高强度轻量化商用车车轮开发的背景及意义 (1)PPT文档格式.pptx
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高强度轻量化商用车车轮开发的背景及意义 (1)PPT文档格式.pptx
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,6,1.汽车车轮行业概况,7,汽车车轮主要以钢制车轮、铝制车轮为主,也包含极少量的镁合金和碳纤维车轮(主要用于跑车和改装车等)。
乘用车车轮:
为防止爆胎事故,乘用车基本全部采用无内胎车轮。
1.汽车车轮行业概况,车轮一般由轮辐和轮辋组成,轮辐指车轮中间的支撑部分,轮辋指车轮外围与轮胎接触部分。
轮辐采用冲压制造,轮辋采用辊压制造,轮辐和轮辋采用缝焊焊接成车轮整体。
8,1.汽车车轮行业概况,钢制车轮一般不如铝合金车轮美观,所以钢制车轮的仿铝化处理以及加外罩是常见的做法。
9,1.汽车车轮行业概况,10,商用车车轮:
商用车以载货运输为主要目的,要求车轮具有高的承载性能和轻量化性能。
商用车铝合金车轮包括铸造和锻造两种,钢制车轮包括型钢车轮和滚型车轮,四种类型车轮特点见表,高强度轻量化钢制滚型车轮和锻造铝合金车轮代表我国商用车车轮的发展方向。
1.汽车车轮行业概况,商用车车轮,11,目录,12,1,汽车车轮行业分析,2,钢制车轮及车轮钢,3,汽车轻量化及轻量化车轮开发,4,轻量化车轮开发核心技术,5,商用车车轮发展趋势,2.钢制车轮及车轮钢,按照乘用车钢轮每件9kg和商用车钢轮每件40kg计算,乘用车和商用车整车配套钢制车轮年用钢量分别为40万吨和200万吨,加上配件和出口市场,中国车轮用钢总量为300多万吨,其中专用车轮钢约有120-150万吨,国内主要车轮钢生产厂家为本钢、首钢、宝钢、武钢、马钢、安钢和鞍钢,其中本钢和首钢年产量均达到30万吨规模。
13,2.钢制车轮及车轮钢,14,乘用车用钢制车轮存在一定的差距,主要体现在强度级别;
载货商用车用车轮,欧美主要采用高强度钢制宽基车轮、以及少量锻造铝制的宽基车轮,而国内商用车钢制车轮材料的强度还停留在低强度级别(420MPa490,MPa),2.钢制车轮及车轮钢,15,根据中汽协会“十二五规划”,2015年汽车总量预计达到2500万辆,其中乘用车2080万辆,商用车420万辆;
综合国内配套、售后配件和出口的市场需求,2015年车轮产量预测见表,对应的车轮用钢量将达到400万吨,主要用于商用车整车配套用钢制车轮。
2.钢制车轮及车轮钢,结合汽车行业轻量化发展趋势,未来汽车钢制车轮的重点技术工作包括:
车轮轻量化设计技术;
高强度钢车轮的研发;
钢车轮轮辋变截面设计与制造技术;
车轮关键制造设备性能的提升;
制造技术和制造设备的自动化等。
16,2.钢制车轮及车轮钢,车轮的台架试验冲击台架试验径向疲劳台架试验轴向疲劳台架试验双轴疲劳台架试验,17,目录,18,1,汽车车轮行业概况,2,钢制车轮及车轮钢,3,汽车轻量化及轻量化车轮开发,4,核心技术,5,商用车车轮发展趋势,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,基于节能和环保的发展趋势,汽车工业节能减排刻不容缓,汽车轻量化是汽车节能减排的有效手段,试验结果表明:
汽车质量每减轻10%,油耗下降6%-8%,排放量下降4%。
随着物流行业的规范化、国家对超载的管控、燃油消耗的节约需求,高强度轻量化钢制车轮用量将不断上升,目前无内胎的滚型车轮已经被大量应用在中重型卡车上。
车轮作为高速旋转的非簧载质量,其轻量化节能是其它零部件的1.5倍左右,效果尤为显著。
19,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,自重超重现象比乘用车严重商用车占每年汽车耗油总量的白分之七十五国家已禁止运输超载现象商用车的轻量化乃当务之急,载重效率=货物重量/自重量VolvoFE=1.67国产车=1.0-1.4,20,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,一汽将从多个方面解决油耗问题。
其中轻量化是一汽的解决方案之一。
一汽技术中心张志强:
2010年以后,国内运价的增长速度低于油价的增长速度,进而造成了货运成本提高,物流行业更加重视车辆的燃油经济性。
到2020年,一汽不同车型的减重在1018%。
在法规方面,在2014-2018年间,美国商用车油耗将降低10-20%,日本要求降低12%,欧洲要求满足欧7标准。
从国内外油耗差异来看,国内外差异仍较大,,减重目标为2020年减重1520%。
东风商用车技术中心蒋学锋:
商用车将向“高端、高配的中重卡”方向发展。
东风将投入较大的研发力量进行商用车研发,其预计2015年全行业的牵引车成本将增加30%。
21,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,大梁:
200-400kg,车轮:
100400kg,悬架:
100500kg,挂车:
3001500kg,驾驶室:
100200kg,车桥:
50100kg,其他:
50100kg,22,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,23,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,商用车及其车轮的轻量化对节能减排的意义更大,以重卡为例,配备24个车轮,每个车轮减重5kg,共可减重120kg,每辆卡车每年行驶15万公里,可实现年节约高速公路过路费以及燃油费几千元。
24,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,22.5X8.25产品,美国生产的产品重量为30Kg,而我国出口的产品重量为34kg。
高强度车轮车轮:
2个对标产品的疲劳,一个产品转到120多万失效,另一个产品转到140万失效。
而目前国产的疲劳寿命还是略低。
国产材料的稳定性差,有些材料的疲劳寿命曲线不稳定(每个批次的不同),造成实际生产中采用了保守的开发设计,有些产品的疲劳寿命的富余量较大。
组织、成分、带状组织,如何提高钢材的疲劳寿命?
优化的结构,车轮的疲劳,25,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,200,400,600,800,1000,1200,国外钢厂国内钢厂,新日铁量产轮辐:
780MPa轮辋:
980MPa,首钢、本钢、宝钢研发,抗拉强度/MPa,1970-80,1980-90,1990-20002000-10年代,JFE、住友金属量产轮辐:
590MPa轮辋:
780MPa,蒂森克虏伯,新日铁780-980MPa组合钢圈,780MPa,980MPa,26,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,27,28,2011中国物流商用车汽车用车轮行业产量及未来高强度车轮需求预测,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,29,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,商用车的轻量化、用钢的高强化将随着高速公路计重收费、油耗限值标准和超载限制逐渐成为产品开发的常态要求。
轻量化的高强度商用车车轮已成为主流车轮厂开发和技术发展的主流。
30,随着车轮行业的发展和整合,380CL车轮在短时内还将占据主要市场,但500Mpa左右的车轮钢将逐渐大批量应用;
590Mpa将是5年内出口以及内销的主要高强度钢种;
钢种的优化、针对车轮厂工艺的钢种开发将是上游的主要工作。
3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,31,国内尚未大批量生产、制造和应用590MPa及以上级别高强车轮用钢和车轮的主要瓶颈涉及技术因素如下:
国内车轮钢生产技术尚未完全解决;
车轮轻量化设计水平不高(不能满足使用性能要求);
关键的制造工艺薄弱,如变截面旋压、回弹控制和焊接技术。
上述诸多因素共同造成了车轮成品率低(85-90%)、车轮疲劳性能不足等问题,致使车轮企业生产该产品没有利润而放弃。
3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,使用性能,结构刚度,结构强度,抗冲击性能,径向疲劳,弯曲疲劳,几何精度,轻量化+高强化,32,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,高性能车轮钢的开发和优化(590FB和590CL)低的屈强比更好的焊接性能更高的强度、扩孔和弯曲性能,更好的疲劳性能更轻的结构的车轮的开发基于疲劳性能的结构优化基于变截面的结构优化基于承载能力的结构优化,优化的制造工艺闪光对焊的工艺优化,保证成品率现场工艺参数等的控制,F+B/多边形铁素体+针状铁素体Nb微合金化590MPa级热轧钢带优化的成分设计和控轧控冷工艺路线,33,3.汽车轻量化及轻量化车轮开发,中汽协车轮委员会专家,34,解决产业链的技术瓶颈,钢材企业和车轮企业制造出竞争力的产品,目录,35,1,汽车车轮行业分析,2,钢制车轮及车轮钢,3,汽车轻量化及轻量化车轮开发,4,轻量化车轮开发核心技术,5,商用车车轮发展趋势,4.轻量化车轮开发核心技术,36,成型难度大、模具磨损严重、回弹大、甚至出现成型开裂,因而需要开发高强度、高成型性车轮钢,以及车轮企业需拥有大吨位压力机/旋压机/滚型机;
近年来,车轮行业与车轮设备制造商紧密合作研究发展了旋压生产工艺,并应用到了商用车轮幅的规模化生产。
目前,在商用车轮辐生产中旋压工艺的使用已经很普遍,通过该工艺使轮辐厚度在径向发生变化,达到或接近轮辐结构的等强度设计,使得轮辐强度得到保证的情况下其重量明显降低。
在轮辋的制造工艺方面:
以往的滚型钢制车轮其轮辋绝大多数是等厚设计,达不到等强度设计要求,材料的性能得不到充分发挥,因此自重大、浪费材料,变厚度、等强度轮辋可以在保证性能的情况下大幅降低自重。
4.轻量化车轮开发核心技术,焊接难度大:
钢制车轮有两个焊接位置,轮辋的对焊、轮辐与轮辋的组合。
轮辋对焊后的随后工序是扩口、滚型和精整,在此过程极易出现焊缝开裂,从而导致车轮废品率上升。
影响闪光对焊的因素主要有钢材的成分以及闪光速度、顶锻速度、带电/无电顶锻留量、闪光留量、顶锻力等主要工艺参数参数,目前国内车轮行业对闪光对焊工艺的研究还不够深入,应用单位对闪光对焊这一焊接方法,在车轮这一特定结构上,各个工艺参数对接头质量影响的理解和控制还不够清晰。
37,4.轻量化车轮开发核心技术,设计难度大:
车轮要求高精度、轻量化、高疲劳、高承载能力等,如何进行轻量化钢制设计涉及结构强度分析、成形分析、疲劳性能分析等。
设计技术的进步对车轮的轻量化起到了至关作用。
近20年来,CAD/CAM/CAE等设计、模拟和仿真工具取得很大的发展并应用到了车轮行业。
借此,可以有更加精确和快速的优化设计,车轮的均一性和尺寸精度方面也得到大幅度提高,并且通过等强度的设计理念使得车轮重量得到进一步降低,较大程度地满足了整车企业的要求。
建立车轮钢疲劳性能与车轮疲劳性能的关联。
38,4.轻量化车轮开发核心技术,采用普通碳素钢制造的汽车车轮,因抵抗交变应力能力差,台架弯曲疲劳寿命低,运行一段时间就会发生疲劳破坏,而高强度汽车车轮专用钢是延长汽车车轮使用寿命的最有效措施。
460510MPa及更高级别的商用车车轮钢采用铌微合金化,可达到细化晶粒、提高强度、组织均匀化、提高扩孔和弯曲性、弱化带状组织、提高了钢板的冲击功、降低韧脆转变温度,以获得良好的综合性能。
针对590CL以上强度级别的车轮钢,低碳低锰是关键,由此造成的强度损失由微合金化进行补偿:
钢中加入Cr和适当的Nb(0.05-0.070%)。
目的提高车轮钢的断后延伸率、闪光对焊性能。
39,4.轻量化车轮开发核心技术,轻量化,减薄,高强度钢,制造设备,高疲劳性能,结构优化,组织均匀,结构设计,优化组织,成品率高,制造设备,焊接可靠,焊接性能优异,焊接参数优化,高强度车轮钢开发,减重1015%,达到30kg左右,成品率提高至97%以上,满足台架要求,40,目录,41,1,汽车车轮行业分析,2,钢制车轮及车轮钢,3,汽车轻量化及轻量化车轮开发,4,轻量化车轮开发核心技术,5,商用车车轮发展趋势,5.商用车车轮发展趋势,锻造铝合金车轮、高强度钢制车轮,42,5.商用车车轮发展趋势,宽基车轮,43,5.商用车车轮发展趋势,44,宽基车轮当宽基轮胎替代并装双胎后,不仅轮胎接地面积增大、地面附着能力增强,车辆的制动性、转向操控性得到提升,而且车轮零部件减少、车辆重心降低,提高了轮胎行驶时的稳定性、平顺性。
同时,宽基轮辋车轮的使用有利于节能和环保使用宽基轮胎后,每辆卡车每年平均可节省燃油2093升,节省成本1.28万元;
减少二氧化碳排放5.4吨、氮氧化物19.5kg、可吸入颗粒物0.6kg。
以435/45R22.5替代11R22.5为例,轮胎降重约26%,轮辋降重约38%。
宽基车轮对比并装双轮的减重达到了42%左右,效果显著。
5.商用车车轮发展趋势,45,5.商用车车轮发展趋势,宽基车轮:
欧洲应用情况,46,5.商用车车轮发展趋势,47,宽基车轮:
宽基轮辋车轮的优点可以概括为以下几个方面:
降低燃油消耗。
使用宽基车轮,一辆64牵引车与半挂车组成的汽车列车可减重400千克左右,节约燃油6%10%。
基车轮总成替代并装双轮可节省橡胶材料26%左右、节省钢材45%左右。
可降低轮胎磨耗。
如果使用双轮产品,轮胎充气存在大小不一致,导致承载及磨耗不均等,同时转弯时轮胎磨损大。
增加有效负载。
由于宽基车轮的轮胎具有更大的接地面积,这样可减少轮胎单位面积的受力,增加轮胎的有效负载,减少车辆对路面的损坏程度。
提高舒适性。
当由双轮换装为宽轮辋车轮时,车辆的重心降低,由此可带来汽车操纵稳定性、平顺性的改善。
还有,宽基轮胎的侧偏刚度相对较大,也有助于改善整车的操纵稳定性。
提高安全性。
宽轮辋车轮配用的轮胎在使用过程中,相对并装双轮还能减少轮胎的生热,对高速、长距离行驶有优越性,轮胎内压保持率较高,有利于提高行驶安全性。
结论尽管超载治理、物流行业尚未形成规模化,但商用车轻量化已经得到承运输户的广泛关注,市场需求度显著提升。
从国内外的发展趋势以及车轮行业的发展来看,高强度、轻量化的无内胎车轮(也包括宽基车轮)已经成为发展趋势,并将于几年内成为主流。
解决商用车车轮的高强化、轻量化、高成品率成产、并满足国内外台架要求,必须提高车轮钢强度、解决闪光对焊工艺问题、进行结构优化设计等技术攻关。
高强度车轮钢的组织构成、显微组织控制等是钢种开发的关键,铌微合金化是这一级别车轮钢主要微合金化元素。
48,谢谢!
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