輕量化技術(shù)在汽車上的應用分析

劉建偉，史建鵬，石朝亮

（東風汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

輕型、節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、低成本成為各汽車制造廠家追求的目標，尤其是節(jié)能和環(huán)保更是關(guān)系人類的可持續(xù)發(fā)展的重要問題。輕量化技術(shù)可以有效提升車輛的節(jié)能和減排性能［1］，降低車輛的開發(fā)成本，因此，輕量化技術(shù)成為了國內(nèi)外各汽車公司主要的研究課題。

國內(nèi)外目前主要輕量化技術(shù)手段主要包括新材料、先進制造工藝以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應用等。新材料和先進制造工藝的應用雖然輕量化效果顯著，但往往伴隨著成本的大幅提高。應用有限元等現(xiàn)代設計方法對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計進行指導設計，則在實現(xiàn)減重的同時一定程度上降低了研發(fā)成本。

本文從新材料、先進工藝的應用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等方面論述了輕量化技術(shù)的應用及發(fā)展趨勢，根據(jù)這些研究，探索性地提出了開發(fā)輕量化技術(shù)的模式和方法。

1 新材料的應用和發(fā)展

1.1 高強度鋼

將屈服強度在210～550 MPa范圍內(nèi)的鋼定義為高強度鋼（HSS），屈服強度在550 MPa以上的鋼定義為超高強度鋼（UHSS）。目前應用在汽車車身上的高強度鋼鋼種主要有雙相鋼（DP）、復相鋼（CP）、馬氏體鋼（MART）、烘烤硬化鋼、熱沖壓硼鋼板、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）等。

高強度鋼主要通過材料的晶相組織結(jié)構(gòu)改變，達到提高材料強度性能（強度范圍500～1 600 MPa），并且具有較高的疲勞強度、碰撞吸收性能、高的減振減重潛能和低的平面各向異性等優(yōu)點。如果使用高強度鋼板，在所要求的車身性能不變或略有提高的前提下，則鋼板構(gòu)件的厚度可以減薄。相關(guān)研究表明，采用高強度鋼板，原厚度為1.0～1.2 mm的車身鋼板可減薄至 0.7～0.8 mm，車身重量減輕 15%～20%［2］。 國外汽車高強度鋼應用情況如表1所示，可以看出，高強度鋼板已得到了大量的應用。

表1 國外汽車高強度鋼應用情況

由于高強度鋼在強度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)越性，決定了高強度鋼在汽車輕量化應用中的廣闊前景，實現(xiàn)汽車輕量的同時，又保證了安全性等。

1.2 輕質(zhì)材料

1.2.1 鋁合金

汽車鋁合金零部件以鑄件為主，另外還包括少量的型材和板材，已占到整車備重的10%左右，其應用如表2所示，可以看出，鋁合金有著廣闊的應用空間。1994年，奧迪開發(fā)了具有里程碑意義的第一代全鋁空間框架 （Aluminum Space Frame，ASF）［3］，應用第一代ASF的Audi A8全鋁車身，其質(zhì)量減輕了40%，只相當于普通中級轎車的水平，而全鋁空間框架設計卻使車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高了40%。

鋁合金雖然提高了汽車綜合性能，但同時也提高了整車成本。鋁材價格是鋼材的3倍以上，而且鋁制產(chǎn)品工藝流程復雜，不易控制，對每一個工序都必須嚴格監(jiān)控，這都在一定程度上限制了鋁合金的大量應用。

表2 鋁合金在汽車零部件中的應用

1.2.2 鎂合金

與傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金除擁有相對優(yōu)異的比強度外，還具有優(yōu)異的減振降噪性能。良好的鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性，使其可以澆鑄各種薄壁和復雜的零件，其模具使用壽命長，也使得以前需要多個零件組裝的部件可集成為單一部件，減少零件數(shù)量；良好的可加工性，可以降低加工成本［4］。

目前，鎂合金在構(gòu)成汽車的發(fā)動機、動力傳動、行駛與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、內(nèi)飾和車身等幾大系統(tǒng)上均有應用。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有60多種，單車上的鎂合金質(zhì)量為9.3～20.3 kg，如儀表板骨架、轉(zhuǎn)向盤、氣缸體、氣缸蓋、進氣歧管、輪轂、車身部件等。而應用最早、最廣泛的領(lǐng)域，涉及變速器殼體、離合器殼體、分動器、軸變速器等諸多構(gòu)件。

我國是鎂資源儲存最大的國家，具有較大的優(yōu)勢。一汽、奇瑞等已率先實現(xiàn)了鎂合金方向盤骨架、儀表板橫梁的批量生產(chǎn)和某些車型上的批量應用［5-6］，如圖1、圖2所示。而最具節(jié)能減排潛力的鍛造鎂合金輪轂輕量化的應用，則因現(xiàn)存變形加工技術(shù)的高成本特征，應用僅限于高端轎跑和賽車，因此，開發(fā)低成本、高品質(zhì)的鎂合金輪轂生產(chǎn)應用技術(shù)，才能為鎂合金在汽車輪轂上的規(guī)模應用奠定技術(shù)經(jīng)濟基礎。

另一方面，鎂合金活潑的化學性質(zhì)和較強的電偶腐蝕趨向，使得其應用時需要嚴格的腐蝕防護措施，最終增加其生產(chǎn)應用成本，消弱了競爭力，但其熔體突出的強制流動充型和高壓補縮能力，使那些用鋁合金難以生產(chǎn)的大型、復雜、薄壁構(gòu)件的高壓鑄造生產(chǎn)成為可能，這為汽車輕量化構(gòu)件的集成化設計制造創(chuàng)造了條件。

1.2.3 塑料及其復合材料

（1）塑料

塑料及其復合材料是另一類重要的汽車輕質(zhì)材料，其應用范圍正在由內(nèi)飾件向外裝件、車身及結(jié)構(gòu)件擴展，今后的重點發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用的增強塑料復合材料、高性能樹脂材料，并會更加重視材料的可回收性。

與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機械性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點，比被取代的金屬材料輕且成型時能耗少。從20世紀70年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。

（2）復合材料

復合材料具有比強度和比剛度高、優(yōu)異的抗腐蝕性能、減振阻尼性能、抗老化性能、抗疲勞性能，而且復雜形狀的結(jié)構(gòu)可整體成型，大大減少零件數(shù)和裝配成本，用比重僅有1.6 g/cm3的復合材料代替比重7.8 g/cm3的鋼，減重效果可達40%～60%，表3為復合材料與各種金屬材料的性能對比［7］。

表3 復合材料與各種金屬材料的性能對比

在歐美等國車輛復合材料的用量約占其復合材料總產(chǎn)量的33%左右，并呈增長態(tài)勢。復合材料從制造簡單的車輛非承力件到承力件，從車輛的外覆蓋件向汽車的內(nèi)飾件和結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展，先后研制成復合材料的驅(qū)動軸、板簧和全復合材料的汽車底盤和車身等。法國SORA公司為雷諾汽車公司開發(fā)了全復合材料轎車車身 （Clio V6），寶馬M3用一整張?zhí)祭w維復合材料車頂代替了金屬車頂，減重5 kg，大大降低了整車重心，讓車身側(cè)傾力大幅降低。

連續(xù)碳纖維增強復合材料雖然輕量化效果顯著，但因成本問題，目前主要僅停留在研制階段的概念車和高檔汽車上。另外一種以玻璃纖維為增強體的玻璃鋼（GRF、GMT），以及短纖維增強塑料（SMC、LFT）近年來應用呈逐漸上升之勢，主要應用在保險杠防撞桿、前翼子板、后備胎罩和后背門上。

除上述材料外，具有密度低、強度高、彈性模量大、抗壓性能好的結(jié)構(gòu)性泡沫材料也引起了關(guān)注，因其對車身基材的附著力極強，可以作為填充材料用于縱梁等部位，相同質(zhì)量的前提下，可以顯著提高整車的碰撞性能［8］。

2 工藝技術(shù)對輕量化的影響

傳統(tǒng)沖壓、釬焊、粘接、翻邊搭接、螺栓連接等傳統(tǒng)工藝技術(shù)已不能滿足當前汽車輕量化的需求，激光拼焊、熱成型、內(nèi)高壓成型、輥壓成型、鎖鉚連接技術(shù)等新興工藝有力地促進了輕量化技術(shù)的發(fā)展。

2.1 激光拼焊

目前，由拼焊板生產(chǎn)的汽車零部件主要有前后車門內(nèi)板、前后縱梁、側(cè)圍、底板、車門內(nèi)側(cè)的A、B、C立柱、輪罩、尾門內(nèi)板等，轎車采用激光拼焊可以實現(xiàn)輕量化，部分零部件可以顯著提高碰撞安全性，圖3、圖4為激光拼焊在B柱加強板和車門內(nèi)板的應用。

激光拼焊板在車門上的應用使鉸接區(qū)域的剛性得到整體加強，所以不再需要加強板，此外，車門的配合公差得到大幅改善，車門各板件的厚度和拼焊板焊縫線的位置可以通過一些優(yōu)化方法進行確定，保證性能的同時，使得車門系統(tǒng)質(zhì)量得到降低［9］?？v梁上采用激光拼焊，重量能有一定程度的減輕，成本與普通點焊設計基本持平，但能顯著提高正碰性能。激光拼焊在縱梁、車門內(nèi)板及B柱的應用在國內(nèi)自主品牌車型上已得到推廣，如奇瑞A3、一汽奔騰B50等。

2.2 熱成型

高強度鋼板結(jié)合熱成型技術(shù)的應用，可以減少車身零件上加強板的數(shù)量，從而降低了整車車身的重量。與冷成型工藝相比，熱成型的成形性非常優(yōu)秀。對于冷沖壓成型，材料強度越高，成型性能越差，回彈也越大，需要多道工序才能完成。而熱成型材料在高溫加熱以后很容易一次沖壓成型。雖然與同一尺寸的冷成型單件相比，熱成型件成本高，但是由于熱成型零部件材料的強度很高，無須加強板，而且模具少，工藝少。在同一性能前提下，并考慮到整裝成本及省下的材料成本，熱成型件反而更具經(jīng)濟性。

熱成型技術(shù)目前多用于車門防撞板、前后保險杠、A/B柱、中央通道、上下防火板等。其中本特勒公司在熱成型技術(shù)的開發(fā)和應用方面較為成熟，例如不等厚技術(shù)、補丁技術(shù)、和局部加熱技術(shù)等已經(jīng)成功推廣到了市場［10］，以B柱為例，每車最高可實現(xiàn)潛在減重8.4 kg。

2.3 內(nèi)高壓成型

汽車上的內(nèi)高壓成形零件包括汽車副車架、散熱器支架、底盤構(gòu)件、車身框架、座椅框架、前軸、后軸、驅(qū)動軸、凸輪軸及排氣系統(tǒng)異型管件等。與傳統(tǒng)沖壓工藝比較，如副車架等零件，用內(nèi)高壓成形有著較大的優(yōu)勢［11］。

（1）減輕重量，節(jié)約材料。表4是汽車上采用內(nèi)高壓成形件與沖焊件的產(chǎn)品重量對比。對于框、梁類結(jié)構(gòu)件，內(nèi)高壓成形件比沖壓件減輕20%～40%；對于空心軸類件可以減輕40%～50%。

表4 三種車用沖壓件與內(nèi)高壓成形產(chǎn)品的重量對比表

（2）減少零件和模具數(shù)量，以及減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量等。

（3）降低生產(chǎn)成本。根據(jù)德國某公司對應用內(nèi)高壓成形技術(shù)生產(chǎn)的零件的對比分析，內(nèi)高壓件的成本比沖壓件平均降低15%～30%，模具費用降低20%～30%［12］。

（4）提高零件的強度和剛度，尤其是疲勞強度。

但是，由于內(nèi)高壓成形所需內(nèi)壓高，需要大噸位液壓機作為合模壓力機，其高壓源及閉環(huán)實時控制系統(tǒng)比較復雜，造價也高。另外，由于成形缺陷和壁厚分布與加載路徑密切相關(guān)，零件試制研發(fā)費用較高。這些因素在一定程度上影響了內(nèi)高壓成形工藝的普及和發(fā)展。

2.4 輥壓技術(shù)

輥壓成形工藝是通過順序配置的多道次成形軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進行橫向彎曲，以制成特定斷面的型材。輥壓成形工藝加工出來的型材其斷面結(jié)構(gòu)合理、品種規(guī)格繁多、幾何尺寸精確，體現(xiàn)了現(xiàn)代社會對材料輕量化、合理化、功能化的使用要求。

目前，國外白車身采用的先進高強度鋼板，有相當部分諸如前/后保險杠、門檻、駕駛員座調(diào)整機構(gòu)中的滑軌、車身的B柱及底盤等構(gòu)件，都是用輥壓成形工藝制造完成的。

以保險杠為例，高強度鋼輥壓保險杠比沖壓保險杠有更輕的質(zhì)量。圖5是沖壓的保險杠，圖6是輥壓的保險杠。在相同的抗沖擊能量下，對比數(shù)據(jù)如下［13］。

沖壓保險杠：材料牌號DOCOL 500DP，抗拉強度 500 MPa，T=1.8 mm，質(zhì)量為 13 kg；輥壓保險杠：材料牌號DOCOL 1000DP，抗拉強度 1 000 MPa，T=1.0 mm，質(zhì)量為 6.5 kg，有明顯的減重效果。

傳統(tǒng)的輥式輥壓成形工藝可以生產(chǎn)大批量的不變截面的產(chǎn)品。隨著市場競爭的加劇，以及節(jié)能和環(huán)保的要求，需要產(chǎn)品的改變能適應更多的變化，即具有靈活可變的柔性。采用計算機技術(shù)的柔性輥壓成形（Flexible Roll forming）是輥壓成形新技術(shù)的發(fā)展方向。

2.5 鎖鉚連接技術(shù)

新材料的應用可以明顯的實現(xiàn)減重，但傳統(tǒng)的點焊等工藝已無法滿足異質(zhì)材料的連接要求，而鎖鉚連接技術(shù)可以解決這一問題。鎖鉚連接可用于不同材質(zhì)、硬度、厚度材料組合、各種有鍍層的材料連接組合以及有夾層包括膠水等非金屬材料組合。

寶馬公司新5系采用了混合材料車身，車身前端使用鋁合金，使用鉚接與鋼制車身連接，同時解決了前后軸的質(zhì)量平衡問題，如圖7所示。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對輕量化的影響

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計為汽車輕量化的另外一個重要方面技術(shù)。先進材料和加工技術(shù)的應用，雖然輕量化效果最為明顯，但往往伴隨著成本的增加。與國外發(fā)展一致的是，結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化是我國汽車輕量化技術(shù)中發(fā)展最快的，國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗設計逐漸發(fā)展到應用有限元等現(xiàn)代設計方法進行指導設計，進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以實現(xiàn)減重。

通過拓撲優(yōu)化，可以在給定的設計空間內(nèi)找到最優(yōu)的材料分布，形貌優(yōu)化技術(shù)可以在鈑金件上找出最佳的加強肋位置和形狀，尺寸和參數(shù)優(yōu)化可以得到梁的最優(yōu)截面尺寸等［14-15］。對已開發(fā)出模型的車型，則利用板厚靈敏度分析，對白車身鈑金件進行厚度優(yōu)化，確保整車性能的條件下實現(xiàn)減重等。通過建立參數(shù)化模型，在開發(fā)的初期對截面和接頭等進行優(yōu)化，保證性能的前提下控制質(zhì)量，減少了設計的更改次數(shù)和大大的縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在正向開發(fā)和逆向開發(fā)中的應用流程如圖8所示，以重量為優(yōu)化目標，通過使用各種優(yōu)化方法，使CAE仿真分析技術(shù)貫穿整個設計階段，找出產(chǎn)品設計的最佳方案，縮短設計和分析的循環(huán)周期，減少成本。

4 結(jié)束語

通過國內(nèi)外輕量化技術(shù)的應用分析，在目前自主品牌輕量化技術(shù)中，用CAE仿真技術(shù)引導設計，得出最佳設計方案，同時提升新材料、新工藝技術(shù)的應用能力，在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，以達到減重、節(jié)能減排、安全的綜合指標。

［1］Joseph C.Benedyk.Light Materials in Automotive Applications ［J］.Light Metal Age，2000（10）：34-35.

［2］王利.汽車用高強度 IF 薄鋼板［J］.寶鋼技術(shù)，1997（1）：58-61.

［3］Schretzenmayr H.Technical report：the aluminum body of the Audi A8.International Journal of Vehicle Design，1999，21（2-3）：303-312.

［4］敖炳秋.輕量化汽車材料技術(shù)的最新動態(tài)［J］.汽車工藝與材料，2002（8/9）：1-21.

［5］田洪福.一汽輕量化建設與前瞻性布局 ［D］.上海：2011MADE汽車輕量化國際高峰論壇，，2011.

［6］陳云霞.奇瑞汽車輕量化技術(shù)新進展 ［J］.現(xiàn)代零部件，2010（11）：37-39.

［7］沈真等.碳纖維復合材料在汽車領(lǐng)域的應用前景［D］.上海：2011MADE汽車輕量化國際高峰論壇，2011.

［8］王東川.漢高輕量化技術(shù)和解決方案［D］.重慶：2011國際汽車輕量化材料發(fā)展論壇，2011.

［9］胡朝輝等.多學科優(yōu)化設計在拼焊板車門輕量化中的應用［J］.中國機械工程，2010（4）：495-499.

［10］王輝.熱成型技術(shù)助汽車輕量化［J］.制造技術(shù)與材料，2010（4）：26-27.

［11］陳建軍.內(nèi)高壓成形工藝及其在汽車輕量化中的應用［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010（1）：12-18.

［12］苑世劍.內(nèi)高壓成形技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.金屬成形工藝，2003（3）：1-3.

［13］劉繼英，李強.輥壓成形在汽車輕量化中應用的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展［J］.汽車工藝與材料，2010（2）：18-21.

［14］張立玲等.轎車副車架輕量化技術(shù)應用研究及應用［J］.塑性工程學報，2010（5）：71-75.

［15］蔡鋒等.優(yōu)化設計在汽車零部件輕量化中的應用［J］.汽車技術(shù)，2010（4）：25-29.