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2在整车轻量化及环境友好化工作


在整车轻量化及环境友好化工作中 的材料应用探讨

上汽集团乘用车公司 2014-10

上海汽车集团股份有限公司乘用车公司 SAIC Motor Passenger Vehicle Co.

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议题:
一、汽车用材料的节能减排要求

二、整车轻量化的材料应用及趋势<

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三、环境友好化的材料应用及趋势

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一、汽车用材料的节能减排要求

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一、汽车用材料的节能减排要求

1. 在党的十八大报告中首次单篇论述生态文明;首次提出 “美丽中国”的宏伟目标;释放了强烈的关注节能减排 等的信号: 1) 全面促进资源节约 2)完成主要污染物减排任务 3)把环保减排指标纳入地方政府考核体系

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一、汽车用材料的节能减排要求

2. 能源和环境正成为中国汽车产业发展的两大重要影响因素 3. 到2015年,中国汽车的百公里油耗将限制到6.9L/100km
能源
2009年中国道路交通部门车用汽柴油 总量达到1.28亿吨,预计2020年将达 3.4亿吨。 2009年中国石油对外依存度约为52%, 预计2030年将达到70%。

? 汽车重量降低 10%; 燃油效率 可 提高: 6% -8% ? 汽车重量降低1%; 油耗可降低0.7%

环境
2009年,中国道路交通部门能源消耗 导致的CO2排放量约为4亿吨,占全国 CO2排放总量的8%。 我国政府承诺到2020年中国单位GDP CO2排放比2005年下降40% ~ 45%。 城市大气中82% CO、 48% NOX、 58% HC和8%微粒来自汽车尾气。

? 汽车重量降低100 公斤;CO2排放降 低5-8g/km
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一、汽车用材料的节能减排要求

4. 国家对有害物质的管控要求
在“汽车产品限制使用有害物质和可回收利用率管理办法”中提出: (一)自实施日期起,除豁免清单(附件1)所列的部件和材料外,新车型的每一均质 材料中铅、汞、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚的质量分数不得超过0.1%,镉 的质量分数不得超过0.01%。 (二)自实施日期起,M1类,N1类汽车新车型的可回收利用率要达到95%,其中, 可再利用率不低于85%

5. 国家对乘用车车内空气质量要求
在《乘用车内空气质量评价指南》中规定了特定测试条件下,甲醛、乙醛、丙烯醛、 苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、二甲苯8类汽车内常见污染物质的限值标准。

节能减排,绿色环保已经成为汽车厂发展亟须解决的重大课题

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二、整车轻量化的材料应用及趋势

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二、整车轻量化的材料应用及趋势
? 实现整车轻量化的三个基本路径
1. 材料(工艺)

? ? ? ?
2. 结构设计 ? 等强度设计(用 足设计极限) ? 形状拓扑优化 ? 集成化设计 ? 可持续性设计 ? …

高强钢 轻合金 复合材料 …
3. 制造工艺 ? ? ? ? ? ? ? 激光拼焊(TWB) 变截面板(TRB) 变截面管(TRT) SPR自冲铆 复合材料的联接 轻合金的联接 轻质材料的成 型….

汽车轻量化

材料轻量化、结构设计和制造工艺的应用是实现汽车轻量化的基本途径,三者相辅相成、 缺一不可。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势
1 . 材料(工艺)轻量化
通过材料轻量化以实现整车轻量化,目前主要包括: 1)高强度钢材料(工艺)应用, 2) 轻合金材料的应用,3) 以塑代钢 等几个方面: 1)高强度钢材料(工艺)的应用:

?

采用强度较高的材料,可以实现材料的减薄 ,减重。比如钢板材料来讲(如图 所示),早期的第一代高强钢主要以铁素体为基体,强塑积(抗拉强度与延伸 率的乘积)小于15GPa%,也是目前汽车用钢中增长最快的一类成熟产品,其成 分一般为低碳钢,主要有IF钢、DP钢、CP钢、TRIP钢、马氏体钢、热成形硼钢 等;第二代高强钢为全奥氏体组织, 强塑积在50GPa%以上。其合金含量 高、工艺复杂,生产成本居高不下, 很难被市场接受,主要有TWIP钢和奥 氏体钢等;第三代高强钢以贝氏体、 马氏体等高强度相为基体,其强塑积 在20~40GPa%,处于第一代和第二 代高强钢之间。由于性能优越、成本 相对低廉,具有显著的产业化优势和 市场竞争力,低成本和高强塑是对未 来汽车用钢发展的一个基本定位
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二、整车轻量化的材料应用及趋势
料减重,减薄,零件及系统轻量化的作用

---- 高强度钢材料

? 热冲压技术是通过材料成型过程中的模压淬火工艺,实现材料的强度提高,达到材
? 优点:热冲压技术在欧美特别是欧洲得到非常广泛的应用被普遍认为是有效减轻车 重、提高碰撞性能和降低车身制造成本的有效手段。它能带来最大程度的减薄、车 身结构优化、车身零件数量减小 ? 缺点:热冲压钢板及模具成本高,成型过程能耗大,零件成本相对较高 ? 平衡:热冲压零件单件的确较贵,但良好的设计可以使车身综合制造成本受控

热冲压技术应用状况

车身零件应用
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二、整车轻量化的材料应用及趋势

---- 高强度钢材料

? 连续变截面辊轧板TRB(Tailor Rolled Blanks, TRB)是通过柔性轧制技术而获得的 连续变截面薄板。使轧制出的板材在沿着轧制方向上具有预先定制的变截面形状。其 连续变化的截面形状,具有极佳的减重效果。 TRB具有较好的机械性能,在沿长度方向上的硬度变化比较平缓,成型性能好;TRB 所制成的零部件厚度可以连续变化,以适应车身各部位的承载要求;且表面变化连续 、光滑,可以制作各种车身外覆盖件。

TRB连续生产原理

TRB应用案例

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 ?

---- 高强度钢材料

内高压成形技术, 利用液体作为成形介质,通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零 件,节约材料,减轻重量, 减少机加工量和焊接工作量。一般结构件可减重20%~30%,轴类 零件可减重30%~50% 1. 变径管内高压成形

2. 复杂型面零件内高压成形

3. 多通管内高压成形

二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 轻合金材料
2) 轻合金材料的应用
轻合金材料主要是指应用比钢铁材料密度轻的铝,镁,钛等轻合金材料达到零件 减重目的,目前在轻量化技术中被广泛采用和研究开发: ? 应用最广泛的铝合金,密度是钢的1/3,目前在材料技术的不断发展和制造工艺的 不断更新下,铝合金材料已在车身,车架,制动盘,发动机缸体,缸盖,活塞, 进气歧管,摇臂,发动机悬置支架,空压机连杆,传动器壳体,离合器壳体,车 轮,制动器零件,把手,及罩盖类,壳体类等多种方面得以应用。 目前主要存在的问题是板材加工工艺复杂,后续维修费用高,零件成本高 ? 镁合金的密度是铝的2/3,在实际的金属中是最轻的,而且,吸振能力强,切削性 好,金属模铸造性能好,在轻量化零件中较多应用,且大部分应用在压铸件领域。 比如:车轮轮辋,离合器壳体,离合器踏板,制动踏板支架,仪表板骨架,车顶 框架,座椅,转向柱部件,方向盘骨架,变速箱壳体,发动机悬置汽缸盖和汽缸 盖罩壳等。 目前主要存在的问题是板材加工工艺复杂,需要较高温度下的冲压成型,成本高, 修复困难

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 轻合金材料
? 副车架:

荣威550前副车架采用液压成型 管,减少散件数量,提高材料 利用率

钢板焊接 → 铸铝或铝合金焊接

冲压焊接管→ 液压成型管
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 轻合金材料
? 锻造铝合金摆臂:

荣威950下摆臂采用锻造铝合金, 减轻重量

钢板拼焊接→ 锻造铝合金

钢板拼焊接→ 先进高强钢单片式冲压焊接
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 轻合金材料
? 铝合金发动机缸体:
成熟应用 采用灰铸铁,比如HT250

主流应用

铝合金缸体+钢制缸套组合式 比如AlSi12Cu+灰铁缸套的组合

未来需求 新型铝合金材料及涂层要求:
1)需适宜压铸工艺,具有良好流动 性; 2)需具有良好的气密性、抗热裂性 及高耐磨性和低膨胀系数; 3)缸壁耐磨涂层技术的突破。

无缸套一体式铝合金发动机缸体

新型铝合金材料及涂层技术优点:

1)可降低冷热冲击对缸壁热应力,避免
胀缸、漏气、漏水等故障; 2)可有效提高缸套壁散热性能。 3)耐磨涂层具有储油和耐磨功能,具有 更好的摩擦性能。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 轻合金材料
? 镁合金发动机缸体:
成熟应用 采用灰铸铁,比如HT250

主流应用

铝合金缸体 比如AlSi12Cu、AlSi9Cu3等

宝马直列6缸发动机 镁合金气缸体分解样品

未来需求

采用耐热铸造镁合金发动机缸体

镁合金材料技术难点及材料要求:

发动机工作缸体主要负载:

1)耐热镁合金材料的开发?
2)铸造工艺技术能否有效解决? 3)镁合金材料防腐蚀技术? 4)镁合金设计相关仿真基础数据?

1)气体燃烧压力产生的载荷;
2)曲轴的瞬间扭矩,对缸体的冲击; 3)活塞运动惯性。

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 轻合金材料
? 铝、镁发动机缸盖:
常用结构 铸造铝合金缸盖+焊接排气歧管

主流应用

铸造铝合金缸盖+铸钢或蠕墨或耐热 铸铁排气歧管

未来需求

采用耐热铸造镁合金发动机缸体

一体式铝合金缸盖技术优点: 一体式铝合金缸盖材料要求: 1)适宜压铸工艺,具有良好流动性; 1)结构优化、整合集成,采用成熟的铝合 金成型技术实现轻量化;

2)具有高的强度,优良的热疲劳性能。 2)可有效改善排气系统部位的散热、冷却 条件。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 轻合金材料
? 镁合金变速箱壳体:
成熟应用 铝合金压铸

相关材料

比如ADC12、A380、AlSi9Cu3等

未来需求
SAIC—某镁合金变速箱壳体模型

采用压铸镁合金

压铸镁合金技术难点及材料要求:

压铸镁合金变速箱壳体优点:

1)镁合金材料表面防腐蚀技术?
2)压铸镁合金铸件内部质量控制? 3)与紧固件的连接技术问题?

1) 比强度和比弹性模量高,可生产较
薄较轻的部件; 2)镁有较高的稳定性,铸件和加工尺 ?精度高;

3)可实现余约30%的轻量化。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
3) 以塑代钢材料
? 塑料的比重一般为0.9~1.5,纤维增强复合材料比重也不会超过2,而金属材料中,钢 的比重为7.8、黄铜为8.4、铝为2.7。所以塑料成为汽车轻量化的首选用材 ? 塑料成型容易,使得形状复杂的部件加工十分便利。例如仪表台用钢板加工, 往往需要先加工成型各个零件,再分别用连接件装配或焊接而成,工序较多。而使用 塑料可以一次成型,加工时间短,精度有保证。 ? 塑料制品吸能,其弹性变形特性能吸收大量的碰撞能量,对强烈撞击有较大的缓冲作 用,对车辆和乘客起到保护作用。因此,现代汽车上都采用塑化仪表板和方向盘,以 增强缓 冲作用。前后保险杠、车身装饰条都采用塑料材料,以减轻车外物体对车声的 冲击力另外,塑料还具有吸收和衰减振动和噪声的作用,可以提高乘坐的舒适性。 ? 塑料性能可调,可根据塑料的组织成分,通过添加不同的填料、增塑剂和硬化剂制出 所需性能的塑料,改变材料的机械强度及加工成型性能,以适应车上不同部件的用途 要求。例如保险杠要有相当的机械强度,而坐垫和靠背就要采用柔软的聚氨酯泡沫。 ? 塑料耐腐蚀性强,局部受损不会腐蚀。而钢材制作一旦漆面受损或者先期防腐做的不 好就容易生锈腐蚀。塑料对酸、碱、盐等抗腐蚀能力大于钢板,如果用塑料做车身覆 盖件,十分适宜在污染较大的区域使用。

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 保险杠缓冲梁
截面形状 钢件数模 截面形状 GMT数模 钢件 厚度 重量 GMT件

1.0mm 3.6kg

6.0mm 2.4kg

减重

33.3%

? 塑料尾门
零部件
尾门内板 下饰板 扰流板 玻璃

材料
SMC PP-EPDMT20 PP-EPDMT20 无机玻璃

较钢制尾门整体减重:2.5kg
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 动力燃油系统应用
材料 PP PA46
TEEE 管路 HDPE/LLDPE 燃油箱壳体 PA66 碳罐壳体 PA66 引擎支架

熔点 160℃ 285℃ 260℃ 220℃ 280℃ 300℃

比重 0.91 1.18 1.14 1.14 1.35 1.15

PA66 PA6 PPS PPA

PA6 油门踏板

PA6-GF-MD 引擎罩盖

PA-GF 进气歧管

减重: 20~50%

? 前端模块

减重:58%

钢制前端模块 5.2kg

LFT材料前端模块 2.17kg

LFT热压制件

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 塑化翼子板

典型中级车测算:
材料
钢 铝合金 SMC PPO/PA PPO/PA

厚度
0.77mm 1.2mm 2.5mm 2.1mm 2.5mm

重量
4.8kg 3.1kg 3.9kg 1.9kg 2.6kg

减重 1.7kg (35%) 0.9kg (19%)

2.9kg (60%)
2.2kg (46%)

? 塑化车窗
PC或者PMMA车窗玻璃 可集成灯模块,增加设计自由度 相对无机玻璃减重超过 40% 等离子涂层解决耐磨性问题,但成 本大幅提升

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 塑料材料的发动机气门罩盖:
成熟应用 采用灰铸铁,比如HT250

主流应用

铝合金压铸 比如AlSi9Cu3、A319-2等

未来需求

采用塑料注射成型

塑料气门罩盖技术难点及材料要求:
1)开发具有低翅曲、热稳定、高抗冲、 尺寸稳定等特点的塑料材料; 2)设计中加强产品结构,减小产品收 缩存在,解决气密性和油气分离问题。

塑料发动机气门罩盖技术优点: 1)塑料注射成型技术成型方便; 2)成本低(比铸铝降低30%)、质量 轻(减量约45%)等优点实现轻量化; 3)在NVH方面,具有较好的降噪用。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 碳纤维复合材料及其他新材料
在种类繁多的各类复合材料的体系中,目前汽车行业日益关注的轻量化复合材料主 要是关于碳纤维复合材料。 ? 碳纤维复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Polymers)一般是指碳纤维与树脂基 体复合制成的结构材料。 ? 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,比重小,有很高的比强度,它具有耐 高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等性能,因其外形有显著的各向异性、柔软、 可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。 ? 碳纤维复合材料密度一般为钢(结构用)的20%左右,其比强度和比刚度却明显高于 钢,具体见下表。
材料体系 钢(结构用) T300碳纤维 /环氧树脂 T700碳纤维 /环氧树脂 单向板 结构铺层 单向板 结构铺层 拉伸强度 (MPa) 1 200 1 760 810 2100 1010 拉伸模量 (GPa) 206 130 60 130 60 密度 (g/cm3) 7.8 1.6 1.6 比强度 MPa/(g/c m3) 153 1 100 506 1 310 631 比刚度 GPa/(g/cm3) 26 81 38 81 38

? 目前应用的传统碳纤维复合材料加工成型的工艺复杂,耗时很长。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 碳纤维复合材料(CFRP)的应用:
CFRP可应用于汽车的六大主要系统:
? 发动机系统:挺杆、连杆、摇臂、油箱底壳、水泵叶轮和罩等;

? 传动系统:传动轴、万向节、减速器、壳罩等;
? 制动系统:刹车片; ? 悬架、行驶系统:支架、板簧、轮毂等; ? 车体系统:引擎盖、翼子板、散热器罩、保险杠、车灯架、车厢、行李架、地板、门窗 框架、纵梁横梁、尾翼/扰流板等; ? 附件:排气筒、仪表板总成、座椅骨架、内饰等。

CFRP化

典型四门燃油车

二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 碳纤维复合材料(CFRP)的应用

轮毂

座椅骨架

传动轴

特斯拉车身零件
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BMW车身
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 碳纤维复合材料(CFRP)在上汽的开发工作:
? 基础研究:对汽车用CERP材料开展研究,包括碳纤维和树脂材料牌号的选 择,评价体系,CAE分析用基础数据的收集等等

? 碳纤维零部件的研发和生产:上汽在未来将逐步推出极富现代感与动感的碳 纤维选装套件,为消费者提供个性化、定制化的贴心服务。
序号 零部件名称 实际减重/kg 实际减重比/%
1 前舱盖 后尾门 翼子板 2 3 前舱盖 后尾门 翼子板 4.371 2.978 1.086 58.04 43.30 27.73

4
5 保险杠防撞梁 电池壳体

保险杠防撞梁
电池壳体

0.413
3.866

17.57
44.10

总减重量/kg

12.714 CFRP减重信息表

项目计划

-28-

-28-

二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 微发泡注塑成型工艺:
微发泡注塑成型工艺,可显著减轻制件的重量、缩短成型周期,改善制 件的翘曲变形和尺寸稳定性。

Mucell 技术:
物理法进行微发泡

化学发泡成型技术:
化学发泡剂+二次开模技术

原理:零件内部形成微孔,仍然保持应有强度,从而降低零件重量。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 微发泡注塑成型工艺在上汽的开发工作:
? 基础研究:对汽车用微发泡材料及注塑成型工艺开展研究,包括材料基本物 性,注塑成型工艺优化,发泡比例优化,CAE分析用基础数据的收集等。

? 零部件的研发和生产:上汽在未来将逐步开发微发泡注塑成型工艺在内外饰 件上的应用,如:风道、门板等。

风道
需要克服的技术难点

门板

表观质量还无法令人满意。目前主要应用于非表观零件。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 低密度填充物改性塑料:

聚合物本体 PP、PA等

填充物 矿土、玻纤等

改性塑料

优化原材料制造和加工工艺可以在维持现有改性材料性能水平的同时降 低填充物含量,从而有效降低材料密度和制件重量。如矿物含量从20% 降低至10%,材料密度将下降~10%。具体方法有: 改善塑料本体性能:
优化聚合工艺,提高本体的物理性能;

改善填充物性能:
长纤替代短纤,使用纳米填料,改善填料-本体的界面结合力等;

优化改性加工工艺:
在线混料技术或工程母粒路径,减小螺杆对材料性能的影响
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 以塑代钢
? 低密度填充物改性塑料在上汽的开发与应用:
? 基础研究:对汽车用低密度填充材料的性能进行全面收集研究,包括材料物 性,对加工工艺的影响、CAE分析用基础数据、制件耐候性及散发性能的变 化等。 ? 零部件的研发和生产:低密度填充物改性材料在内外饰零部件,如:保险杠 、门内饰板上的应用正在逐步推进。

保险杠

门内饰板

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 制造工艺 2. 制造工艺
? 先进的制造工艺是整车轻量化的关键要素之一,没有先进的制造工艺保证 ,整车轻量化工作就难以得到保证。 ? 整车轻量化中涉及到的制造工艺,包括材料制造工艺和零件(系统)制造工 艺,比如:热冲压成型工艺,铝、镁合金材料的冲压成型工艺,碳纤维材料 的制 造 及零件成型工艺;铝镁材料,钢材,碳纤维复合材料等不同材料零 (系统)间的联接技术,材料的激光焊接工艺,激光拼焊,变截面成型工艺 (TRB), 内高 压成型工艺,滚压成型工艺,真空压铸,等等。。。目前, 这些工艺在实际应用中有的相对成熟,有的还存在优化发展的问题 ? 新工艺的不断开发和完善,对满足材料轻量化是必需的

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 制造工艺
? 铝合金点焊:

随着铝合金材料在汽车制造领域的使用量提升,传统点焊会面临其问题,由于铝合金 材料具有高电导率、高热导率特点,因此,需要开发,稳定高电流,短时间的焊接工艺

高电流、 短时间

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 制造工艺
? 铝合金材料熔化极惰性气体保护焊(MIG)/ 熔化极活性气体保护焊(MAG)
随着高强/超高强钢、铝合金材料的使用量不断提高,MIG/MAG 焊必须要解决以下难题: 1、薄板的焊穿和焊后变形问题; 2、铝及铝合金焊接,焊缝成形和热影响区强度弱化问题; 3、钢铝异种金属焊接问题;

降低热输入

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 制造工艺
? 激光焊
1、热数量集中,工艺过程快速,效率提高 2、热影响区小,对热成型钢强度影响很低 3、接头外形改善,特别对于小的搭接边,节约材料、降低重量 4、对表面镀层影响小 5、对零件、设备、夹具等系统要求高

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 制造工艺
? 金属粉末注射成型(MIM)工艺:
真空机械泵-键 增压器 -调节环

类似工艺

金属粉末冶金技术 精密铸造 铸造铝合金缸盖+铸钢或蠕墨或耐热 铸铁排气歧管 采用金属粉末注射成型工艺技术 (MIM)

主流应用

混料

注射成形 后处理

脱脂处理

未来需求
高温烧结

MIM材料及工艺要求: 1)开发适宜MIM技术的金属粉末颗粒; 2)如何有效控制较大零件产品的尺寸 精度; 3)如何进一步降低其生产工艺成本。

MIM相比较现有粉末冶金技术优点: 1)可优化整合集成集成复杂金属零件,具有 更高的制造成本竞争力; 2)可提高金属零件性能,密度可与铸件相当;

3)比传统粉末冶金和精密铸造具有更优的表
面质量。
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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 结构优化设计
3. 结构优化设计 ? 整车轻量化是一个系统性的工作,材料轻量化、结构设计和制造工艺三 者相辅相成、缺一不可 ? 除了选用和开发强度高,重量轻的材料以外,更重要的是关注整车的结 构设计和不同材料的合理选用,如果只是简单的零件替换和材料替换对 整车轻量化工作来讲不是方向

? 无论从技术性,安全性,经济性的角度来看,合理先进的结构设计是至 关重要的,比如,目前盛行的热冲压技术,如果只是考虑简单用单个局 部的热成型零件替换原有零件达到减重,往往成本会升高,整车性能也 会影响,总体的结构设计和计算,是轻量化工作的重中之重 ? 良好的结构设计,不仅为整车减重,而且对零部件及系统的减重和合理 布置提供开发方向,比如,发动机,变速箱,前后悬挂等零件简单化, 小型化,等等

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 结构优化设计
? 薄壁化设计:
通过优化结构设计或使用高流动性材料,可以在满足制件整体结构强度 要求的前提下,减小制件的厚度,减少原材料的用量,从而减轻制件的 重量、降低材料成本。 ? 薄壁化设计在上汽的应用--仪表板加强板

制件使用原有的PP-T20材料,通过优化设计最薄处从2.5mm减至1.8mm,部件减重25%

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二、整车轻量化的材料应用及趋势 --- 结构优化设计
? 未来的零部件选材趋向的理念
? ? ? 德国Paderborn大学的Hahn等人提出多材料组合的轻量化结构和合适的材料用于合适的部位, 他们认为这代表了未来车身选材的发展方向。 以最小的代价获取最大的轻量化效果,在轻量化和材料特性、工艺性、生产批量、成本及其它 制约因素中找到一个最佳的结合点。 多材料的理念能较好地兼顾各方面的要求,因而受到了广泛的关注。

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三、环境友好化的材料应用及趋势

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实现“美丽中国”的宏伟目标,要把生态文明的工作落到实处,实现低 环境污染、低人体健康危害,资源循环使用等的可持续发展,针对环境 友好的材料应用,是重要的基础工作之一,上海汽车目前主要在以下方 面开展工作: 1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用 2. 环境友好材料及工艺应用 3. 材料合规 --禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用 ? 整车车内空气质量

整车车内空气质量,包括整车气味,和整车VOC

整车车内空气质量

整车气味
在一定环境下,人员 在整车内部所感知到 由整车内零件释放出 的气味。
? 车内第一感观质量 ? 极易引发客户投诉 ? 气味质量因人而异

整车VOC
整车内在常压下沸点 或初馏点低于或等于 250℃,且能自发挥 发的有机化合物,现 特指国标规定的八项 有害物质。
? 直接影响顾客健康 ? 依据有相关国家标准

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用
? 整车VOC要求
车内空气质量标准GB/T 27630—2011 《乘用车内空气质量评价指南》 自2012年 3 月1日起正式生效,标准对整车内空气中苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛 及丙烯醛等8种物质的含量进行了限定

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用

? 整车空气质量控制的困难

供应链控制意识淡薄

前期零件设计关注不足

整车气味、 VOC难以控制

供应商管制意识不足

基本材料与工艺限制

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用

? 上汽整车空气质量的控制策略 -- 系统规划
开发阶段控制
低气味及VOC的材料及工艺选用

量产阶段控制

预防机制

气味及VOC规避清单的建立及应用

同步工程对空气质量进行控制

气味与VOC 的控制标准

巡检机制 抽检机制 处理机制

? 气味及VOC管控标准建立及优化

完成整车气味、VOC控制目标
1、整车VOC满足国标GB/T27630《乘用车内空气质量评价指南》要求 2、整车气味≤3.0级,整车内无明显干扰气味&客户无抱怨
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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用

? 上汽整车空气质量的控制策略 -- 流程控制
开发阶段 量产阶段

方案评审
零件结构、材料、牌号

SOR包发布
明确加入气味、散发与VOC要求
实验室检测PPV、PP和P阶 段整车气味和VOC,并对问 题进行整改 实验室对 SOP量产 后整车及 零件气味 /VOC进行 日常巡检 及批量监 控。

实验室人员参与评审。利用气味材料清单,针对气味与VOC对材料 类别和牌号提出建议

整车气味/VOC
实验室人员参与评审。针对气味与VOC, 对工艺与材料提出建议 TA/TR评审 设计评审 工艺,材料评审,同时对零件气味和 VOC的管控能力评审 实验室完成PPAP中气味及 VOC散发认可和整改

实验室检查零件第三方报告,测试零 件气味。并对不合格零件跟踪整改

工程部门

中心实验室

ESO零件送样和签署
要求供应商出具气味&VOC第三方检测报告

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用

? 上汽整车空气质量的控制策略 --- 材料策略
1) 前期控制:对新开发材料和已应用材料的气味和VOC进行总结,形成材料规避清 单为开发阶段材料选择提供依据。
序号
1

禁用 材料与工艺
酚醛树脂

应用零件
隔音毡

原因

建议解决方案

气味 VOC

材料特性易散发醛类,对 换用其他树脂,如环氧树脂 整车气味和VOC影响较大 原材料苯乙烯特性造成零 换用进口低散发EPS发泡或者 件散发性能差,同时闭孔 EPP发泡 发泡结构不利于气味散发。 使用以下材料: 1、PP空腔板; 木纤维板气味不合格, VOC中甲、乙醛值很高 2、纸蜂窝板; 3、塑料板 工艺陈旧,胶水用量较多, 1、直接注塑,不覆PVC等材料; 影响零件的气味及VOC 2、低散发TPO材料替代PVC 禁用或者使用不含苯类胶水 禁用或者使用不含苯类油漆

2

EPS发泡

缓冲垫

3

木纤维板

行李箱地毯

4

PVC/ABS表皮 含苯类胶水 含苯类油漆

仪表板

5

顶棚、扶手等 材料含苯类物质 饰条、饰框等 材料含苯类物质

6

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用
不推荐使用 材料与工艺
搪塑PVC

序号

应用零件

原因

建议解决方案

气味 VOC

1

仪表板

搪塑PVC表皮常温有明显的 1、换用塑料件; 油腥的气味。乙醛值较高 2、使用TPO材料,但造型有限制

2

EVA材料

地毯

使用以下材料: EVA材料气味不稳定,酸味, 1、无纺布; VOC挥发量高。 2、成型毡
1、气味差 2、有害物质较多

3

沥青

阻尼垫

换用橡胶型、树脂型阻尼垫

4

麻板

衣帽架

使用以下材料: 气味不稳定,易严重影响整 1、LASD水性涂料; 车气味。高温下会产生醛类 2、丁基橡胶; 3、BCM材料 低压注塑工工艺

5

胶水复合工艺 顶棚、扶手等 气味及VOC状态不稳定

6

PP木粉板

衣帽架

木粉气味难以消除,在阳光 换用塑料件、PP玻纤板 照射情况下,木粉气味明显
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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用

? 上汽整车空气质量的控制策略 --- 材料策略
2)科学合理的系统分析: 为了有效的解决整车气味问题,主机厂/供应商必须对零件气味来源进行科学 合理的分析 ? 整车气味来源零件分析
整车空气质量控制的根本在于零件,通过科学合理的分析识别零件问题: ① ESO&PPAP前期认可测试 ② 整车气味/VOC测试 ③ 批量零件气味/VOC测试

? 零件整车气味贡献率分析
科学分析不同零件对整车空气质量的贡献率大小,对不合格零件按影响程度进行分级别管理。 分级因素包括: ① 零件尺寸 ② 零件位置 ③ 零件材料

? 零件气味影响因素分析
科学分析不合格零件气味影响因素,针对不同因素采取相应改进措施 ① 原材料 ② 生产工艺 ③ 生产环境 ④ 包装运输

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用 例:
影响因素
零件
PVC表皮 原材料 PP材料立柱 PU发泡

案例分析 原因分析 方向解决 图示

PVC原料供应商私自将PVC原料中的促媒 重新换用进口PVC材料 由进口换成国产,导致气味超标 PP材料使用国产酰氨类耐刮擦剂,导致 换用进口酰氨类耐刮擦剂,气味由4.5 气味超标 降至3.5。 供应商易地生产后,换用了其他牌号的 重新验证原料配方,气味由4.0降至3.5。 异腈酸酯和多元醇 热溶胶气味与VOC易产生波动 用无味的超声波技术代替热熔胶工艺, 气味由4.5降至3.5。

生产工艺

麻板衣帽架

生产环境

织物复合面料 海棉的气味以及火焰复合产生气味

供应商提高厂房空气流通和加装抽吸风 装置,气味稳定在4.0以下。

包装运输

顶棚本体

在改善面料条件下,同时供应商订制特 殊料架,保证所有零件都散开裸露放置, 顶棚面料与胶水复合工艺导致气味较差 在运输过程中使气味充分散发,气味稳 定在4.0以下。

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1. 提升车内空气质量的材料(工艺)应用 ? 上汽整车空气质量的控制策略 --- 材料策略
3)基础材料与工艺的控制提升 为有效提高整车空气质量,必须对一些重难点基础材料与工艺推动提升。包括:
① PP+EPDM类材料 ⑤ 火焰复合工艺 ② PVC类材料 ⑥ 胶水复合 ③ 黏结剂 ④ 聚酯型PU海棉 ⑧ 搪塑工艺

⑦ 油漆与水转印工艺

4)新材料与新技术的开发 低气味、低VOC的新材料和新技术是整车空气质量的提升方向,但由于成本高、 工艺限制等因素,在实际应用中有待综合平衡,突破应用
① PP空腔板代替木纤维板 ④ 胶水复合替代火焰复合 ② TPO材料替代PVC ⑤ 低压注塑替代胶水复合 ③ PU超纤皮替代真皮 ⑥ 模内注塑料替代油漆与水转印工艺

⑦竹纤维材料的发展

⑧ 木纤维材料的发展


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2. 环境友好材料及工艺应用 ? 免喷涂材料(工艺):
树脂直接注塑成零件即可满足哑光、高光或者闪烁珠光等主机厂要求的 效果。 免喷涂材料成为可能性
减少环 境危害

不露底 美观

免喷涂 材料

易回收 再利用

降低车 内气味、 VOC

降低系 统成本

技术难点:1.外观控制 2. 耐候性 3. 耐刮擦性
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2. 环境友好材料及工艺应用

PC

PC+ABS
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2. 环境友好材料及工艺应用 ? 水转印优化

免底涂水转印件

免底涂PC/ABS底板

传统水转印工艺过程
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免底涂水转印工艺过程
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2. 环境友好材料及工艺应用

? 竹纤维材料在汽车上的发展

日本(NHK Spring)开发的座椅后隔板

三菱公司开发的车门装饰板试制 竹纤维

竹 纤 维 板 主 要 加 工 工 艺

竹纤维制作
竹纤维 丙纶 竹纤维毡

竹纤维毡制作
竹纤维毡

板材压制成型
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热压

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2. 环境友好材料及工艺应用
? 面料复合工艺优化 ? 火焰复合工艺成熟稳定,是目前行业内主要的加工工艺,但加工中(如右图所示) 燃烧海绵的过程中产生大量的气味,一方面对环境造成很大的影响,另一方面对产品 的VOC以及气味也有明显的影响 ? 胶水/ 粉复合是目前正在开发采用的新的面料复合技术,目前可以部分替代火焰复合

火焰复合

胶水/粉复合

遮阳板总成 上海汽车集团股份有限公司乘用车公司 SAIC Motor Passenger Vehicle Co.

A柱上饰板 57

3. 材料合规 --禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控

? 全球汽车禁用有害物质与回收利用管控挑战 韩国

有毒物质控制法 资源回收法案 报废汽车再生法 化学物质审查法 资源有效利用促进法

日本
?

美国
?有毒物质控制法 ?职业安全健康法 ?消费品安全改进法 ?清洁空气法案 ?各州具体要求

?

中国 欧盟
?ELV/RRR ?RoHS ?REACH ?WEEE ?电池指令 ?包装指令
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?电子电器产品污染物控制管理办法 ?新化学物质环境管理办法 ?中国汽车产品回收利用政策 ?汽车产品限制使用有害物质和可回 利用率管理办法(即将发布)

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3. 材料合规 -- 禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控

? 公司策略: 统一执行欧盟ELV/RRR法规,确保满足任何潜在市场认证要求

? 公司国际化市场定位, 各车型均有出口需求,必须按严要求执行 ? ELV/RRR法规是执行欧盟法规市场的准入要求,无证书无市场 ? 产品一致性管控极为重要,违规将导致产品召回、罚款、甚至法 人 监禁

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3. 材料合规 -- 禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控
? 禁用物质管控策略

? 前期开发控制:在研发设计阶段即考虑供应链产品的绿色性,而非通过后
期的整改来满足
关注重点: 再利用的设计 ? 再使用的设计 ? 易拆解的设计 ? 再制造的设计 ? 面向环境的设计
?

重点工作: ?材料及标准选择 ? 紧固件的选择 ?再利用的材料 ?有害物质减量化 ?零部件耐久性 ?可替换性 ?有害材料的替代 ?零件标识 ? ……

? 全流程管理 :汽车材料有害物质管控纳入整车开发流程,形成闭环,有效 确保供应链各环节工作的及时/准确交付

产品技术 要求

产品开发

OTS 零件认可

PPAP 零件认可

合规 零部件

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3. 材料合规 -- 禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控 ? 禁用物质与回收利用管控流程规范
SOP
G9 G8 G7 G6 SOR包发布 明确加入禁用物质、材料标识要求 材料合规工程师制定合规工作计划,跟踪 确认SOR要求,并就高风险零件提出意见 TR评审 TR评审时向供应商明确禁用物质、材料标识 要求,并收集材料合规承诺书 G5 G4 G3 G2 G1 材料合 规工程 师对量 产车型 进行合 规抽检

基于车型立项报告与市场 确定准入法规清单 禁 限 用 物 质 管 控 材料合规工程师补充材料 法规清单,提交可行性分 析报告与实施策略

材料合规工程师开展PPV、PP和P阶段零件 进行内审,提前发现问题,并整改; ?材料合规工程师审核 COC提交的ESO,对 高风险零件进行抽检, 对问题零件进行整改 ? 定期参加vapir与PET 汇报合规状态

材料合规工程师支 持PPAP认可有害 物及材料标识测试 和整改

ESO零件送样和审核 提交禁用物质第三方检测报告,IMDS数据,材料标识照片等

RRR型式认证初始 体系审核

COC提供 支持

RRR型式认证产 品认证

回 收 利 用

材料合规工程师进行供应商/DRE IMDS培训 供应商/DRE IMDS填报与审核支持 回收利用率计算与分析整改

RRR型式认证证 书获取

材 料 法 规 导 入

目标或潜在市场材料法规跟踪研究与解读,转化为内部技术要求,并在公司牵头实施 技术中心 中心实验室

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3. 材料合规 -- 禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控
? 回收利用管控
报废汽车回收利用流程 报废汽车回收 预处理、拆解 机械粉碎

分类回收

零部件

加工 材料 材料回收
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能量回收

丢弃

3. 材料合规 -- 禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控

? 回收利用管控
? 回收利用设计准则一: 材料选择
? ? 尽量减少材料种类或使用兼容性材料 尽可能使用高经济性的可回收利用材料来设计零部件

? 回收利用设计准则二:预处理零件设计
为便于汽车报废时车辆液体的回收,对下列储 液零件,在设计时应设置快速高效的泄放孔; ? ? ? ? ? ? 油箱 发动机油底壳 变速箱/差速器 制动系统 空调系统 液压减震器 ? ? ? ? ? 发动机冷却系统/水箱 液压动力转向系统 风窗洗涤系统 LPG CNG

?
? ?

尽可能 采用回收利用材料来代替原有材料
避免或尽量少使用含有害物质的材料 尽量减少涂/镀层

? 回收利用设计准则三: 拆解/连接工程设计
? ? ? ? ? ? ? 将适当的紧固件限制在功能所需的最小数量; 倾向使用可放松的扣簧紧固件和螺纹紧固件; 设计紧固件时,要使其能够在不造成损伤的情况下拆 脱,易松开,易辨别且易接触 固定车外部件时,避免使用内旋进螺钉(以防污染); 连接塑料部件和塑料夹片时使用相同材料。 使用电力-机械驱动部件的地方,在停电的情况下必须 仍然可以接触到紧固件; 应尽全力确保拆解操作统一,且容易执行。

? 回收利用设计准则二: 材料标识
?橡塑件应采用恰当的符号或缩略语进行标识,以 便于回收材料分类

?标识中的符号和字母高度应不小于3 mm
?材料的标识应不影响制品的使用性能,不削弱或 破坏部件的强度和结构

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3. 材料合规 -- 禁用物质(ELV ) 与 回收利用管控
? 各重点车型禁用物质管控与回收利用成果
荣威550/MG6 荣威350/MG5 MG3

总结
1、全生命周期分析评估 (LCA )
倡导节能减排,实现美丽中国梦,前述的轻量化及环境友好化仅仅是产品从“从摇篮 到坟墓”的全环节管理工作的一部分,对产品全生命周期环境影响的系统评价,将是 未来的发展趋势
? 生命周期评价是一种“从摇篮 到坟墓”的环境管理和分析工 具,它是从产品生命周期全过 程来量化其资源能源消耗和环 境排放,并评价这些消耗和排 放对于资源、生态环境及人体 健康带来的影响。 ? 生命周期评价(Life Cycle Assessment,简称LCA)是 国际上认定绿色产品、评价绿 色度的主要方法。

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2、上汽集团乘用车公司LCA工作思路
例:

零 件

系 统

整 车

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