汽车车身节能技术

1、第五章第五章 汽车车身节能技术汽车车身节能技术 车身造型的发展 车身造型设计的空气动力学 车身造型设计的发展趋势 第一节第一节 车身造型车身造型 第二节第二节 车身结构轻量化车身结构轻量化 车身轻量化技术概述 车身结构轻量化的途径 车身结构轻量化的发展趋势 第一节第一节 车身造型车身造型 一、车身造型的发展一、车身造型的发展 马车状汽车马车状汽车 厢型车厢型车 船型船型 “甲壳虫甲壳虫” 型型 鱼型鱼型 楔型楔型 子弹头型子弹头型 二、车身造型设计的空气动力学概念二、车身造型设计的空气动力学概念 1.汽车空气阻力系数 图图5-8 汽车受到的气动力和力矩示意图汽车受到的气动力和力矩示意图 合成气

2、流相对速度；合成气流相对速度； 纵向气流相对速度；纵向气流相对速度； 侧向气流相对速度（侧风速侧向气流相对速度（侧风速 度）；度）； 横摆角，；横摆角，； D车身纵向气动阻力车身纵向气动阻力(x轴方向）；轴方向）； S车身侧向气动阻力车身侧向气动阻力(y轴方向）；轴方向）； L车身垂直方向的气动阻力（车身垂直方向的气动阻力（z轴方轴方 向）；向）； PM纵倾力矩（绕纵倾力矩（绕y轴）；轴）； RM侧倾力矩（绕侧倾力矩（绕x轴）；轴）； YM横摆力矩（绕横摆力矩（绕z轴）；轴）； a轴距。轴距。 力和力矩力和力矩系系 数数 横摆角= 0时车身纵向作用的气 动阻力D 气动阻力系数 垂直于路面的升力

3、L升力系数 垂直于车身对称面（x，y）的侧 向力S 侧向力系数 绕x轴的侧倾力矩RM侧倾力矩系数 绕y轴的纵倾力矩PM纵倾力矩系数 绕z轴的横摆力矩YM横摆力矩系数 表表5-1 气动力和力矩及其系数气动力和力矩及其系数 2.汽车阻力特性 空气阻力所消 耗的功率与车速的 三次方成正比，在 车速高的时候，空 气阻力将是主要的 阻力。 图图5-9 行驶阻力与车速的关系行驶阻力与车速的关系 1）汽车阻力分类 总的空气阻力总的空气阻力 外部阻力外部阻力 内部阻力内部阻力 形状阻力形状阻力诱导阻力诱导阻力 发动机冷发动机冷 却系阻力却系阻力 驾驶室内驾驶室内 空调阻力空调阻力 汽车部件汽车部件 冷却阻力冷

4、却阻力 图图5-10 气动阻力组成气动阻力组成 图图5-11 气动阻力成分及气动阻力成分及 其随车尾倾角的变化其随车尾倾角的变化 CD总阻力系数总阻力系数 CR*摩擦阻力系数摩擦阻力系数 CK*、 CS*、 CB*分别为各部分别为各部 分阻力系数的贡献度分阻力系数的贡献度 2）压差阻力与表面摩擦阻力 压差阻力和表面摩擦阻力的本质来自于气 流的粘性。绕流作用在车身表面，产生了压力 场和切应力场，如果当地的逆压梯度超过了一 定的陡度，则造成气流从车身表面分离。当气 流分离时，产生的压力分布与无粘流不同，随 着产生的边界层厚度的增加，切应力减小，直 至分离点减至零。对表面的压力和切应力进行 积分可得

5、到压差阻力和表面摩擦阻力，它们的 总和就是包括诱导阻力在内的全部外部阻力。 3）诱导阻力 诱导阻力是伴随升力而产生的阻力成分： 式中: CL 诱导阻力系数； CDi升力系数； 宽长比（总宽总长）； 修正系数。 图图5-12 不同尾部外形的汽车的尾流流态图不同尾部外形的汽车的尾流流态图 图图5-13改变尾部倾角对气动阻力系数改变尾部倾角对气动阻力系数CD及后轴升力系数及后轴升力系数 CLR影响的一例影响的一例 3.降低空气阻力系数CD的措施 改善轿车前端形状 改善后窗倾角和车顶拱度 正确选择离地间隙 放置扰流板 优化发动机舱内流场 1）改善轿车前端形状。 图图5-14 改善轿改善轿 车前端形状车

6、前端形状 图图5-15 改善轿改善轿 车前窗倾角、车前窗倾角、 圆弧转角圆弧转角 2）改善后窗倾角和车顶拱度 图图5-16 改善后改善后 窗倾角窗倾角 图图5-17改善车顶改善车顶 拱度拱度 3）正确选择离地间隙 图图5-18 离地间隙离地间隙e对对CD以及升力系数以及升力系数CL的影响的影响 4）放置扰流板 图图5-19 车尾车尾 部扰流板对部扰流板对 CD的影响的影响 图图5-20 后后 视镜对视镜对CD 的影响的影响 5）优化发动机舱内流场 轿车在停车状态下冷却风扇轿车在停车状态下冷却风扇 运转时前部的空气流场运转时前部的空气流场 轿车在高速行驶状态下前部轿车在高速行驶状态下前部 的空气

7、流场的空气流场 冷却气流流过发动冷却气流流过发动 机舱各部位的示意机舱各部位的示意 图图 序号气流通过形式空气阻力系数 1没有冷却空气（前部封闭）0.226 2有冷却空气（下部无障碍流出）0.254 3只从下部专门出口流出0.244 4只从下部带有窄的横向通风槽流出0.236 5只从侧面带有窄的横向通风槽流出0.235 6只从上部带有窄的横向通风槽流出0.223 表表5-2 不同形式气流流过冷却系统后对汽车风阻系数的影响不同形式气流流过冷却系统后对汽车风阻系数的影响 冷却气流流经冷却系统的压 力损失有: 冷却空气经过进气格栅的 压力损失为PG； 流向散热器过程中沿程摩 擦阻力和涡流而造成的压

8、力损失为PE； 流过散热器压力损失为 PK； 流经风扇的压力升高PV。 某轿车冷却系统中压力变化某轿车冷却系统中压力变化 场和冷却空气流场示意图场和冷却空气流场示意图 三、车身造型设计的发展趋势三、车身造型设计的发展趋势 车身造型进一步强调空气动力化。 发动机的布置形式。 设置前、后扰流板等气动力学附加装置，改善气流的流 动状况。 车身乘员舱仍要处于前后轮之间，地板要尽量降低，以 获得较大的室内空间及开阔的视野，保证乘员的舒适性 和安全性。 优化车身细部外形，以减少车身表面的凹凸面和突起物。 目前世界上较为普遍的改善汽车造型的空气动目前世界上较为普遍的改善汽车造型的空气动 力性能方法主要有：力

9、性能方法主要有： 第二节第二节 车身结构轻量化车身结构轻量化 一、车身轻量化技术概述一、车身轻量化技术概述 普通汽车自重质量每减轻100kg，可节油0.20.3L/100km，而 轿车的质量每减轻100kg，可节油0.40.3L/100km；另外根据大量 研究表明，当整车质量减轻10%时，汽车的燃油经济性可提高 3.8%，加速时间减少8%，CO排放量减少4.5%，制动距离减少5%， 轮胎寿命提高7%，转向力减小6%。车身是整个汽车零部件的载 体，其重量约占整车的40%60%。因此实现汽车车身轻量化是改 善汽车经济性的有效方法。 汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使 用两大方面。

10、在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构、 超轻悬架结构、部件薄壁化、中空化，小型化及复合化等来达到 轻量化的目的。在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达 到汽车轻量化的目的。目前主要是采用高强度钢材、铝镁合金， 工程塑料和各种复合材料进行汽车轻量化设计。 二、车身结构轻量化的途径二、车身结构轻量化的途径 （一）车身结构轻量化设计 1.变截面薄板及其在车身制造中的应用 用于车身制造的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板 （Tailor Welded Blanks，TWB），另一种是通过柔性轧制生产工 艺得到的连续变截面板（Tailor Rolling Blanks，TRB）。 TWB是根

11、据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术 把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一 起，然后再进行冲压。TWB可以根据需要任意进行拼接，因而具 有极大的灵活性，并且能按照等强度的概念优化设计一些原来是 等厚度的车身零部件，把它们由原来的锻造加工转换为冲压加工， 既提高加工效率，又节省加工能源。 TRB通过一种新的轧制工艺柔性轧制技术而获得的连续变 截面薄板。 TRB连续变化的截面提供了有利于后续成型加工的可 能性。 TWBTRB 减重 效果 较好较好 机械 性能 和应 用效 果 TWB在沿长度方向上的硬度有 跳跃式的变化,使后续的成型加 工不便；焊缝无法彻底掩盖，不 适宜用

12、作车身外覆盖件材料，一 般只用来制作内覆盖件或支承结 构件。 TRB具有较好的机械性能，沿长度方 向硬度变化平缓，具有更佳的成型性 能；零部件厚度可以连续变化，以适 应车身各部位的承载要求；其表面变 化是连续、光滑，可制作车身外覆盖 件。 工艺 复杂 程度 可通过激光焊接工艺进行任意拼 接；焊缝及其附近会产生局部硬 化，需要一道热处理工艺来消除 硬化效应，从而加大了工艺复杂 程度。 TRB不存在TWB的焊缝问题，但受轧 制工艺和轧机设备的限制，其厚度变 化只能发生在板料的初始轧制方向上； 此外，无法把不同金属材料的板料 “轧制”在一块整板上。 2.TWB与TRB的比较 3.TRB应用中尚需解决

13、的问题 车身覆盖件压模具的设计 对于变截面薄板来说，原来基于等厚度板材所建立的 力学本征模型、数值仿真模型及三维几何模型都不再完全 适用了。需要花大力气重建这些模型，针对变截面薄板的 具体变化特征来重新设计车身覆盖件冲压模具。 变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动性 变截面薄板的引入使车身覆盖件的冲压成型过程变得 更为复杂，在同样的压边力和拉伸力条件下，板料各部位 的变形不均匀，覆盖件的成型更难以控制。 板料回弹问题： 对于TRB来说，由于其本身结构的特殊性，即沿轧制 方向连续变化的截面形状及由此引出的材料机械性能的非 均一化，将会使工件回弹问题变得更为复杂。 （二）车身结构轻量化材料的选择（二）车身结构轻量化材料的选择 使用密度小、强度高的轻质材料，像铝 镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料 等； 使用同密度、同弹性模量而且工艺性能 好的截面厚度较薄的高强度钢； 使用基于新材料加工技术的轻量化结构 用材，如连续挤压变截面型材、金属基 复合材料板、激光焊接板材等。 三、车身结构轻量化的发展趋势三、车身结构轻量化的发展趋势 （一）我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题 需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统 性知识体系； 必须要由国家级的研究机构对其关键