Einführung in die Automobil-Stanztechnologie
Die weiße Karosserie eines Personenkraftwagens umfasst die Unterkarosserie, den oberen Karosserierahmen, Türen, Motorhaube, Gepäckraumdeckel, Kotflügel und andere Komponenten. Es ist die Installationsgrundlage für Motor, Getriebe, Kraftübertragungssystem, Bremssystem, Federungssystem, Abgasanlage, Elektrik und Innenraumkomponenten und erfüllt durch seine entsprechende konstruktive Gestaltung die Sicherheitsanforderungen seiner Mitglieder. Der Zweck einer leichten Fahrzeugkarosserie besteht darin, das Gewicht des Karosserieskeletts zu reduzieren und gleichzeitig die strukturelle Schlagfestigkeit, Steifigkeit, Festigkeit und NVH-Leistung der Fahrzeugkarosserie sicherzustellen, ohne die Herstellungskosten der Fahrzeugkarosserie zu erhöhen, um die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu verbessern das gesamte Fahrzeugprodukt.
Leichte Materialien
Zu den ständig wachsenden hochfesten und leichten Materialien, die in Autokarosserien verwendet werden, gehören hauptsächlich hochfester Stahl und ultrahochfester Stahl, Aluminiumlegierungen, technische Kunststoffe aus Magnesiumlegierungen und nachgiebige Materialien.
Hochfester Stahl
Hochfester Stahl wird hauptsächlich in wichtigen Teilen wie vorderen Antikollisionsträgern, A-, B- und C-Säulenverstärkungen, Schwellenträgern, Tür-Antikollisionsträgern und Dachquerträgern verwendet und wächst im Verhältnis zum Publikum allmählich. Der Anteil hochfester Stähle, die in einigen europäischen und amerikanischen Autokarosserien verwendet werden, liegt bei über 60 %, beispielsweise bei Audi A3, BMW 3er, Cadillac ATS, Ford Mondeo usw.; Der Anteil an hochfestem Stahl liegt auch in japanischen Automodellen bei über 50 %, beispielsweise im Infiniti Q50, im Honda Civic usw.;
Aluminiumlegierung
Die Aluminiumlegierung hat sich nach und nach von der Motorhaube auf die Kotflügel, den Kofferraumdeckel und die Türen ausgeweitet, und einige High-End-Autos haben eine Karosserie aus Vollaluminiumlegierung erreicht.
Magnesiumlegierung
Die Magnesiumlegierung hat sich vom Lenkradrahmen und Sitzrahmen bis hin zu Lenkunterstützungs- und Getriebegehäusekomponenten weiterentwickelt;
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe
Bei Komponenten wie Frontmodulen, Heckklappen und Ansaugkrümmern werden zunehmend faserverstärkte Verbundwerkstoffe eingesetzt. Kohlefaser-Verbundwerkstoffe haben sich von Sportwagen und Luxusautos auf Anwendungen im mittleren bis oberen Preissegment und bei Elektrofahrzeugen ausgeweitet. Die Karosseriestruktur einer bestimmten Limousine mit vier Türen und zwei Abdeckungen, wie im Bild dargestellt.
Strukturoptimierungsdesign
Im Hinblick auf das Strukturoptimierungsdesign ist es wichtiger, bereits in der frühen Phase der Fahrzeugentwicklung einen vernünftigeren Designplan für die Karosseriestruktur zu erstellen. Derzeit entwickelt sich das Leichtbaudesign von Fahrzeugkarosseriestrukturen aus mehreren Materialien in Richtung des Aufbaus einer parametrisierten Designplattform (wie in der Abbildung dargestellt) unter Anwendung von Topologieoptimierung, Größenoptimierung, Morphologieoptimierung, Mehrzieloptimierung und integrierter Optimierung des Strukturmaterialdesigns Leistung.
1, Materialanwendung
1. Hochfester Stahl wird hauptsächlich für Innen- und Außenverkleidungen von Fahrzeugen sowie für Strukturbauteile verwendet. Gleichzeitig kann hochfester Stahl die passive Sicherheit der Fahrzeugkarosserie wirksam verbessern. Die Anwendung fortschrittlicher Steifigkeit in ultraleichten Stahlkarosserien und fortschrittlichen Konzeptfahrzeugen bietet vielversprechende Aussichten auf Gewichtsreduzierung, Energieeinsparung, Sicherheitsverbesserung und Emissionsreduzierung. Trotz Herausforderungen wie Rückprall beim Formen ist hochfester Stahl im Vergleich zu anderen alternativen Materialien immer noch das kostengünstigste und attraktivste Material. 2. Der Einsatz von Aluminiumlegierungen begann in den 1990er Jahren, vertreten durch die komplett aus Aluminium gefertigte Space-Frame-Karosserie von Audi. Das Audi All Aluminium Body Framework (ASF)-Konzept wurde vorgeschlagen und entsprechende Audi100, Audi A8 und A2 der ersten Generation wurden auf den Markt gebracht. Neben Audi haben auch andere Unternehmen Vollaluminiumkarosserien auf den Markt gebracht, wie Jaguar XJ, New Range Rover, Mercedes Benz S-Klasse usw., wie in der Abbildung dargestellt.
Verformte Aluminiumlegierungen haben sich schnell für die Anwendung von Strukturteilen auf Karosserieteilebene entwickelt, wie z. B. dem immer beliebter werdenden Gepäckraumdeckel, der Motorraumabdeckung, der Hecktür, dem Stoßfängerträger usw. aus Aluminiumlegierung. Mit der Entwicklung und Anwendung neuer Materialien wie z. B. verfestigt Aluminiumlegierungen, pulvermetallurgische Aluminiumlegierungen, superplastische Aluminiumlegierungen, Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe und Schaumaluminium, Aluminiumlegierungen werden in Zukunft weiter ausgebaut, und Gussteile, Profile. Die Situation der Kombination von Blech und Aluminium wird voraussichtlich zum zweitgrößten Automobilmaterial werden nach Stahl in der Zukunft.
Audi A8 Vollaluminiumkarosserie
3. Magnesiumlegierung
Derzeit ist Magnesiumlegierung hauptsächlich im Lenkradrahmen der Fahrzeugkarosserie konzentriert. Der Armaturenbrettrahmen, der Sitzrahmen und andere Komponenten wurden noch nicht in Massenproduktion hergestellt und in Strukturbauteile für weiße Karosserien eingesetzt. Derzeit wurde nur ein bestimmtes Chrysler-Modell ausprobiert, wie im Bild gezeigt. Aufgrund der eingeschränkten Korrosionsbeständigkeit und Formgebung haben Magnesiumlegierungen bisher keine breite Anwendung gefunden.
4. Verbundwerkstoffe
Die Verbundwerkstofftechnologie in der Automobilindustrie wurde zunächst bei Stoßfängern angewendet, gefolgt von der Herstellung von Federstahlplatten mit variablem Querschnitt anstelle von Stahlplatten und später zur Herstellung von vier Türen und zwei Abdeckungen. Der großflächige Einsatz von Verbundwerkstoffen erfolgte nach Mitte der 20er-Jahre. Im Jahr 1990 entwickelten Ford und Chrysler nacheinander Verbundwerkstoffe.
Verbundwerkstoffe haben viele Vorteile, mit denen Metallwerkstoffe nicht mithalten können: geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit und hoher spezifischer Modul; Die Materialeigenschaften sind gestaltbar; Das Produktstrukturdesign verfügt über einen großen Freiheitsgrad, wodurch ein integriertes und modulares Design leicht erreicht werden kann. Gute Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit, Schalldämmung und Geräuschreduzierung; Es können mehrere Formprozesse eingesetzt werden, was zu niedrigen Formkosten führt; A-Grade-Oberfläche, kann Sprühen und andere Prozesse vermeiden; Geringe Investition und kurzer Produktionszyklus. Derzeit besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung leichter Automobile. Aus einer umfassenden Perspektive der Kosten-Leistungs-Entwicklung sind harzbasierte kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe die bevorzugte Wahl für Verbundwerkstoffe, die in Strukturbauteilen der Fahrzeugkarosserie verwendet werden. Es kann auf Motorraumabdeckungen, Kotflügel, Dach, Gepäckraum, Türverkleidungen und leichte Strukturbauteile des Fahrgestells angewendet werden.
Mit der Entwicklung der Verbundwerkstofftechnologie für die Automobilindustrie wurde sie in großem Umfang in Sportwagen und Luxusautos eingesetzt. Im Vergleich zu Bauteilen aus Aluminiumlegierungen können Verbundwerkstoffe das Gewicht um etwa 50 % reduzieren. Derzeit hat sich die Kohlenstofffaser in Autos von unidirektionalen Fasern und bidirektionalen gewebten Materialien zu mehrachsigen vorgefertigten Hohlkörpern aus Kohlenstofffasern entwickelt, die verschiedene Formen und Strukturen von Automobilkomponenten annehmen können, wie die Anwendung von Verbundwerkstoffen in BMW I3-Elektrofahrzeugen zeigt.
2, Herstellungsprozess
1. Die Warmumformung zeichnet sich durch hohe Präzision und gute Umformleistung aus und wird häufig bei der Herstellung von hochfesten Automobilstoßstangen, Türsturzbügeln, A-, B- und C-Säulenverstärkungen, Dachrahmen, Mittelkanälen und anderen Sicherheits- und Strukturkomponenten eingesetzt . Derzeit entwickelt sich diese Technologie im Ausland rasant und wird von General Motors in den USA, Ford, Volkswagen in Deutschland und anderen zur Herstellung hochfester Stanzteile eingesetzt. Auch der untere Teil der Karosserie des China FAW Hongqi H7 nutzt die Warmumformtechnik in großem Maßstab, wie in der Abbildung dargestellt:
2. Laserschweißen
Im Jahr 1985 führte Audi erfolgreich das weltweit erste lasergeschweißte Blech ein. In den 1990er Jahren begannen große Automobilunternehmen in Europa, Amerika und Japan, die Laserschweißtechnologie in großem Umfang einzusetzen. In den letzten Jahren wurde diese Technologie weltweit in großem Umfang bei der Konstruktion und Herstellung neuer Fahrzeugkarosserien aus Stahl eingesetzt. Wie im Bild zu sehen ist, werden die typischen Strukturbauteile der FAW H7-Fahrzeugkarosserie in China per Laser geschweißt.
Der Einsatz der Laserschweißtechnologie kann die Anzahl der Automobilkomponenten reduzieren, das Fahrzeuggewicht reduzieren, die Rohstoffausnutzung verbessern, die strukturelle Funktionalität verbessern und die Flexibilität des Produktdesigns erhöhen.
3. Platte mit unterschiedlicher Dicke
Nach dem Laserschweißen werden Bleche unterschiedlicher Dicke hergestellt, um die Probleme lasergeschweißter Bleche zu lösen. Der Produktionsprozess ist in der Abbildung dargestellt
Bleche mit unterschiedlicher Dicke können lasergeschweißte Bleche ersetzen, um eine bessere Gewichtsreduzierung zu erreichen. Es ersetzt das Laserschweißen von Blechen jedoch nicht vollständig, denn mit dem Laserschweißen können nicht nur Bleche unterschiedlicher Dicke, sondern auch Bleche unterschiedlicher Materialien und Stärken miteinander verschweißt werden. Platten unterschiedlicher Dicke können diese Funktion nicht erfüllen.
3, Kostenschätzung
Im Vergleich zu anderen Leichtbaumaterialien ist hochfester Stahl kostengünstiger und wirtschaftlich, und seine weitverbreitete Anwendung kann die Sicherheit von Fahrzeugen verbessern. Hochfester Stahl kann die Materialstärke reduzieren, so dass er im Vergleich zu gewöhnlichen Stahlplatten größer gemacht werden kann, ohne die Kosten wesentlich zu erhöhen, die etwa das 1,5-fache der Kosten gewöhnlicher Stahlplatten betragen.
Dichte der Aluminiumlegierung: 2,68 g/cm³, nur ein Drittel der Stahlplatte. Bedenkt man, dass die Verwendung von Aluminium eine Vergrößerung der Dicke und des Querschnitts erfordert, kann das Gewicht um 30 bis 50 % reduziert werden. Im Vergleich zu Stahlplatten erhöhen sich die Kosten für allgemeine Aluminiumplatten um das 2-5-fache.
Kohlefaserverbundwerkstoff mit einer Dichte von 1,5 g/cm³, weniger als 1/5 von Stahl. Durch den Einsatz von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen an Autotüren, Motorraumabdeckungen und Gepäckraumabdeckungen kann das Gewicht um mehr als 50 % reduziert werden, und die Materialkosten sind mehr als fünfmal höher als die von Stahlplatten.
4, Leichtgewichtsniveau
Die heimische Automobil-Leichtbauindustrie hat keine Größenordnung erreicht, die Industriekette ist nicht vollständig genug und es besteht eine erhebliche Lücke zum Ausland. Mehr als 60 % der internationalen Mainstream-Automodelle verfügen über hochfeste Stahlkarosserien, und Stahl mit Festigkeitswerten von 780 MPa und 980 MPa ist in Karosseriekomponenten weit verbreitet. Hochfester Stahl kann das Gewicht von Teilen um 20-30 % reduzieren, ohne dass Sicherheit und Komfort beeinträchtigt werden.
Einige Komponenten von High-End-Automodellen in ausländischen oder inländischen Joint Ventures verwenden Leichtbaumaterialien. Technische Kunststoffkomponenten können das Gewicht um 30 bis 35 % im Vergleich zu Stahlkomponenten reduzieren, Aluminiumlegierungskomponenten können das Gewicht ebenfalls um 30 bis 50 % im Vergleich zu Stahlkomponenten reduzieren, Magnesiumlegierungskomponenten können das Gewicht um 40 bis 55 % im Vergleich zu Stahl reduzieren Komponenten und Kohlefaserverbundbauteile können das Gewicht im Vergleich zu Stahlbauteilen um 40 bis 60 % reduzieren.
5, Fahrzeugleichtbau-Technologiepfad
Der Leichtbaupfad fremder Fahrzeugkarosserien ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Durch die Nutzung ausländischer Technologien kann der Entwicklungspfad der Leichtbau-Karosserietechnologie in China erkundet werden
1. Kurzfristig
Ziel: Den Anteil der Verwendung von hochfestem und ultrahochfestem Stahl erhöhen, die Dicke von Stahlplatten angemessen reduzieren, fortschrittliche Umformtechnologie und Verbindungstechnologie umfassend anwenden und das erwartete Leichtbauziel erreichen.
Ansatz: Hochfester Stahl, ultrahochfester Stahl, technische Kunststoffe und die entsprechende Anwendung von Magnesium-Aluminium-Legierungen und Verbundwerkstoffen werden verwendet, um das Design der Strukturparameter der Fahrzeugkarosserie zu optimieren. Die Dicke, Querschnittsform und Größe von Euro-Stahlplatten werden ebenfalls häufig verwendet, einschließlich Laserschweißen, Warmumformverfahren und fortschrittlichen Verbindungstechnologien.
2. Halbzeit
Ziel: Beherrschung der Eigenschaften und Verbindungstechnologie von Aluminium-Magnesium-Legierungen und Verbundwerkstoffen sowie der integrierten, leichten, kollaborativen Optimierungsdesignmethode mit mehreren Zielen für die Strukturmaterialleistung und Schließung der Lücke zwischen den erforderlichen und ausländischen technischen Niveaus.
Pfad: Erweitern Sie den Anwendungsanteil und die Menge von Aluminium-Magnesium-Legierungen und Verbundwerkstoffen in Autokarosserien, optimieren Sie das Design von Komponentenstrukturen aus Aluminium-Magnesium-Legierungen und faserverstärkten Verbundwerkstoffen auf der Grundlage von Materialeigenschaften und nutzen Sie die Leistungsvorteile der Materialien selbst voll aus.
3. Langfristig
Ziel: Beherrschen Sie nach und nach die Eigenschaften von Kohlefaserverbundwerkstoffen, Komponentenkonstruktionsmethoden, effizienten Herstellungsprozessen, Leistungskontrollmethoden und Verbindungstechnologien und erreichen Sie nach und nach das Niveau der Automobilleichtbautechnologie in Industrieländern in der Automobilindustrie.
Ansatz: Beherrscht die Konstruktion, Herstellung und Verbindungstechnologie von Hybridfahrzeugkarosserien aus Stahl und Aluminium und beherrscht schrittweise das Strukturdesign von Komponenten aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Effiziente Herstellung, Leistungskontrolle und Verbindungstechnik werden den Anwendungsanteil von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen in Automobilen erweitern.
