汽車車身覆蓋件技術現狀和製造工藝發展

汽車工藝師 發佈 2022-11-26T23:40:53.114659+00:00

汽車的需求量增加直接導致汽車產量和報廢車數量的增加,間接對汽車生產工藝、環境、能源、材料方面都帶來了巨大挑戰。

引言

目前我國汽車生產總量逐年增加,同時保持多年全球汽車銷量第一。汽車的需求量增加直接導致汽車產量和報廢車數量的增加,間接對汽車生產工藝、環境、能源、材料方面都帶來了巨大挑戰。

汽車車身質量在整個汽車的總質量中占比約40%~50%。從汽車外形來看,汽車的車身在面積上基本覆蓋了整個汽車。因為汽車車身無論是在質量方面還是在汽車覆蓋面積方面都分別占據了整個汽車質量和面積的絕大部分。所以在汽車研發過程對車身的研發會需要很多投入,而車身生產過程中也會耗費大量能源,因此在汽車車身生產技術的傳承的基礎上,車身技術發展需要加快新技術突破。

車身覆蓋件發展現狀

目前看來,國內外對車身覆蓋件的關注情況還是熱度不減,主要集中在以下5個方面,如圖1所示。其中,輕量化是多種發展方向共同追求的目的。文章圍繞發動機罩蓋、行李箱蓋以及車門的外形、連接技術、材料進行現狀概述,著重對衝壓和壓鑄工藝進行概述和未來發展趨勢研究。


2.1覆蓋件外形


汽車車身覆蓋件是汽車與空氣接觸面積最大的部分,車身覆蓋件的設計讓汽車外形更加貼合汽車空氣動力學,讓汽車外形更具有科技感,同時迎合大眾審美。陳承傑等設計了一種類似孔雀開屏的汽車尾翼,通過CFD模擬驗證了該尾翼在汽車行駛過程中產生下壓力的效果,做出了性能評價。張震等通過對現有跑車外形進行三維建模和對模型進行空氣動力學仿真,通過局部優化達到了降低空氣阻力的目的。Alessandro Ferraris等通過設定位於汽車輪罩的空氣流量控制裝置,通過風洞試驗的方式對城市客車空氣動力學進行改進優化。在空氣動力學方面,主要通過優化汽車覆蓋件外形、增加尾翼、局部增加裝置調整空氣阻力、隱藏式門把手、電子後視鏡的方式優化汽車空氣動力學。


汽車覆蓋件中發動機罩蓋和尾廂蓋板外形發展來看,最初的發動機罩蓋和行李箱蓋屬於方正外形,如來自1930年的雪鐵龍Traction Avant宣傳海報上的雪鐵龍Traction汽車的發動機罩蓋,如圖2a所示。雪鐵龍C6車型,如圖2b所示。雪鐵龍C6汽車發動機罩蓋在外形上更符合汽車空氣動力學,設計趨向低趴、扁平和過渡光順。


在滿足結構和功能性的前提下,提升對汽車外形審美的設計水平。以轎車為列,如國內某自主汽車廠商的 2012 款車型到 2022 款新車型,在發動機罩蓋和行李箱蓋方面都有呈現向過渡光順、低趴式的趨勢發展,車型上溜背汽車外形更加突出和採用了開口空間更大的掀背式尾門,通過邊緣檢測,如圖3所示。



此外,科技感也很重要,部分車輛外形部件增加科技感,比如帶顯示功能的車燈、隱藏式後視鏡等。


2.2輕量化


在2016年10月中國汽車工程學會年會上發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》中顯示,到 2030 年要大幅度增加高強度鋼應用,單車用鋁合金超過350 kg,碳纖維超過總質量的5%,此次會議上展示了輕量化技術,預計從2015年到2030年,實現從18%到40%的減重目標。在2020年修訂的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中,輕量化被列為九大技術方向之一,預計2035年燃油乘用車整車輕量化係數降低25%,純電動乘用車整車輕量化係數降低35%。


車身輕量化通過降低車身的質量達到降低能源消耗和降低產生污染物的目的,輕量化研究方向主要圍繞輕質材料、結構優化、製造技術、鋁合金和高強度鋼以及塑料應用進行展開。王童等通過建立城市客車車身模型,對其進行多工況分析以及多方向結構優化達到輕量化的目的。韋學軍等基於碰撞角度,從碰撞結果對車身結構進行輕量化結構優化,這樣既得到了安全性,又達到了輕量化目的。高豐嶺等通過將碳纖維複合材料應用到汽車車身,達到了降低車身質量的目的。Martin Ivanjko 通過使用新型高強韌鋼材(Twinning Induced Plasticity Steel,TWIP),同時應用新型連接釘進行連接,二者共同配合達到降低了車身質量的目的。採用全鋁車身相對於鋼材可以達到減重 40%以上。輕質材料的製造工藝研究和輕質材料典型部件的系列化、標準化和研究相關輕量化指數都可以作為研究的方向。


2.3衝壓及壓鑄技術


車身覆蓋件多數由內外板組成,外板通常為 A面,對表面質量要求高,目前由於衝壓技術的相對成熟、衝壓設備的完善和模具生產設備的完善,所以車身覆蓋件成形工藝最多的仍然是衝壓成形。為了優化衝壓產品的減薄率情況以及表面起皺情況,主要集中在對衝壓成形工藝參數、回彈方面進行研究。王康康等將正交試驗和神經網絡引入汽車行李箱蓋衝壓成形過程中,神經網絡對衝壓參數進行學習和遺傳算法優化,獲得了提高衝壓成形產品質量的多參數組合結果。曹琳琳等針對U形較薄產品進行衝壓成形回彈控制,確定了影響回彈的主要因素,同時對這些因素進行控制,最終降低了回彈。衝壓仿真過程主要還是集中在對壓邊力、摩擦係數、衝壓速度、衝壓深度和拉延筋布局方面的調整,通過正交試驗和神經網絡優化算法以達到降低起皺和優化減薄率的目的。


壓鑄技術出現約在 19 世紀 20 年代,因為其本身可以直接避免衝壓過程中遇到的起皺、R角、負角和模具出現互相干涉的問題,所以對壓鑄的研究也是在逐漸深入。因為壓鑄主要研究方向集中在優化壓鑄產品的成形內部質量和表面質量,所以主要研究壓鑄的工藝參數、壓鑄流道、模具和冷卻。


如今特斯拉公司和沃爾沃汽車公司開始將其壓鑄技術引入國內,在國內建立大型壓鑄車間,用於生產汽車零部件,並且有意願應用於一體式汽車車身生產。Kurtulus等通過建模和設定隨形冷卻的模具結構,獲取到了更加均勻分布的模具表面溫度,相對降低了冷卻時間,獲得了擁有更好質量的成形產品。牛志超等將高壓壓鑄應用於薄壁件進行了可鑄造性、缺陷和力學性能方面的研究,得到了產品屈服強度和延伸率二者與澆道遠近的位置關係,並且得到了大型薄壁件壓鑄產品容易在力學性能不均勻性方面出現問題的結論。總體而言,本文在車身覆蓋件成形技術方面分析結構圖如圖4所示。



2.4連接技術


汽車車身目前還是採用多零件拼接而成,因此需要較好的連接工藝。提升連接工藝的技術手段也可以達到輕量化的目的、降低材料成本、人力成本和時間成本。


目前,汽車車身連接主要採用焊接、鉚接、粘接方式進行連接,同時採用多種焊接結合的方式,在最新一代的奧迪A8全鋁汽車上應用了14種焊接技術,其中包括雷射焊等8種熱連接技術和沖鉚連接等6種冷連接技術。


車身焊接主要包含電阻焊、電弧焊、雷射焊接等。電阻焊通過局部電流產生電阻熱的方式將局部工件熔化,熔化的部位進行熔化焊接,具有焊接質量好和焊接速度快的優點。電弧焊通過電焊絲與部件之間的電弧作為熱源進行焊接,並且同時需要一定的保護氣體,比如二氧化碳。雷射焊接是一種較新的焊接技術,利用雷射束作為熱源進行焊接。因為其焊接質量好、耗時短、節省材料、焊接件不易變形的優勢被廣泛使用於汽車車身焊接。


焊接也會對產品造成一定的質量影響,因此對焊接也進行一定的技術優化。趙建姣等將雷射飛行焊接技術應用到白車身車門,飛行焊接指的是雷射焊頭通過CAN總線的方式與機器人通訊,實現雷射飛行焊接的功能。通過試驗證明了飛行雷射焊接的可行性,也獲取了相應的影響參數,為此技術的發展提供了優化方向。


鉚接比焊接在車身上的應用較少,主要有自穿釘鉚接、無鉚釘自穿鉚接和壓力穿刺鉚。目前中國重汽集團將螺母沖鉚工藝應用到汽車白車身連接工藝中,驗證了此工藝裝配精度高、工件變形小、節能環保、易於實現自動化目的。


粘接車身技術是用結構膠粘實現車身粘接。結構膠指強度高、能承受較大荷載,且耐老化、耐疲勞、耐腐蝕,並在預期壽命內性能穩定、適用於承受大載荷結構件粘接的膠粘劑。張士展等對車身結構膠性能進行了仿真,通過多種試驗對結構膠失效進行模擬驗證。結構膠常常用於車上的塑料件粘接,在車身連接製造技術上的應用仍處於探索階段。


2.5材料

汽車車身使用材料以鋼材、有色金屬鋁材料、非金屬為主要使用材料,汽車車身用主要材料分類如下表1。



車身材料從最初的鐵質材料,已經發展到鋁質材料和合金材料。研究汽車車身材料主要為了提高車身的力學性能以及降低車身質量。汽車車身材料主要為鋼、常規合金、工程塑料和複合材料。現階段車身使用量最大的材料是鋼板,並且針對車身不同部件採用不同的鋼板。對車身面部件採用延伸性、耐腐蝕、抗凹陷性都較好的鋼材,對結構件採用吸能性好、同時還具有一定剛性、耐腐蝕好的材料,將這些構件良好地組合在一起可以達到輕量化和提升力學性能的效果。


有色金屬中的鋁合金最大的優點就是密度低,能夠大幅度降低車身質量,同時在結構布局合理的前提下,還能滿足一定的力學性能,相對鋼製產品還會具有更好的吸能性能。鋁合金車身在目前應用於全鋁車身車型,比如特斯拉 Model S、路虎攬勝、ES8,凱迪拉克CT6則採用鋼和鋁合金混合車身,如寶馬6系發動機罩蓋等開閉合件為鋁,其餘結構為鋼材。劉雅芳等將代號為6082的鋁合金材料應用於車門,通過碰撞分析軟體對其模型進行碰撞受力分析,最終達到了降低產品質量的目的,符合國家標準,比原鋼製產品具有更好的吸能效果。


當前汽車車身覆蓋件已經採用了部分塑料件,比如保險槓、前擋板、門板框等。工程塑料因其具有質量輕、耐腐蝕、耐熱和耐寒、可塑性強的優勢,所以考慮將其使用在汽車車身,目的主要是為了汽車輕量化。工程塑料在解決成本問題之後,在輕量化方面明顯優於現有車身材料。現階段國外通用汽車已經研發出適合車身板料的工程塑料。沃爾沃汽車一直堅持環保,曾宣稱2025年再生塑料在汽車上應用將達到 25%。2018 年在哥德堡舉行的沃爾沃環球帆船賽中,演示的汽車中包含170個組件,由總計60 kg的再生塑料製成。


複合材料種類繁多,車身上使用的複合材料主要是指的是碳纖維複合材料,碳纖維具有輕量化、強度高的優點。碳纖維材料現在最大的難點就是成本問題,需要在碳纖維材料的生產技術方面加大研究力度。徐作文等將碳纖維複合材料應用到汽車車門,對碳纖維材料進行了層次化結構設計與鋪層,對模型進行力學性能仿真,驗證了剛度、強度方面的提升效果,達到了輕量化目標。


成型技術


車身覆蓋件成形工藝是降低生產節拍、減少人工成本、減少原材料浪費、減少模具使用套數、提高產品質量和實現輕量化目標的關鍵技術之一。


雖然衝壓技術比較成熟,但是衝壓技術存在工序繁瑣、模具套數較多、材料利用率相對不夠高的缺點。衝壓技術圍繞研究壓邊力、摩擦因數、衝壓速度相關工藝參數,採用正交試驗或者傳統神經網絡結合的遺傳算法以及其它多目標優化算法,獲取工藝參數之間的最優組合來達到優化產品質量的目的。衝壓過程不僅涉及提升產品質量,同時應該從模具方面入手,對模具成本進行控制,可採用拓撲優化手段對模具進行輕量化優化,研究低成本模具材料,可將部分強度較高的塑料引入製造受力較小的模具。


從壓鑄工藝來看,壓鑄可以避免工序複雜和模具套數較多和材料利用率低的問題。壓鑄技術在尺寸參數方面對壓鑄對象要求高,所以對於薄壁件而言,壓鑄應用還是相對較少的。壓鑄技術目前還是多應用於強度要求較高的汽車部件,壓鑄技術在大型薄壁部件內部質量控制和模具製造技術方面還需要加大研發力度。在壓鑄工藝參數優化方面與衝壓技術類似,通過優化技術對壓鑄溫度、壓射速度、模具溫度的參數進行組合優化。壓鑄技術可以與合金材料結合,包含鋁合金、鎂合金、鈦合金和這些合金的半固態材料,研究提升壓鑄合金的流動性能、力學性能是提高壓鑄產品質量的關鍵。


連續變截面板(Tailor Rolled Blank,TRB)技術在生產車輛框架結構A柱、B柱和縱梁的成形有顯著成效,能夠讓這些部位工件的力學性質在成形後能得到均勻分布。目前,部分車商已經開始將TRB應用於汽車車身生產,如圖 5 所示。奧迪新 Q5 的車底縱梁、A柱、B 柱都由 TRB 熱成形鋼材製成,在保證部件強度的同時減輕部件質量。



當前,車身覆蓋件這樣較大、較薄(厚度小於1 mm)部件以及對表面要求較高的部件採用衝壓技術為主,比如車門外板、發動機罩蓋和行李箱蓋外板這樣的 A 面產品等。厚度相對較厚(厚度大於1 mm)、對表面質量要求不高的 B 面和 C 面部件、結構相對複雜的部件可以採用壓鑄成形,比如車身內部的加強件。壓鑄技術本身在模具方面相對衝壓模具數量減少,可以降低模具成本,比如對汽車發動機罩蓋內外板,採用衝壓技術需要通過拉延、修邊、翻邊整形、沖孔等多工序,涉及凹模、凸模、翻邊鑲塊等多套模具,內板加強件結構複雜,需要的模具套數相對較多。若採用壓鑄對發動機罩蓋進行生產,無需修邊、翻邊整形、沖孔等工序,因此壓鑄發動機罩蓋外板只需要一套模具、內板只需要一套模具,在模具套數方面優勢明顯。因此,在現階段融合多種成形技術,可以達到降低生產成本的目的。


當薄壁壓鑄技術逐漸成熟時候,對於車門、發動機罩蓋、行李箱蓋這些需要內外板的組合件,只需要採用單板,適當提升結構件平均厚度,對模型進行厚薄區域優化,設定合理的加強筋和流道,最終這些內外板結合件只需要一體式單板即可,因此未來隨著薄壁壓鑄技術成熟,一體式車身或將進入大量應用。


總結與展望


(1)文章分析了車身覆蓋件外形、輕量化、成形工藝、連接工藝、材料5個研究方向,分別對技術現狀進行概述。

(2)對衝壓、壓鑄技術進行了梳理,對TRB技術應用進行了概述。

(3)提出了根據車身覆蓋件厚度和複雜度特性進行多技術結合的生產方式。

(4)汽車車身覆蓋件技術正朝著一體化、低成本、輕量化方向發展。為此,需要進一步加強對車身成形工藝中壓鑄工藝以及TRB技術研究。


轉自:汽車輕量化技術創新戰略聯盟,來源:《汽車文摘》,作者:鍾良輝 郭華金

編輯 ▎釋非

審核 ▎於永初

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