汽车轻量化技术手册

材料的生产和加工技术是汽车制造的核心技术，因为一辆汽车上所有的构件，都需要通 过材料来实现。对于汽车技术中的轻量化技术来说亦是如此，汽车轻量化技术可以被视为汽 车技术的 “学科”。 在一本书里涉及汽车轻量化的所有重要领域是一个比较大胆的尝试。在本书中，作者试 图系统地阐述相关的轻量化战略———从材料轻量化到概念轻量化直至条件轻量化 （第 ３ 章）。从历史背景介绍中导出了汽车轻量化的技术动机，即更快的速度与更好的驾驶动力学 所带来的成就感推动了汽车轻量化的发展。如今的汽车轻量化则是受到了节能减排 （二氧 化碳）强大压力的推动，出于对新能源汽车市场份额的未来预期，当下的汽车轻量化更是 得到了加强。所有这些发展方向都是基于对汽车轻量化的要求 （第 ４章）。 本书虽然内容广泛，但是始终围绕两大主题：经典和创新轻量化材料的处理 （第 ６ 章），以及由此而来的材料的生产和加工技术 （第 ７章），涉及金属、塑料、陶瓷等材料的 表面处理、复合及连接技术等重要的工艺方法。接下来也是非常重要的，还要考虑到原材 料供应、回收和生命周期评估等方面的内容 （第 ８章）。后一章 （第 ９章）则是试图对轻 量化系统在未来的发展进程进行描述。 本书适合汽车技术领域的工程师、技术员以及教师、研究人员和学生系统学习使用，也 适合所有对汽车轻量化技术感兴趣的读者阅读。在本书中，展示了轻量化车身、轻量化底 盘、发动机以及轻量化汽车的更好解决方案。按照亨利·莱斯爵士所述：“在每一件事上都 力求完美，抓住现有的状态，让它变得更好。如果它不存在，请创造它。” 如今，汽车轻量化系统的高性能所带来的复杂性，是单个人无法在整体上涉及所有方面 和彼此关联的重要原因。因此，我要对本书所有作者的工作与合作表示特别的感谢！除了出 版者，作者团队由汽车研究和开发人员及其同事组成。值得一提的是，学术界和高校与用户 和工业界之间的对话持续深入，提出了许多对彼此都非常有价值的建议。 我还要对斯普林格出版社和负责校对的爱德华·施密特表示感谢，感谢他们的支持与有 远见的合作。后，我还要对萨尔茨吉特公司再一次表示感谢，感谢对本书出版在专业和材 料上给予的支持。没有萨尔茨吉特公司的支持和帮助，本书的出版是不可能实现的。 工学博士霍斯特·Ｅ弗里德里希教授 德国斯图加特，２０１７

本书是德国汽车轻量化、德国宇航中心霍斯特·Ｅ弗里德里希 教授组织德国轻量化行业内知名专家共同编写的一本描述德国汽车轻量化 技术的手册类图书。本书系统地阐述了汽车轻量化战略———从材料轻量化 到概念轻量化、形状轻量化，直至条件轻量化。所有这些发展方向都基于 对汽车轻量化的要求。本书始终围绕两大主题：经典和创新轻量化材料的 处理，以及由此而来的材料与坯材的加工技术，涉及金属、塑料、陶瓷等 材料的表面处理、复合及连接技术等*重要的工艺方法。本书还介绍了非 常重要的原材料供应、回收和生命周期评估等方面的内容，并且对现今和 未来的汽车轻量化方案与趋势进行了介绍。 本书适合汽车技术领域的工程师、技术员以及教师、研究人员和学生 系统阅读学习，也适合所有对汽车轻量化技术感兴趣的读者阅读参考。

霍斯特·E.弗里德里希（Horst E.Friedrich）教授，担任大众汽车集团研发中心汽车材料与概念部主任多年，曾主持开发大众的“1升汽车”的代白车身，2004年，到德国宇航中心创立并任车辆概念研究所的第壹任所长，并任斯图加特大学和柏林工业大学教授。

前言

第1章轻量化驱动创新

1.1通过轻量化获得成功1
1.2轻量化路线图11
1.2.1车身构造11
1.2.2动力总成中的构造14
1.2.3底盘中的构造17
参考文献21
第2章技术动因

2.1行驶阻力23
2.2减重对行驶动力的影响29
2.3重量螺旋30
参考文献31
第3章轻量化战略

3.1轻量化战略与方法的分类32
3.2材料轻量化39
3.2.1材料的转换39
3.2.2同类型材料42
3.2.3制造轻量化43
3.2.4轻量化指数44
3.3形状轻量化51
3.4概念轻量化53
3.4.1差分构造和整体构造53
3.4.2具有功能集成的组合54
3.5条件轻量化56
3.6汽车制造者在产品开发过程中的轻量化57
3.6.1轻量化成为社会因素57
3.6.2汽车制造商在产品开发中的战略轻量化（目标发现过程）60
3.6.3战术轻量化（规划过程与匹配过程）72
3.6.4操作轻量化（开发过程）74
3.7选择轻量化解决方案的前提和标准77
3.7.1比较标准——轻量化指数78
3.7.2经济性79
3.7.3组织前提与功能标准87
3.7.4关于总能量平衡与可回收性的考虑88
参考文献91
第4章汽车轻量化的要求

4.1汽车制造中对耐久强度和使用寿命的要求93
4.1.1耐久强度载荷情形93
4.1.2耐久强度的理论基础94
4.1.3新材料作为特殊挑战94
4.2制造参数和生产参数对耐久性能的影响95
4.2.1承受动态载荷构件的耐久性能95
4.2.2制造过程对耐久性能的影响98
4.2.3轻量化潜力小结104
4.3汽车的耐久尺度104
4.3.1载荷集与损伤累积104
4.3.2各种钢基材料的静态抗拉强度和疲劳强度105
4.3.3连接工艺对原理试样疲劳强度的影响106
4.3.4变薄拉伸DC04减振支柱（板材厚度变化）示例108
4.4对轻量化材料的要求与耐久强度工程108
4.4.1纤维复合材料108
4.4.2热塑性塑料109
4.4.3铝109
4.4.4耐久强度仿真工程110
4.4.5示例：豪华敞篷跑车车身的耐久设计114
4.5被动安全与碰撞性能115
4.5.1汽车制造中的被动安全要求115
4.5.2汽车结构的现代造型119
4.5.3被动安全对材料的要求121
4.5.4轻量化材料仿真的挑战126
参考文献132
第5章在多材料设计道路上用于轻量化构造的要求管理与工具

5.1基于模型的要求管理134
5.1.1动机134
5.1.2建模方法135
5.1.3概念建模与评估139
5.2用于汽车结构推导的计算方法140
5.2.1概念开发阶段的拓扑优化方法141
5.2.2概念开发——以纤维增强材料为例144
5.3应用示例——纤维复合材料密集的肋空间框架构造146
5.3.1关键构件环状肋的功能原理146
5.3.2开发与设计147
参考文献148

第6章用于汽车制造的轻量化材料150
6.1钢150
6.1.1钢材料基础150
6.1.2钢种类与交付形式156
6.1.3无间隙原子钢和烘烤硬化钢161
6.1.4用于冷成形的微合金钢165
6.1.5多相钢(DP, CP, BS，残余奥氏体，MS)168
6.1.6调质钢171
6.1.7超细晶粒钢和纳米颗粒钢178
6.1.8具有TRIP/TWIP效应的高锰钢182
6.1.9高铝钢190
6.2轻金属196
6.2.1铝合金196
6.2.2镁合金与镁基复合材料227
6.2.3钛、钛合金与钛铝化物242
6.3固体陶瓷与陶瓷基复合材料250
6.3.1在汽车制造中的应用250
6.3.2制造方法256
6.3.3典型结果与性能257
6.3.4小结259
6.4塑料259
6.4.1外部塑料和内部塑料259
6.4.2汽车结构中的纤维增强塑料284
参考文献306
第7章轻量化材料生产和加工技术

7.1成型技术与成形技术319
7.1.1方法分类319
7.1.2扁平件的制造方法320
7.1.3基于有效介质的成形工艺329
7.1.4型材与管材的制造方法337
7.1.5板材、型材与管材的弯曲341
7.1.6铸造工艺344
7.2金属拼焊产品（MTP）361
7.2.1概览361
7.2.2连续加工拼焊产品361
7.2.3非连续加工拼焊产品366
7.2.4金属材料复合——包覆带材与复合型材370
7.2.5发展趋势373
7.3复合与夹层解决方案374
7.3.1分类374
7.3.2夹层解决方案的结构和承载性能376
7.3.3型芯材料和覆盖层材料377
7.3.4弯曲理论及夹层理论380
7.3.5失效类型和不稳定性381
7.3.6制造工艺与连接技术383
7.3.7选择方法、应用示例与功能集成385
7.4塑料材料技术388
7.4.1热塑性塑料的材料技术391
7.4.2热塑性半成品的生产与加工409
7.4.3热固性塑料的材料技术422
7.4.4弹性体444
7.4.5热塑基塑料、热固性塑料与弹性体的回收工艺446
7.5混合轻量化结构连接技术447
7.5.1引言447
7.5.2新轻量化构造对连接技术的挑战449
7.5.3多材料结构连接工艺450
7.5.4展望476
7.6表面技术和层压复合材料476
7.6.1用于内燃机的现代材料复合方案483
7.6.2热喷涂气缸内涂层的生产487
7.6.3材料选择和材料特征490
7.6.4涂层特征491
7.6.5轻型动力总成的目标领域和应用499
7.7改进轻量化解决方案的自适应技术499
7.7.1智能结构500
7.7.2隔振（接收体干扰抑制）500
7.7.3半被动阻尼502
7.7.4半主动阻尼方案503
7.7.5主动振动控制506
7.7.6主动噪声控制和主动结构声学控制508
参考文献510
第8章回收、生命周期评估和原材料可用性

8.1生命周期评估作为轻量化的决策辅助528
8.1.1生命周期评估的方法论基础528
8.1.2轻量化材料的生态评估530
8.2在报废概念中的轻量化534
8.2.1法律框架534
8.2.2报废车辆处理534
8.2.3轻量化构件的报废535
8.2.4评估回收流的方法程序537
8.3汽车轻量化原材料的可用性539
8.3.1导言539
8.3.2用于汽车轻量化的原材料540
8.3.3可用性的相关标准542
8.3.4评估：有风险或无风险544
8.3.5对风险原材料的研究结果进行比较551
8.3.6结论552
参考文献553
第9章现今和未来的轻量化方案

9.1概述555
9.2在整车层面通过系统轻量化提升潜力557
9.2.1整车中的二次效应558
9.2.2车辆结构与车辆尺寸558
9.2.3载荷级概念561
9.2.4跨子系统优化与模块化562
9.3车身子系统的潜力563
9.3.1拓扑优化和整体结构563
9.3.2材料轻量化和制造轻量化564
9.3.3新方案和构造573
9.4发动机/动力系统子系统的潜力578
9.4.1概念轻量化578
9.4.2材料轻量化与通过模块化实现轻量化579
9.4.3驱动与车辆总布置的合成582
9.5底盘组件的潜力584
9.5.1概念轻量化584
9.5.2形状轻量化586
9.5.3通过材料和构造实现轻量化586
9.6内饰组件的潜力588
9.6.1系统轻量化/模块化588
9.6.2材料轻量化和制造轻量化588
9.7电气/电子子系统的潜力589
9.7.1系统轻量化589
9.7.2材料轻量化589
9.8趋势——材料和构造混合590

本书是德国汽车轻量化、德国宇航中心霍斯特·Ｅ弗里德里希 教授组织德国轻量化行业内知名专家共同编写的一本描述德国汽车轻量化 技术的手册类图书。本书系统地阐述了汽车轻量化战略———从材料轻量化 到概念轻量化、形状轻量化，直至条件轻量化。所有这些发展方向都基于 对汽车轻量化的要求。本书始终围绕两大主题：经典和创新轻量化材料的 处理，以及由此而来的材料与坯材的加工技术，涉及金属、塑料、陶瓷等 材料的表面处理、复合及连接技术等*重要的工艺方法。本书还介绍了非 常重要的原材料供应、回收和生命周期评估等方面的内容，并且对现今和 未来的汽车轻量化方案与趋势进行了介绍。 本书适合汽车技术领域的工程师、技术员以及教师、研究人员和学生 系统阅读学习，也适合所有对汽车轻量化技术感兴趣的读者阅读参考。

霍斯特·E.弗里德里希（Horst E.Friedrich）教授，担任大众汽车集团研发中心汽车材料与概念部主任多年，曾主持开发大众的“1升汽车”的代白车身，2004年，到德国宇航中心创立并任车辆概念研究所的第壹任所长，并任斯图加特大学和柏林工业大学教授。