复合材料在跑车上的应用.docx

1、复合材料在跑车上的应用复合材料结构设计复合材料在跑车上的应用学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料 学生姓名： 学 号： 指导教师： 严学华 2014 年 6 月摘要:未来汽车工业发展的主要方向是:提高汽车性能，保证行车安全舒适、降低油耗及有害气体的排放、提高资源利用率。汽车轻量化不仅能降低油耗，还能减少轮胎的磨损，延长汽车使用寿命。碳纤增强材料是一种高强度复合材料，具有质轻、高强度、耐腐蚀、抗老化、易成型等特点在车身部件中使用碳纤增强材料可降低车身质量，并降低油耗，因此该材料在未来环保车型的开发中具有较强竞争力。木文主要分析车身材料向轻质、易成型、低成木、高稳定性发展的趋势,介

2、绍了碳纤车身覆盖件制造工艺及拼装等要求。关键词:轻量化 碳纤增强材料 性能 质量 车身Abstract: the main direction of automobile industry development in the future is:improving the performance of vehicle, ensure the driving safety and comfort,reduce fuel consumption and harmful gas emissions, improve resource utilization.Lightweight vehicle

3、can not only reduce the fuel consumption, but also reduce the tire wear, prolong the service life of the automobile. Enhanced carbon fiber material is a kind of high strength composite materials, has the advantages of light weight, high strength, corrosion resistance, anti-aging, shaping easily use

4、carbon fiber reinforced material can reduce the body mass in body parts, and reduce fuel consumption, so the material has strong competitiveness in thedevelopment of environmentally friendly models of the future. It mainly analyzes Mu Wen body material is light in weight, easy molding, low cost, hig

5、h stability anddevelopment trend, introduces the carbon fiber body covering partsmanufacturing and assembly requirements.Keywords: lightweight carbon fiber reinforced material performance quality body目录一 引言 5二 汽车车身材料的现状 52.1普通低碳钢板 52. 2特殊钢板 6三 汽车轻量化 73.1汽车轻量化的意义 73.2材料技术在轻量化汽车中的作用 73.3汽车材料技术的发展趋势 73

6、.3.1钢铁材料保持主导地位 73.3.2钢板材料向高强度、高塑性加工性能方向深度扩展 73.3.3铝合金的用量将明显增加 83.3.4镁在汽车上的应用函待开发和推广 8四 汽车车身材料的发展变化 84.1性能的变化 94.2材料的变化 94.3质量的变化 10五 轿跑车车身外形尺寸及主要技术参数 11六 轿跑车车身结构特点 136. 1车身形式及结构特点 136.2复合材料车身构成 14七 碳纤增强复合材料车身的研制 147.1碳纤增强材料在汽车上的应用 147.2碳纤车身覆盖件制造工艺 167.2.1凹模的制作 167.2.2碳纤车身外覆盖件的制作 167.3碳纤车身覆盖件拼装及修磨成型

7、177.3.1确定基准 177.3.2拼装 177.3.3修磨成型 187.4碳纤维复合材料在车身碰撞安全性方而的作用 187.5碳纤维复合材料在底盘传动系统方而的应用 18八 车身制造工艺 198. 1复合材料 198. 2复合材料车身的成型方法 198. 3车身力学性能测试 208.4铝、镁合金材料28在汽车上的应用 208.4.1铝合金 2084.1.1铝合金在汽车上的应用 208.4.1.2铝合金的研究方向 218.4.2镁合金的应用成为汽车材料发展的主要方向 21九 我国汽车碳纤维复合材料应用状况及有待解决的问题 21十 国内外汽车制造新技术 2310.1苏州纳米30所在离子感应致动

8、智能材料研究方面取得进展 2310.2碳纤维增强材料问世可3D打印超强零部件 2310.3瑞典西部大学31研发纳米颗粒基涂层可用于飞机发动机 2410.4麦格纳32生产碳纤维复合材料车身壁板 2410.5科莱恩33致力于发展制造具可持续性的电动车高性能电池技术 2510.6Dytech选择帝斯曼EcoPaXX材料应用于法拉利与玛莎拉蒂油气分离器 25十一 汽车车身材料的发展趋势 2611. 1钢板材料向高强度、高塑性加工性能方向深度扩展 2611. 2铝、镁合金材料使用比例增加 2711. 3车身塑料化、复合材料化 27十二 结束语 28参考文献 29一 引言 随着世界人口不断增多，世界汽车保

9、有量逐渐加大，世界汽车市场的竞争也越趋激烈。现阶段及未来的经济、安全、环保等要求决定了汽车工业发展的主要方向是:提高汽车性能以保证行车安全舒适、降低油耗及有害气体的排放、提高资源利用率。为了达到这些要求，减轻车身重量是各汽车制造商选择的一种十分有效的方法。据研究表明，一般汽车每减轻lkg的重量，1L汽油可使汽车多行驶1. lm。汽车轻量化不仅能降低油耗，还能减少轮胎的磨损，延长汽车使用寿命。在汽车部件中，占汽车总重约20% -25%的白车身是最大的总成部件1，在减轻整车重量方面具有很大的潜力，而车身材料的应用直接关系到白车身的轻重。本文将从车身材料的现状开始，分析车身材料向轻质、易成型、低成本

10、、高稳定性发展的趋势。二 汽车车身材料的现状现构成汽车的零件约有2万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料。据统计，其中约86%是金属材料，而在金属材料中，钢铁材料占了约80%。这说明，在当今的汽车制造中，车身材料的使用仍以钢材为主。这主要有以下两个原因:一方面，传统上汽车车身零件生产采用冲压方式，而钢板冲压车身零件具有材料利用率高、生产率高、便于组织流水生产、可冲制形状复杂的零件和零件互换性好等特点;另一方面，采用钢板作为车身材料，由于钢板具有很高的强度及很强的吸收能量的特性，给汽车增加了安全系数。汽车车身现应用的钢板主要有冷轧钢板和热轧钢板(按生产方式分)。冷轧钢板表面质量高，多用于车身

11、外覆盖件，热轧钢板多用于底盘、车架等要求一定强度且对表面要求不高的车身零件。按钢板特点分，车身用钢板有普通低碳钢板和特殊钢板，特殊钢板包括高强度钢板、涂层钢板、拼焊钢板等。车身材料除钢铁材料外，其它材料包括铝、镁、塑料等也应用了一部分，但目前这些材料的应用比例还很小，有的还处于实验阶段2。2.1普通低碳钢板目前，汽车车身生产中，特别是冲压生产中，使用得最多的是普通低碳钢板。按供货状态分为钢板及钢带。该钢板的厚度大致为0. 2-3. Omm，其中0. 6-2. Omm是现在白车身钢板优选的厚度。其牌号为St12(一般用),St13(冲压用),St14(深冲用),St14 T(超深冲用)、St15

12、(特深冲用)，该牌号为德国标准。这种钢板的尺寸精度非常高，表面质量有两种:高级的精整表面FC(即OS表面)、较高级的精整表面FB(即03表面)，表面粗糙度一般在0. 7-1. 2 um之间，其表面相当光滑。这些低碳钢板具有很好的塑性加工性能，其强度和刚度也能完全满足汽车车身的强度和刚度要求，同时能满足车身拼焊的焊接要求。St12,St13现多用于制造车身结构零件，如前后纵梁、转向器横梁、车身立柱(B)及各零件加强板等。St14,St14一多用于车身外覆盖件，这些零件形状复杂、表面要求高，如前后翼子板、车门内外板、车顶、发动机盖外板、行李箱盖内外板等3。20世纪90年代末期，我国的钢铁企业积极引

13、进、消化吸收国外冶炼技术，在低碳钢的生产上，基本上可以按标准要求供应上述钢板。但其性能的稳定性需进一步加强。目前，普通低碳钢板在中低档汽车车身上应用很广，如桑塔纳LX、捷达、富康等轿车，而特殊钢板在中低档汽车车身上的应用却很少。2. 2特殊钢板特殊钢板是随着汽车车身轻量化的要求而逐步研制、应用的。目前，汽车车身已开始使用的有高强度钢板、涂层钢板及焊接钢板等。 高强钢板是在低碳钢板的基础上采用强化方法得到的抗拉强度在350M P。以上的钢板。强化方法4有:1)固溶强化(添加硅、锰);2)析出强化(添加锯、钦等);3)细晶强化;4)组织强化(相态强化及复合组织强化);5)时效强化;6)加工强化等。

14、其中l)一5)是通过添加合金元素和热处理工艺来控制钢板性质的。这种钢板也具有较高的屈服强度，比一般铝镇静钢的屈服极限要高50% -100%。利用其这种高强度特性，可以在减薄的情况下，依然保持汽车车身的机械性能要求。因此，可以利用其减轻车身重量。现在，在中高档轿车的车身中，高强度钢板的用量已达钢板用量的20% -50%.但是高强度钢板有着自己的缺点:冲压时易产生破裂现象，同时回弹较大，贴模性及定型性较差。目前应用高强度钢板冲压车身零件所产生的问题及采取的相应措施如表1所列。采用高强度钢板，可有效地提高汽车车身的抗冲击性能，防止汽车在行驶过程中由于路面的沙石碰撞产生凹陷，提高汽车的使用寿命。高强度

15、钢板在汽车车身材料中所占重量已从1978年的SOkg上升到1999年的149kg。三 汽车轻量化3.1汽车轻量化的意义6 节能、环保、安全、舒适、智能是汽车发展的新技术趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。降低燃油消耗、降低尾气排放已成为汽车界主攻的方向。减小汽车自身质量是减少燃油消耗及降低排放的最有效措施之一。3.2材料技术在轻量化汽车中的作用上世纪90年代末国际钢铁协会开展了超轻钢汽车车身项目，主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。1997年底PNGV选出了4项最有应用前景的技术，其中之一就是轻质材料技术。 2000年通用汽车公司在

16、底特律国际车展上展出的概念车Precept车身采用铝空间构架，质量比相同结构钢的车身小45%，底盘采用铝和复合材料，仅为195kg，而通常的轿车底盘为450kgo 采用轻质材料必须考虑成本。宝马公司以BM W车型的更新换代为例，阐述了材料、设计、成本与质量之间的关系。在整车的制造成本中，材料占53% ,生产占30%、开发占5%、生产准备占2%、其他占10%。设计、材料、成本之间的关系见下图，通过优化设计，质量可以减小，B处为最佳的轻量化设计。若采用轻量化材料并进行优化，质量还可以进一步减小，但成本将不断增加。C处为最佳的设计和材料，此处成本增加不多，而降重效果显著。所以，要扩大铝、镁合金在汽车

17、上的应用，还应在降低成本上下功夫。轻量化材料与被替代材料的减小质量及相对成本见表1。3.3汽车材料技术的发展趋势3.3.1钢铁材料保持主导地位 从表2可看出，汽车用钢铁材料的比例逐年减少7，而铝和塑料的比例不断上升。但钢铁材料仍然保持其主导地位。 3.3.2钢板材料向高强度、高塑性加工性能方向深度扩展在未来的半个世纪中，钢板材料仍是车身材料的主流，其开发将向更高强度、更易塑性加工的方向发展，以减轻车身重量。 3.3.3铝合金的用量将明显增加 世界铝协统计，1995-2001年铝在汽车上的应用翻了一番，预计到2008年还将再翻一番。在过去的5年里，汽车用铝增长率超过80%，预测至2008年中级轿

18、车平均每车用铝量将增加到130kg，与1998年相比增长53% 。3.3.4镁在汽车上的应用函待开发和推广 镁的密度很小8，且具有较高的比强度和比弹性模量、良好的刚性和抗电磁干扰屏蔽性、高的阻尼性能和减震抗冲击能力，切削加工性和尺寸稳定性优于铝。镁合金易于回收利用，应用极为广泛，是汽车工业中最有发展前景的轻金属结构材料。目前，镁在世界汽车工业中的年增长率为15%以上，该增长趋势预计至少会持续到2010年以后。四 汽车车身材料的发展变化随着车身材料的发展，车身的材料虽然仍以钢材为主，但材料的性能和比例都发生了改变，安全性、经济性和实用性得到了提高。汽车钢质车身材料比例发展趋势见表39。表3 钢质

19、车身材料比例发展趋势图 汽车车身材料主要在性能、材料选择、质量上发生了巨大的变化。4.1性能的变化（1)刚度、强度的提高现代车身高强度钢、超高强度钢、薄钢板广泛应用于轿车外板、车门、顶盖和行李厢盖等部位，车身的强度、塑性、耐腐蚀性和点焊等性能得到很大提高。（2)塑性、韧性的增加车身材料的塑性和韧性非常重要，现代车身材料通常使用增塑剂、回火处理等方式来提高塑性和韧性。同时也会增加Si.Mn. S. Sn等微合金元素在金属材料中的应用，来改善金属的性能。 (3)防腐蚀钢铁材料具有优秀的强度、刚度、硬度以及加工性，但是钢材的最大的问题就是耐腐蚀性差。铁的氧化和其中碳的含量关系很大，碳会使铁合金内部形

20、成原电池反应，使铁失去电子而氧化。对于钢制车身来说，材料生锈会吸附更多水气而加快其腐蚀，影响到车身整体强度，因此，防腐蚀尤为重要。4.2材料的变化（1）碳纤维材料 碳纤维在汽车领域主要应用在赛车上11，目前跑车级别的车辆也有应用。碳纤维是一种纤维丝状的材料，在制作成型时需要像织布一样纺织成片状，用有机胶浸润成形并固化，制作过程类似于玻璃钢，具有较好的韧性和抗拉强度，且重量只有钢的1/40。不过碳纤维缺乏延展性，在受到超出极限的冲击时，碳纤维结构会如同玻璃一样破碎。而且碳纤维与其它材料的连接也是个问题，使用传统的栓接，连接孔周围很容易产生裂纹，难以维修。（2)塑料件材料 塑料是以合成树脂为基体，

21、并加入某些添加剂制成的高分子材料。它在一定温度、一定压力卜可以塑造成各种形状的部件。塑料件材料密度小，耐腐性能好，在车身上应用较为广泛，目前在内饰件、外装件、结构件等部件中的用量明显增加。（3)高分子材料除了以上的材料外，高分子汽车材料、塑料、复合材料、可降解材料也是未来车身材料的发展方向。高分子汽车材料有很多以往传统材料没有的优点，主要表现在重量轻、有良好的外观装饰效果、有多种实际应用功能、有良好的理化性能、容易加工成型、节约能源，可持续利用等各方面。4.3质量的变化(1)铝合金随着汽车工业的不断发展，人们对汽车轻量化和环保性的要求越来越高，铝因为具有安全可靠、节能环保、质轻、耐磨、耐腐蚀、

22、弹性好、比刚度和比强度高、抗冲击性能优、加工成型性好和再生性高等特点，成为轻型化汽车的首选材料。铝合金车身汽车也因其节能低耗、安全舒适及相对载重能力强等优点而备受关注。铝的用途比较广泛，在汽车上的使用比例呈逐年递增的趋势。目前，奥迪12的几款车型均有使用(图4)图4 铝合金车身结构图（2)镁合金 镁合金密度更小，强度大，吸能性好，主要可分为铸造镁合金和变形镁合金。铸造镁合金多用于压铸工艺生产。生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织优良、可生产薄壁及形状复杂的构件。变形镁合金可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工。具有更高的强度、更好的塑性和更多的样式规格。其质量较轻，是钢的y.5，

23、比强度是铝合金的1. 8倍，切削性好，易加工。(3)复合材料复合材料13是由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料，采用人工方法制造组成，性能优于各组分单独存在时的性能，具有密度、强度高，吸能性更好等特点。复合材料的开发是以改善性能、改善加工性、降低成木为目的的，其在未来车身轻量化发展中的地位和作用会越来越明显，目前也己被应用到车身材料中(图5)。图5 复合材料在车身上的应用 随着车身轻金属、复合材料等车身材料技术的发展，相信未来车身会口渐趋于轻量化、节能化、高标准化，汽车业将达到一个崭新的高度。五 轿跑车车身外形尺寸及主要技术参数 轿跑车车身结构14为三门两厢为主，装备沈阳航天三菱汽车发动机

24、制造有限公司生产的4G64S4M(排量2. 351 L)型发动机(功率:100/5 500 kW/ (r/min)，扭矩:200 /2 750 Nm/(r/min) )，发动机为直列四缸、水冷电喷汽油机。发动机和变速器均为横置，4 x2前轮驱动。变速器为五前一倒手排挡形式，近距离双软轴操纵换挡。车身为全承载式，三门两厢，乘员数4人(含驾驶员)。前后悬架都为独立式。EQ7240BP轿车外廓尺寸简图如图6所示。东风车辆新产品技术参数如表1所示。图6 轿车外轮廓尺寸简图六 轿跑车车身结构特点6. 1车身形式及结构特点轿车车身按承载方式15分为非承载式和承载式车身，轿跑车的车身为承载式。车身主体兼做车

25、架，承受底盘全部载荷。它具有整车质量轻，车身整体薄壳结构刚度好、变形量小等优点(图7)。采用复合材料制作车身，在设计时对其截而形状，受力方向，力的传递，力矩作用的位置进行了认真研究和试验对比，结构设计主要有如下特点:(1)车身采用一次整体成型技术，车身内板和车身外板为整体结构，具有刚性好，变形量小、抗撞击能力强、安全性高等显著特点。(2)车身承载骨架均互相连接，分布于整个车身范围，形成承载结构的网络，当外力作用于车身本体的某一部分时，车身本体骨架结构件将不同程度受到力的作用呈最佳承载结构。(3)薄壁骨架上应力较大部位与金属车身相同，增加加强板和加强筋(局部增加复合材料厚度)，较大平而处设计异型

26、槽、加强筋、折边或翻边等形成变截而，使各处应力均匀，如前地板、减震器悬置支座及发动机盖板。(4)车身构成刚性节点(预埋金属件)处，体积或截而积增大，如前、中、后支柱与侧围及顶盖连接处。(5)车身内外板、车门内外板采用复合材料粘接工艺，使之处处相连结。与金属车身焊点间距40 - 60 mm相比，其强度高，寿命长，制作方便。(6)对于金属车身上的凸焊螺母，复合材料则采用预埋螺母方式，其中对预埋螺母进行特殊设计，使之成为四方梯形表而带花纹螺母，并对其热处理加工工艺提出特殊要求，以此防卜预埋件生锈，保证预埋螺母强度。(7)采用车身整体成型技术使车身零件数量大大减少，一般金属车身由350个左右的冲压件通

27、过组焊而成，而复合材料车身则锐减为20多个部件17。图7 车身形式及结构6.2复合材料车身构成 轿跑车车身分为油漆前车身和油漆后车身18。油漆前车身亦称白车身，为车身主体，由地板、侧围、顶盖、发动机舱、后行李箱组成，作为发动机、前后减震器和底盘部件的固定承载体。用于联结零部件的螺母大部分被埋在车身上，全车共有2so多个预埋螺母。车身地板承受乘员和货物的全部载荷。所构成侧围的前、中、后支柱都是空间闭合断而的曲边梁，特别是中支柱形状复杂，是车门受力后，侧而负荷传递的直接承载者。乘员客舱有前围挡板和后围挡板形成，主要承担横向变形。油漆后车身主要由车身主体、发动机罩、行李箱盖、左右翼子板、前后保险杠外

28、覆盖件组成。七 碳纤增强复合材料车身的研制7.1碳纤增强材料在汽车上的应用碳纤增强复合材料19是一种在航空航天、军工产品中得到广泛应用的高性能复合材料。以往由于其成本居高，仅在少量生产的赛车等昂贵车型中有所应用。目前随着大丝束碳纤维(LT)生产技术的发展，碳纤的价格有了大幅度的降低，加之碳纤增强复合材料具有比重轻、弯曲模量高、强度高、耐短时高温、耐腐蚀，抗老化、耐磨性好、可设计性、良好的绝缘性能和介电性能以及透微波、易成型、对其变型量可通过骨架适当调整等特点，因此得到国内外各大汽车公司的广泛关注。随着碳纤生产工艺技术的重大突破，碳纤的价格预计可以大大下降，这为碳纤增强材料在汽车上的应用开辟了广

29、阔前景。目前，BMW公司20已在其开发的Z-9 , Z-22车中大量采用碳纤维增强复合材料车身结构件，2003年M3系列车型上的顶盖和车身结构部件采用碳纤维增强复合材料。日产汽车公司的“Skylinegt-r”的外装材料已使用碳纤维复合材料;丰田汽车公司自1996年秋起已将碳纤维复合材料用于“MARK II 等3种车的内装材料，这两家公司都正与日本东丽公司共同开发碳纤维复合材料车身覆盖件，应用于载货车上。大众汽车公司在“2L车CC1研究项目中，应用了较多的碳纤维复合材料，其中用于车身的比例高达45%。由于目前碳纤维的价格偏高，碳纤维增强复合材料车身仅仅是在高档车型或小批量车型上得到实际应用，今

30、后随着大兹束碳纤维价格的进一步下降，预计将应用于更多的车型。可以说，未来潜在市场前景巨大。法国SP系统公司展示了一个用于Boxster S车的碳纤维复合材料发动机罩盖，碳纤维材料体系是由碳纤维增强材料和预催化树脂薄膜的交替层组成，使用树脂薄膜浸渍技术来加工制成的。碳纤维复合材料可多层积层快速铺放，它能在不使用热压罐的情况下低温固化，产生高质量无空隙A级表而光洁度的部件。发动机罩盖采用碳纤维复合材料不仅质量轻，而且便于生产，综合成本低于金属发动机罩盖。通用Chevrolet Corvette Z06纪念版轿车发动机罩盖采用碳纤维复合材料，质量仅为9.3 kg。该车发动机罩盖外板完全采用碳纤维/环

31、氧复合材料制备，内板为碳纤SMC和低密度玻纤SMC共混而成。 英国材料系统实验室(MSL)曾就各种材料对车身轻量化效果及其生产成本进行过研究。结果表明，碳纤维增强复合材料的车身质量仅172 kg，而钢制车身质量为367.9 kg，碳纤维复合材料轻量化效果达53%以上。 在车身部件中使用碳纤增强材料，至少可达到降低2010一3010的重量或更高的减重目标。根据国外研究测算，汽车每降重10/0，可以降低燃油消耗fFlo，有利于节能、减少排放。因此，碳纤增强材料在未来环保车型的开发中具有较强的竞争力，也有良好的社会效益。目前，碳纤增强复合材料车身仅仅是在高档车型或小批量车型上得到实际应用，今后随着大

32、丝束碳纤维价格的进一步下降，预期将应用于更多车型。 7.2碳纤车身覆盖件制造工艺 碳纤车身覆盖件加工工艺分3个阶段21，即凹模的制作、碳纤车身覆盖件的制作、碳纤件成品的安装。7.2.1凹模的制作 (1)对油泥模型进行精修(面的平整光顺、线条的流畅衔接、间隙的定义等，确保对碳纤车外覆盖件凹模内表面质量); (2)测量分析数据(作型面修整、机构设计、添加骨架的依据之一); (3)制作lmm厚分模纸板(在分缝线基础上，基于方便凹模脱模); (4)材料加工(在清洁的塑料杯中，水加热保温日本产积层树脂213A iB在75的树脂和人工整理日本产Q 6mm厚碳纤维布); (5)凹模制作:均匀铺设适量积层树脂213A