroju, a później wykorzystano ją do produkcji czterech drzwi i dwóch pokryw. Zastosowanie materiałów kompozytowych na dużą skalę nastąpiło po połowie-1980 XX wieku. W 1990 roku Ford i Chrysler sukcesywnie opracowywały materiały kompozytowe.
Materiały kompozytowe mają wiele zalet, z którymi nie mogą się równać materiały metalowe: niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa i wysoki moduł właściwy; Właściwości materiału można projektować; Projekt struktury produktu charakteryzuje się dużą swobodą, co ułatwia osiągnięcie zintegrowanej i modułowej konstrukcji; Dobra odporność na korozję, trwałość, izolacja akustyczna i redukcja hałasu; Można zastosować wiele procesów formowania, co skutkuje niskimi kosztami form; Powierzchnia klasy A, pozwala uniknąć opryskiwania i innych procesów; Niskie inwestycje i krótki cykl produkcyjny. Obecnie istnieje pilna potrzeba opracowania lekkich samochodów. Z kompleksowego punktu widzenia rozwoju wydajności kosztowej, materiały kompozytowe wzmocnione włóknem węglowym na bazie żywic są preferowanym wyborem wśród materiałów kompozytowych stosowanych w elementach konstrukcyjnych nadwozi pojazdów. Można go nakładać na pokrywy komory silnika, błotniki, dach, bagażnik, panele drzwi i lekkie elementy konstrukcyjne podwozia.
Wraz z rozwojem technologii samochodowych materiałów kompozytowych, znalazł on szerokie zastosowanie w samochodach sportowych i luksusowych. W porównaniu do elementów ze stopów aluminium, materiały kompozytowe mogą zmniejszyć wagę o około 50%. Obecnie włókno węglowe w samochodach ewoluowało od włókien jednokierunkowych i dwukierunkowych materiałów tkanych do wieloosiowych prefabrykowanych korpusów z pustych w środku włókien węglowych, które mogą uzyskiwać różne kształty i struktury elementów samochodowych, co pokazano w zastosowaniu materiałów kompozytowych w pojazdach elektrycznych BMW I3.
2, Proces produkcyjny
1. Formowanie na gorąco charakteryzuje się dużą precyzją i dobrą wydajnością formowania i jest szeroko stosowane w produkcji zderzaków samochodowych o dużej wytrzymałości, gmoli drzwiowych, wzmocnień słupków A, B, C, ram dachowych, kanałów środkowych i innych elementów bezpieczeństwa i elementów konstrukcyjnych . Obecnie technologia ta szybko rozwija się za granicą i jest wykorzystywana przez General Motors w Stanach Zjednoczonych, Ford, Volkswagen w Niemczech i inne do produkcji części tłoczonych o wysokiej wytrzymałości. Dolna część nadwozia China FAW Hongqi H7 również wykorzystuje na dużą skalę technologię formowania na gorąco, co widać na rysunku:
2. Spawanie laserowe
W 1985 roku Audi z sukcesem wprowadziło pierwszą na świecie blachę spawaną laserowo. W latach 90-tych największe firmy motoryzacyjne w Europie, Ameryce i Japonii zaczęły na szeroką skalę stosować technologię spawania laserowego. W ostatnich latach technologia ta znalazła szerokie zastosowanie w projektowaniu i produkcji nowych stalowych nadwozi pojazdów na całym świecie. Jak widać na zdjęciu, typowe elementy konstrukcyjne nadwozia pojazdu FAW H7 w Chinach są spawane laserowo.
Zastosowanie technologii spawania laserowego może zmniejszyć liczbę komponentów samochodowych, zmniejszyć masę pojazdu, poprawić wykorzystanie surowców, poprawić funkcjonalność konstrukcji i zwiększyć elastyczność projektowania produktu.
3. Płyta o zróżnicowanej grubości
Płyta o różnej grubości jest produkowana po spawaniu laserowym, aby rozwiązać problemy płyt spawanych laserowo. Proces produkcyjny pokazano na rysunku
Płyty o różnej grubości mogą zastąpić płyty spawane laserowo, aby uzyskać lepszą lekkość. Nie zastępuje jednak całkowicie płyt do spawania laserowego, ponieważ spawanie laserowe umożliwia nie tylko spawanie płyt o różnych grubościach, ale także spawanie ze sobą płyt o różnych materiałach i wytrzymałościach. Płyty o różnej grubości nie mogą osiągnąć tej funkcji.
3, Oszacowanie kosztów
W porównaniu z innymi lekkimi materiałami stal o wysokiej wytrzymałości ma niższą cenę i lepszą ekonomiczność, a jej powszechne zastosowanie może poprawić bezpieczeństwo pojazdów. Stal o wysokiej wytrzymałości może zmniejszyć grubość materiałów, więc w porównaniu ze zwykłymi blachami stalowymi można ją powiększyć bez znacznego zwiększania kosztów, które są około 1,5 razy większe niż w przypadku zwykłych blach stalowych.
Gęstość stopu aluminium 2,68 g/cm 3, tylko jedna trzecia blachy stalowej. Biorąc pod uwagę, że zastosowanie aluminium wymaga zwiększenia grubości i przekroju, wagę można zmniejszyć o 30% do 50%. W porównaniu z blachami stalowymi koszt ogólnych paneli aluminiowych wzrośnie 2-5 razy.
Materiał kompozytowy z włókna węglowego o gęstości 1,5 g/cm 3, mniej niż 1/5 stali. Zastosowanie materiałów kompozytowych z włókna węglowego do drzwi samochodowych, pokryw komory silnika i pokryw bagażnika może zmniejszyć wagę o ponad 50%, a koszt materiałów jest ponad 5 razy wyższy niż w przypadku płyt stalowych.
4, poziom lekki
Krajowy przemysł lekki samochodów nie utworzył skali, łańcuch przemysłowy nie jest wystarczająco kompletny i istnieje znaczna luka w stosunku do zagranicy. Ponad 60% międzynarodowych modeli samochodów głównego nurtu ma nadwozia ze stali o wysokiej wytrzymałości, a stal o poziomach wytrzymałości 780 MPa i 980 MPa jest dość powszechna w elementach nadwozia. Stal o wysokiej wytrzymałości może zmniejszyć masę części o 20-30% bez uszczerbku dla bezpieczeństwa i komfortu.
Niektóre elementy wysokiej klasy modeli samochodów w zagranicznych lub krajowych spółkach joint venture wykorzystują lekkie materiały. Elementy konstrukcyjne z tworzyw sztucznych mogą zmniejszyć wagę o 30% do 35% w porównaniu do elementów stalowych, elementy ze stopów aluminium mogą również zmniejszyć masę o 30% do 50% w porównaniu do elementów stalowych, elementy ze stopu magnezu mogą zmniejszyć masę o 40% do 55% w porównaniu ze stalą komponenty, a komponenty kompozytowe z włókna węglowego mogą zmniejszyć masę o 40% do 60% w porównaniu do komponentów stalowych.
5, Ścieżka technologii lekkich pojazdów
Ścieżkę lekkiej ciał obcych pojazdów pokazano na poniższym rysunku:
Czerpiąc z zagranicznych technologii, możemy zbadać ścieżkę rozwoju technologii lekkich nadwozi w Chinach
1. Krótkoterminowe
Cel: Zwiększyć udział stali o wysokiej wytrzymałości i stali o bardzo wysokiej wytrzymałości, rozsądnie zmniejszyć grubość blach stalowych, szeroko zastosować zaawansowaną technologię formowania i technologię łączenia oraz osiągnąć oczekiwany cel w zakresie lekkości.
Podejście: Do optymalizacji parametrów konstrukcyjnych nadwozia pojazdu wykorzystuje się stale o wysokiej wytrzymałości, stale o ultrawysokiej wytrzymałości, konstrukcyjne tworzywa sztuczne oraz odpowiednie zastosowanie stopu magnezu i materiałów kompozytowych. Grubość, kształt przekroju poprzecznego i rozmiar blach stalowych Euro są również szeroko stosowane, w tym spawanie laserowe, procesy formowania na gorąco i zaawansowane technologie połączeń.
2. Okres średni
Cel: Opanowanie właściwości i technologii łączenia stopów aluminiowo-magnezowych i materiałów kompozytowych, a także zintegrowanej, lekkiej, wielocelowej metody wspólnego projektowania optymalizacji wydajności materiału konstrukcyjnego oraz wypełnienie luki między wymaganymi i zagranicznymi poziomami technicznymi.
Ścieżka: Rozszerzanie proporcji i ilości zastosowań stopu aluminiowo-magnezowego i materiałów kompozytowych w nadwoziach samochodowych, optymalizacja projektowania struktur komponentów ze stopu aluminiowo-magnezowego i materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem w oparciu o właściwości materiału oraz pełne wykorzystanie zalet użytkowych samych materiałów.
3. Długoterminowe
Cel: Stopniowe opanowywanie właściwości materiałów kompozytowych z włókna węglowego, metod projektowania komponentów, wydajnych procesów produkcyjnych, metod kontroli wydajności i technologii połączeń oraz stopniowe dogonienie poziomu lekkiej technologii samochodowej w krajach rozwiniętych w przemyśle motoryzacyjnym.
Podejście: Biegły w projektowaniu, produkcji i technologii łączenia stalowo-aluminiowych nadwozi pojazdów hybrydowych, stopniowo opanowując projekt konstrukcyjny komponentów z materiałów kompozytowych z włókna węglowego. Wydajna produkcja, kontrola wydajności i technologia połączeń zwiększą odsetek zastosowań materiałów kompozytowych z włókna węglowego w samochodach.