輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

曹學(xué)濤　崔建磊

摘 要：由于能源危機和環(huán)境問題的日益凸顯，汽車工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的市場形勢，輕量化技術(shù)作為先行技術(shù)對于提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放污染重要的作用。本文分析了輕量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并從材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝方面論述了輕量化技術(shù)的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上對輕量化技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：輕量化技術(shù)；汽車；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.085

0 前言

現(xiàn)階段，汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著三大嚴(yán)峻問題：即油耗、環(huán)保和安全，輕量化、環(huán)保回收及節(jié)約能源已成為全球汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。針對此類問題，各國紛紛開始重視能源和環(huán)保議題制定了相應(yīng)的法規(guī)，并提出了有效的改進(jìn)措施。輕量化技術(shù)通過降低自身質(zhì)量，從而達(dá)到降低油耗、減少排放的目的。

汽車輕量化技術(shù)是在保證整車品質(zhì)和性能的前提下，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用輕質(zhì)材料來降低自身重量。輕量化技術(shù)可以改善汽車的轉(zhuǎn)向、加速、制動等行駛性能，降低部件振動和噪聲，提高舒適性及耐久性。據(jù)統(tǒng)計，若整車質(zhì)量降低10%則油耗降低6%—8%；若滾動阻力降低10%則燃油效率提高3%；若車橋、變速器等機構(gòu)效率提高10%則燃油效率提高7%[1]。可見，輕量化技術(shù)對于提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要的作用。

1 輕量化技術(shù)概述

輕量化技術(shù)是采用現(xiàn)代設(shè)計方法和理論對汽車產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，通過使用輕質(zhì)材料，盡可能降低汽車的自身重量，并達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的目標(biāo)。輕量化技術(shù)并非將原有設(shè)計小型化，而是保持汽車原有性能不受影響，有目標(biāo)的減輕汽車重量，又能保證汽車行駛的安全性、舒適性和耐碰撞性。

汽車輕量化技術(shù)主要包括三個方面：合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕量化材料和先進(jìn)的制造工藝。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，常采用優(yōu)化并排焊點、加強筋、減重孔等方式來達(dá)到輕量化目的，目前國內(nèi)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計已從最初僅依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法上來；在輕量化材料使用上，鋁鎂合金、塑料、復(fù)合材料等材料的運用進(jìn)一步降低了汽車的質(zhì)量；在制造工藝方面，成形方法和聯(lián)接技術(shù)不斷創(chuàng)新，如柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術(shù)、薄壁制造技術(shù)等，大大減輕了整車的重量。

2 輕量化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化技術(shù)應(yīng)用

結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)需對汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而實現(xiàn)汽車零部件的輕量化和整體化。結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)需協(xié)調(diào)整車與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的各種問題，利用CAD技術(shù)對各構(gòu)件的形狀、配置及板材厚度變化進(jìn)行分析，利用CAE技術(shù)對各構(gòu)件進(jìn)行布局干涉分析和運動干涉分析[2]。形狀優(yōu)化法也是降低零件質(zhì)量的一種先進(jìn)方法，該技術(shù)可借助形狀的變異來降低峰值或使應(yīng)力分布均勻化。通過向承受高負(fù)荷的部位貯存材料，將承受低負(fù)荷的部位去除材料，零件的形狀將按照避免出現(xiàn)應(yīng)力高峰并使應(yīng)力分布均勻來設(shè)計。這種基于生物學(xué)增長規(guī)律的形狀優(yōu)化方法，既可減輕零件質(zhì)量，又可避免局部應(yīng)力高峰。

2.2 材料的輕量化技術(shù)應(yīng)用

輕質(zhì)材料技術(shù)的應(yīng)用大大減輕了汽車整車的重量，如高強度鋼、鋁鎂合金、鈦合金、工程塑料、玻璃增強材料、結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料等。與其他材料相比，高強度鋼在抗碰撞性能、成本、工藝可行性方面具有較大優(yōu)勢，能改善汽車的安全和碰撞性能，減薄部件厚度、降低自身重量還可提高零部件表面的抗凹陷性和抗破壞能力，既能降低油耗還可提高安全性能。鋁鎂合金因其質(zhì)量輕、比強度高、塑性好及易成型等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車車身、底盤零部件等部位，隨著材料及成型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴大。工程塑料和玻璃增強材料具有密度小、成型性好、耐腐蝕、隔振、隔音、隔熱，普遍應(yīng)用于汽車的內(nèi)外飾件上。精密陶瓷材料是繼金屬和塑料發(fā)展起來的第三大類材料，具有良好的力學(xué)和化學(xué)性能，目前在飛機上應(yīng)用較廣汽車上應(yīng)用并不多，但隨著研究的不斷深入未來將得到廣泛應(yīng)用。

2.3 制造工藝的輕量化技術(shù)應(yīng)用

為了達(dá)到進(jìn)一步減輕質(zhì)量及降低成本的目的，除了開發(fā)高強度鋼、鋁鎂合金材料外，還開發(fā)了一系列適應(yīng)于這些材料的制造工藝，如激光焊接、液壓成型、半固態(tài)金屬加工、注射成型和噴射成型技術(shù)等。

激光焊接工藝采用各種復(fù)合板進(jìn)行拼焊，改善了零部件的使用性能，降低了汽車自身重量，提高了汽車結(jié)構(gòu)可靠性及安全性能[3]。液壓成型工藝是將待加工管件或板料置于密閉模具中，通過流體介質(zhì)使管件或板料在模具中變形成型，該工藝取代了傳統(tǒng)的加工模式，提高了產(chǎn)品品質(zhì)，降低了汽車重量和成本，廣泛應(yīng)用于汽車零部件如排氣系統(tǒng)、后橋、發(fā)動機支架等。半固態(tài)鑄造技術(shù)是將金屬或合金材料在固態(tài)與液態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行加工，主要分為流變鑄造和觸變鑄造兩種工藝類型，因成本較高應(yīng)用較少。噴射成型技術(shù)采用高壓惰性氣體將金屬液流霧化成大量細(xì)小的液滴，并使其沿噴嘴軸線方向高速飛行，并將其沉淀收集到具有一定形狀的接收基體上凝固成沉積坯件。

3 輕量化技術(shù)展望

近年來，我國對環(huán)保、安全、節(jié)能方面的要求不斷提高，出臺了一系列的法規(guī)和實施方案。為此，汽車制造廠家和研究機構(gòu)都致力于研究輕量化技術(shù)，從技術(shù)、成本角度分析和改善汽車材料和工藝，探索應(yīng)用新材料、新工藝的可行性。同時，加快輕量化的設(shè)計和應(yīng)用對提升我國汽車整體水平、行業(yè)國際競爭力、振興民族工業(yè)都具有非常深遠(yuǎn)的意義。

現(xiàn)階段，汽車小型化和輕量化是近、中期汽車排放目標(biāo)控制的基礎(chǔ)，汽車輕量化成為新能源汽車開發(fā)的重要課題，從可持續(xù)發(fā)展要求出發(fā)，研究和評估汽車輕量化技術(shù)成為重要方向。

4 結(jié)論

汽車工業(yè)作為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，目前正處于高速發(fā)展的時期，輕量化技術(shù)的運用并不成熟。面對新的能源危機和環(huán)境污染問題，對汽車輕量化的要求顯得越來越迫切。實現(xiàn)輕量化是衡量汽車工業(yè)技術(shù)成就的重要標(biāo)志之一，現(xiàn)階段我國輕量化技術(shù)的應(yīng)用與國際先進(jìn)水平尚有差距，通過制定政策、目標(biāo)、措施，輕量化技術(shù)將取得重大創(chuàng)新成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉文華，何天明.高強度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[2]杜明義.用鋁合金材料實現(xiàn)汽車輕量化[J].輕合金加工技術(shù)，2007（02）：11.

[3]王鏑.現(xiàn)代車身設(shè)計的輕量化技術(shù)[J].上海汽車，2008（01）：15-19.

作者簡介：曹學(xué)濤（1986-），男，河北衡水人，研究方向：汽車振動與噪聲控制。