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            世強
            數字化制造

            為汽車企業“賦能”的新型輕量化技術

            轉載 :  zaoche168.com   2022年04月22日

                   為汽車企業“賦能”的新型輕量化技術,具體是什么樣的?

            能為企業賦能的新型輕量化技術

                   輕量化新技術層出不窮德國寶馬(BMW)集團將機動車的重量減輕了130kg,德國奧迪(Audi)不甘落后,也將機動車重量減輕了300kg——這些案例表明,汽車車身設計領域正悄然發生一場巨大變革。而引領這場世界改革浪潮的,正是德國汽車制造商。寶馬和奧迪兩家德國制造商,采用了“多材料實用化”,即復合使用多種材料,打造車身結構的技術。其中,寶馬采用了碳纖維增強復合材料(CFRP)、高抗拉強度鋼板、鋁合金等輕量化材料與普通鋼材組合使用的方式,來進行車體結構的設計,并成功將高級四門轎車“7”系列的車身重量減輕了130kg。
                   同時使用高抗拉強度鋼板、多相鋼板、鋁合金、CFRP和鋼板等5種合金,在提高剛性和強度的同時,實現輕量化。另一方面,奧迪公司大膽采用了輕量材料——鋁合金。通過組合使用鋁合金與高抗拉強度鋼板等多種復合材料,設計了新型車身結構,成功將多功能SUV“奧迪Q7”系列的車體重量減輕了300kg。

                   采用多材料的車身結構。積極地采用鋁合金材料,實現汽車減重300kg。寶馬和奧迪之所以推進多材料化,是因為以普通鋼材為基礎的車身設計很難再推動輕量化的進一步發展。也就是說,現有輕量化技術已經碰觸到了“邊界”。寶馬公司表示,“車身形狀的設計已基本完成。要想達成更高水準的輕量化,只能將輕量化材料放到合適的地方,讓其發揮應有的作用”。未來,推進零件和產品輕量化的開發技術將持續精進。其中起牽引作用,或者說是促進作用的行業,是汽車制造業。當然,這指的并不僅僅是高級乘用車制造商。住友化學認為,“幾乎所有的汽車制造商和汽車零件制造商都殺紅了眼,拼命想在輕量化中尋求突破”??梢?,大家劍鋒所指,都是要突破目前的“邊界”。
                   油耗規制的時限,迫在眉睫制造商重視輕量化生產的原因,主要有兩個。一,如果不減輕車身重量,讓制造出來的產品油耗更低,就無法繼續占有市場。因為只有在低油耗競爭中將對手比下去,才能夠贏得顧客的青睞。二,油耗規制(二氧化碳排放規制)日益嚴苛,必須實現超出以往水準的輕量化。以歐洲為中心,油耗規制正以燎原之勢遍布世界。不遵守這些規制的制造商,或將被處以高額罰款,并背上“無視環保的無良企業”的惡名,對企業形象造成負面影響。

                   我們都知道,輕量化是一個橫跨制造行業的大課題。那么,為什么率先啟動這場輕量化變革的,會是汽車制造商?原因,其實非常簡單——油耗規制“時限”迫在眉睫。汽車制造商擔憂的,是與世界油耗規制緊密相關的“2020年問題”,即2020年達到日本規定的二氧化碳排放量105kg/km,2021年達到歐洲規定的二氧化碳排放量95kg/km。為了解決這個棘手問題,汽車制造商設置了一個整體的輕量化目標,并以這個目標為準,逐步加工各個零件——先設定整體需要減重多少千克的目標,然后落實到每個零件需要減重多少——進而讓目標和進程更加明確。而為了達成這個定額,負責人會想盡一切辦法。包含產品評估在內的開發設計流程至少需要花費數年時間,所以,留給制造商的時間確實不多了。
                   油耗競爭愈演愈烈的情況不僅出現在汽車制造行業。船舶和航空領域也同樣廝殺慘烈。在全球競爭日益激烈的今天,很多客戶會傾向于選擇油耗更低的產品。在產業機器人和機床等領域,制造商通過減輕可移動零件的重量,以實現節能減耗、更高精度的位置移動和更快速的動作。此外,市場還對便攜式設備給予了高度關注。通過減輕設備重量,提高便攜性,可以在減輕人體身體負荷的同時增強舒適感。輕量化會使市場競爭白熱化,因為只要解決輕量化課題,就可以直接提高產品的附加價值。各個領域的輕量化進程都在悄然發生巨變。但是,目前市場需求的,還是可以帶領大家突破現有“邊界”的新技術、新思維。

                   順應節能和降低成本的客戶需求:日本做過一份問卷調查,也可以看出客戶對于輕量化需求的高漲。該問卷的回答者均為技術人員,我們從中可以看出現實工廠中的實際情況。問卷中有這樣一個問題:“當前職務中,您需要完成輕量化目標的原因是什么?”回答“因為客戶需要”的,占比42.3%。也就是說,正是因為客戶提出了一系列的要求,供應商才不得不達到輕量化的目標。

            實現輕量化的重點,是工藝、結構優化和材料選擇

                   為應對前所未有的市場需求,輕量化新技術層出不窮,大有突破現有邊界的勢頭。從符合實用水準的輕量化技術的角度來看,輕量化大致可以從“工藝、結構優化”和“材料選擇”兩個方向入手。
                  
            工藝、結構優化的典型案例,是多材料化,即著眼于產品整體,把輕量化材料進行“適材、適所”的組合,以削減整體重量,確保必要處的強度。例如,“寶馬7系列”的車身鋼板變得更輕薄,是因為寶馬公司為了補充材料的強度,使用了強度更高的CFRP作為補充材料。這種設計,可以保證更高的材料強度和剛性,實現按普通思路很難達到的輕量化程度。這項技術,可以將不同材料直接進行焊接或粘合,改變產品結構,以實現輕量化。也就是說,不必再使用連接用的螺栓和螺母等類似產品,以及為了連接而生產的其他零件(比如法蘭接頭)了。

                   如此一來,結構會變得更加簡單。為確保焊接、粘合強度,需要重新整理產品評價標準和體制。突破這一課題,達到實用化水準的先例,是贏創工業(daicel-evoni,總部位于日本東京都)。贏創工業采用將鋁合金和聚酰胺(PA)兩種不同材料進行牢固焊接的工藝,成功研發了前端模塊。與在傳統的鋼架結構中安裝樹脂材料相比,產品減輕了20%左右。JR東海公司通過采用大幅減少散熱量的碳化硅(SiC)電力半導體,實現了新干線驅動系統的輕量化,并通過將系統構成較為復雜的強風冷裝置轉換為結構較為簡單的行駛風冷裝置,使車體成功減重20%。
                  
            采用輕質材料:通過“材料選擇”改進輕量化技術,是指將現有材料替換為較為輕便的材料,或充分發揮原有材料的作用,以實現輕量化。新型輕量材料的代表,就是CFRP(碳纖維增強復合材料)。CFRP具有量產規模優勢,因此汽車行業對CFRP給予了高度關注。汽車行業以外的其他行業也在積極推進CFRP的應用。比如,NAKASHIMA PROPELLER(總部位于日本岡山市)將船舶用螺旋槳的材料從銅合金替換為CFRP,成功將螺旋槳減重50%。提高樹脂材料耐熱性的動向也更為明顯,制造商紛紛嘗試在更高溫的環境中應用樹脂。

                   具體來看,汽車的引擎、變速器等周邊零件都由傳統的金屬材質轉變為高耐熱樹脂。住友電木株式會社將兩輪機動車引擎中鋁合金材質汽缸組的一部分,替換為碳素纖維和玻璃纖維強化的酚醛樹脂,最大減重可達28%。住友化學開發了高耐熱性的聚醚砜樹脂(PES),通過將汽車引擎油量控制閥從鋁合金材質替換為PES,成功使閥重減輕50%,并投入量產。豐田紡織開發出了由聚丙烯(PP)和聚酰胺11(PA11)構成的耐沖擊材質——聚合物合金,并研發出了發泡成型工藝,生產出世界最輕量級的門飾板。這種門飾板通過了側面沖擊等強力沖擊試驗,被評定為不易損壞材質。與致力于“車身多材料化”的寶馬和奧迪形成鼎足之勢的,是日本豐田公司。
                  
            豐田表示“要將鋼材質進行到底”。豐田管理人員認為,輕量化的關鍵,在于“充分利用高抗張鋼板”。在這一大背景下,日本鐵鋼制造商將發揮巨大作用。新日鐵住金可以生產抗張力高達1000Mpa的超高抗張鋼板,其優勢不僅是生產高抗張力鋼板,還能為汽車制造商等提供包括加工技術和生產技術在內的解決方案——高抗張力鋼板的強度雖然高,但卻十分輕??;鋼板或將出現半面、成型加工性能較差等問題。新日鐵住金通過提供配套的理論支持和加工技術,讓客戶深深感受到了鋼材的優勢。

            標簽:輕量化 我要反饋 
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