論以輕量化為主的專用汽車車身優化設計

劉現允

摘 要：伴隨社會經濟的飛速發展，專用汽車工業也獲得了迅速發展，并且在人們的生活與工作中產生越來越重要的影響。然而伴隨專用汽車數量的高速提升，也對環境、能源甚至是交通安全帶來了重大的影響。因此在當前的技術水平下，為了盡可能減小專用汽車所帶來的負面效應，有關專用汽車的開發研究正向著低能耗、低排放、高效能方向發展，而專用汽車輕量化正是使專用汽車減少油耗以及減少排放的有效辦法之一。因此研究以輕量化為主的專用汽車車身優化設計具有尤為重要的意義和作用。

關鍵詞：專用汽車工業；負面效應；汽車輕量化；優化設計

目前我國仍然處于城市化與工業化同步加速的發展階段，因此具有產業鏈長、投資規模大、中間產品多、加工度高等特點，再加之我國各類資源分布并不是很均勻，因此這些都為專用汽車產業的發展帶來了機遇，但專用汽車產業在獲得迅速發展的同時，其自身存在的能源消耗、生態環保以及交通安全等問題也日益凸顯。因此專用汽車的環保與節能如今也已經成為專用汽車工業的主要發展方向，而減輕專用汽車車身自重，對專用汽車車身進行輕量化設計正是幫助汽車減少油耗、減少排放以及提高汽車運輸效率的有效辦法之一。下面就如何實現專用汽車車身輕量化的幾種技術與方法展開研究探討。

1 應用新興制造工藝實現專用汽車車身輕量化

應用新興制造工藝來實現汽車車身輕量化，這里主要列舉兩種技術，一是液壓成形技術，一是噴射成形技術。其中液壓成形技術作為一種柔性成形技術，是指在沖壓的時候將流體介質作為傳力介質，以此來取代傳統剛性沖壓中的凹模與凸模，以高壓形式將流體介質沖入需要成形的板料或管件的模具中，使板料或管件在模具內經液體壓力從而變形成為模具造型，最終成為汽車車身所需零部件形狀。目前在歐美日等汽車工業發達的西方國家，液壓成形技術獲得了廣泛的應用，一些大的汽車制造商甚至用液壓成形技術直接取代了傳統的沖壓制造技術，正是由于液壓成形技術的廣泛應用，不僅沒有增加汽車車身零部件的生產制造成本，而且能夠減少零件數量，減輕汽車質量，因此液壓成形技術在汽車實際生產中有著非常好的應用價值。而噴射成形技術（sparyforming）則是指將合金液流用高壓惰性氣體霧化成細小熔滴，使其在高速氣流中飛行以冷卻，在其還未完全凝固之前被沉積成坯件的一種技術，擁有所獲材料組織均勻、晶粒細小以及可以抑制宏觀偏析等各種優點。噴射成形技術是把金屬熔融、液態金屬霧化、快速凝固、噴射沉積成形集成在一個冶金操作流程中制成金屬材料產品的新工藝技術，在發展新材料、改革傳統工藝、節約能耗、減少環境污染、提升材料性能等方面發揮了重大作用。總之，與傳統的粉末冶金工藝以及鑄鍛工藝相比，噴射成形技術有著更高的應用價值。

2 應用優化設計實現專用汽車車身輕量化

應用優化設計來實現汽車車身輕量化其中一個重要方法就是進行汽車拓撲優化設計。所謂拓撲優化是指在一定空間區域內尋找到最為合理分布材料的一種優化設計方法。這是一個迭代的過程，它能夠通過數次的迭代（主要包含有限元分析、靈敏度計算、修改材料分布這三個步驟），當材料的分布已經趨向最穩定、最優的時候，拓撲優化設計結束。因此在汽車車身輕量化優化設計中應用拓撲優化設計，顛覆了汽車傳統的設計理念，給汽車設計人員開辟出了一條新的汽車優化設計方法，并且給予了汽車設計人員要想實現汽車輕量化的精確、充分的設計依據，使汽車設計能夠保證在最優初始拓撲結構以及最優材料分布下優化汽車車身的形狀以及結構的尺寸，當汽車車身經過拓撲優化后，能夠顯著提高汽車材料的利用率。總的來說，利用拓撲優化設計來進行汽車設計，具有以下幾點優點：一是可以改善汽車零部件的結構設計，減薄汽車零部件的厚度，減輕汽車零部件的質量，提高材料的利用率，減少材料的浪費；二是能夠使汽車車上上一些不必要的復雜結構在制造上得到簡化，讓這些復雜結構在生產制造的時候能夠有效提升其生產效率以及降低生產制造成本；三是能夠有效避免汽車零件設計可能存在的盲目性，也能夠改善因模仿其他汽車零部件設計所存在缺陷。

3 應用新興材料實現專用汽車車身輕量化

在空氣質量日益惡化、汽車輕量化政策密集出臺的形勢背景下，不論是新能源汽車還是傳統汽車，都已經將汽車輕量化技術投向了更加具有綜合比較優勢的鋁合金材料上，全鋁專用車、全鋁商用車、全鋁轎車、全鋁客車等等勢必會成為汽車工業產品結構調整的發展趨勢。所以，鋁合金作為一種理想的車身用輕質合金材料，目前在汽車工業中獲得了廣泛的應用。鋁合金車身有許多優點，不僅僅是在減輕車身重量方面，重要的是減小燃油消耗，改善車輛的操縱性。因為鋁的比重大概為鋼的三分之一，這就意味著當使用鋁材料來制造汽車車身，能夠減輕汽車大約20%至30%左右的重量，重量的減輕自然意味著汽車耗油量的降低。另外一個鋁合金車身優于其他鋼鐵車身原因是它的環保性能，首先鋁材料在生產過程中可以減少污染排放，這主要是由于99%的鋁能夠被循環利用，從而實現了鋁礦石冶煉鋁過程中成本高消耗的一定程度上的補償。但目前鋁制車身成本較高，車身用鋁經過拉延及烘烤硬化，屈服強度可達220～260MPa，強度僅能達到一般高強鋼的強度水平，因此需要通過截面結構設計及連接工藝來彌補，對傳統鋼車身設計工程師提出了挑戰，而且鋁材成本較為昂貴。據了解，目前產業化的高強度鋼強度能達到1000MPa，而鋁合金型材一般不會超過500MPa，但這也并不代表鋁合金不安全。實際上對于機械零部件不完全以強度作為安全性的指標，其還需要與零件的剛度、截面等指標綜合考量。此外，鋁制車身的維修復雜，價格也更高。比如，碰撞變形不嚴重時，鋼制部件通過鈑金維修即可，但鋁制部件基本只能更換，也給消費者帶來成本壓力。據悉梁山中集東岳車輛有限公司設計制造的直梁鍍鋅裝配式鋁合金底板欄板半掛車整備質量為5.2T，內徑立柱到立柱內徑為2430mm，大梁配置5-5-10，廂板為鋁合金廂板，邊梁為140折彎件，鋁合金型材鋪底板，此車熱鍍鋅，防腐時間長，整車裝配式，易于更換易損件，增加了車輛的使用壽命。該產品內部平整無尖銳凸起，經試驗整車運行平穩、性能穩定可靠，可用于運輸散裝貨物，具有對貨物安全保護、運輸便捷，效率高效等特點，如圖1所示。

4 應用連接工藝實現專用汽車車身輕量化

汽車在實現車身輕量化的過程中，會存在許多連接工藝問題，而應用鎖鉚連接工藝，則可以很好地解決這一問題。具體表現如下：首先，鎖鉚連接工藝能夠實現不同材質、不同強度、不同硬度、不同厚度的兩層以及多層材料直接的連接，是實現連接不同形態汽車輕量化材料的有效途徑之一。其次，鎖鉚連接工藝可以很好地滿足各種形態輕量化材料之間連接的動態疲勞強度和靜態強度要求，更可以很好地傳統鉚接工藝存在的不足，還擁有吸收撞擊能量的功能，因此在汽車安全方面具有更強的優勢。再次，鎖鉚連接工藝允許各種形態汽車輕量化材料之間用結構膠粘合層，這有助于實現汽車車內防水密封和隔音降噪的目的，還能夠幫助結構膠粘合層實現快速定型，進而有利于汽車實現流水作業。最后，與傳統鉚接工藝相比，鎖鉚連接工藝減少了更多的工序，因此生產效率更高；而與特殊焊接相比，不論是從能耗成本還是從設備投資上，不論是從設備操作要求還是操作工序繁簡上，鎖鉚連接工藝都擁有不可比擬的綜合成本優勢，如圖2所示。

5 結語

綜上所述，伴隨全球環境問題的日益嚴峻，未來專用汽車的主要發展方向就是實現專用汽車的減重減負。文章從新興制造工藝、汽車拓撲優化設計、新興材料、連接工藝等四個方面提出了實現專用汽車車身輕量化途徑，希望能借此對我國專用汽車工業健康有序發展提供一點助益。

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