汽車輕量化技術探析

王松

摘要：汽車重量與耗油量有著直接的關系，汽車輕量化是在保證車輛安全的前提下采取技術手段進行合理減重，是減少燃油消耗、減少排放的主要措施，對推動汽車行業持續健康發展有著十分重要意義。本文從結構優化設計、輕量化材料和先進制造工藝三方面進行分析，并對汽車輕量化技術發展方向進行了預測。

關鍵詞：汽車輕量化;結構優化;節能減排

汽車數量的變多使得能源消耗和污染排放日益嚴重，汽車輕量化是解決該問題的有效途徑之一，如果汽車重量減小100公斤，每百公里的油耗就會降低0.3-0.5升，二氧化碳的排放量也就減少8- 11克。國家正在大力推進汽車輕量化技術的發展，很多汽車制造商和研發機構已經一些技術上取得了突破，汽車的輕量化可以有效降低汽車內部的動力、傳動系統重量，會給駕駛人員帶來更好動力性和操控性體驗。

1 結構優化設計

1.1尺寸優化

汽車的結構尺寸優化是應用最早和最成熟的輕量化設計技術，把沖壓件壁厚度、減重孔、梁截面等尺寸作為設計變量，來達到剛度、強度和吸能等工況要求，把結構質量最小作為優化設計的目標，建立起目標函數。汽車線性靜力學和線性振動，需要利用數值優化算法來進行輕量化設計，來獲取到響應函數靈敏度數值。

線彈性進行汽車輕量化設計是需要首先解決的問題，主要對汽車零部件進行優化設計，并對整車結構進行減重。國內的學者針對轎車門結構方式和尺寸進行了優化，并進行了輕量化設計，在提升剛度和振動頻率的基礎上，對車門重量進行了合理減重。也有學者對載重越野和客車骨架進行輕量化設計，使得車身重量顯著降低。國外學者利用UG軟件進行建模，對車身前部結構采用碳纖維進行優化，使得承載結構減重61.8%。

1.2形狀優化

對車輛整體或局部形狀進行優化，讓結構受力更為均勻，充分地利用好材料特性。針對規則幾何形狀的結構，需要把結構幾何形狀進行參數量化，把形狀轉變為尺寸優化。針對汽車結構，因為采取的為不規則形狀，無法利用參數來對外形進行描述，不能采取尺寸優化方式。采取無參數優化方式可以有效解決該問題，國外學者已經利用該方法對主承力梁減重進行了優化設計，有效地降低了結構重量。

1.3多學科設計優化

學科優化方式可以對車身進行輕量化設計，就應該結合多學科知識，充分利用疲勞、剛度、碰撞安全等多種理論。為了達到以全局優解的目的，應該全面考慮學科的影響。因為對每種學科進行建模和計算都需要很大的工作量，每種學科的響應函數也有著較大的差別，需要選用不同的學科變量，無法在一次優化中進行全面的考慮。只針對單一學科進行考慮，就無法顧及到其它學科的要求，應該進行多次修改才能獲取到滿足性能需要的解。可以采取分解協調多學科優化設計方法，把復雜的多學科優化劃分成多個子問題，應用協調機制來對子問題優化進行控制，可以降低問題的復雜程度，還能得到學科需要的優化解。

2 輕量化材料應用

2.1 高強度鋼

該類材料利用細晶強化、固溶強化等機理實現鋼材的強化，根據強度大小可劃分成高強度鋼、超高強度鋼，按照冶金學特點可以劃分成先進高強鋼、普通高強鋼。先進高強鋼利用相變來實現高強度，與低合金鋼進行比較來看，該鋼材有著更高的屈服強度，可以減小車身結構附加支撐件等部件的截面積，改用更為輕薄的板材，車身質量就會降低。該材料還有著更好的抗疲勞、抗碰撞等性能，是將來汽車輕量化設計的主要材料。

先進高強鋼存在著特殊斷裂問題，這是因為不同鋼種的延伸率會隨著強度變大而減小，該類型的鋼材具備的延伸率小于普通的深拉鋼，采用復雜的成型制造工藝，會使得先進高強鋼應變極限被耗用完。原來應用的深拉鋼中很少出現斷裂問題，在先進高強鋼成型和碰撞時會經常存在著斷裂現象。寶馬的研發中心對車身B柱受側面進行碰撞時，出現了根部斷裂問題。該種材料應用到汽車輕量化設計時存在著斷裂風險，采取何種方式避免在成型和碰撞中產生斷裂，是汽車工業需要解決的問題。國外的公司已經研發出第三代高強度汽車鋼，有著更好的應變硬化率和很高的塑性。

2.2鋁合金、鎂合金

鋁合金材料有著較輕的重量，還具備較強的耐腐蝕性，容易加工成型，是成熟的輕量化材料。很多車輛的鋁合金材料已經占到車輛整重的10%。鑄鋁占到汽車鋁量的80%，多用在發動機零部件、殼體和底盤等零件，已經批量應用的零件有發動機托架、發動機缸體、車輪等多種零件。鍛造鋁具備更好的力學特性，橫向轉向叉和車輪已經應用到奧迪車系中。變形鋁合金出被應用到頂蓋、車身發罩外板等部件，有的車型已經完全采用鋁車身。影響鋁合金板材應用的因素主要有造價太高，一些生產工藝需要改進，可以進行鋁車身修復的廠家較少，使用成本較大，多采取鋼鋁混合車身。

鎂合金質量比較輕，有著很高的強度和剛度，地球上的鎂材料十分豐富，是具有很好應用前景的汽車輕量化材料。國外某汽車制造企業，已經把鎂合金材料應用到曲軸箱、傳動箱殼體中，隨著鎂合金防腐性能的不斷提升和生產成本的降低，一些汽車生產企業把鎂合金應用到轉向柱、離合器、制動系統等多種殼體中。進入到新世紀以來，鎂合金在汽車使用量得到提升，方向盤骨架、變速箱等也應用了該種材料。鎂合金有著更好的力學性能，可以具備較高的強度和塑性，車身前端結構已經得到了應用，可以降低5060%車輛前端重量。變形鎂合金有著較高的力學性能，但不具備較高的韌性，受到外界沖擊時會出現脆性斷裂，高性能鎂合金研發是將來的發展方向。

2.3塑料和復合材料

塑料和纖維復合材料在汽車工業中不斷得到應用，塑料重量已經達到整車重量的12-20%，很多汽車公司已經對塑料和復合材料在汽車上的應用展開探索。汽車的儀表板、頂棚、雜物箱蓋等內部裝飾件都采用塑料，車身外板，保險杠、油箱，發動機進氣管等部位也得到了應用。單一塑料不能達到高應力和高溫的使用需要，復合材料在汽車零部件中的作用愈加突現出來。玻璃纖維復合材料用于對地板、遮陽板、發動機罩等部位制作，該種材料基體主要為聚丙烯，采用聚醚酰亞胺作為基本的低密度復合材料正在研發中。長纖維熱塑性復合材料多用到儀表盤、蓄電池槽、發動機底座中，碳纖維復合材料有著較高的強度和剛度，可應用到底盤、車身等結構件中。寶馬公司研發的新型電動汽車，外殼都采用了碳纖維復合材料，底盤應用了鋁合金材料，比傳統材料重量降低了250350公斤。編織復合材料有著較好的碰撞性能，可以用于吸收能量。汽車生產采取的塑料向著增強型復合材料、塑料合金方向發展，還需要建立起完整的回收應用體系。

3 先進制造工藝

3.1液壓成型

上世紀70年代，國外一些汽車廠家就開始對液壓成型技術進行研究，采用液壓成型技術用于生產汽車構件，有的汽車制造商已經建立了管材液壓成型車間，用于生產液壓成型零件。國內汽車廠家也應用液壓成型技術用到試制副車架，是一種典型的汽車零部件定型技術，在汽車零部件生產中得到推廣和應用，約有5 0%左右的底盤裝配有液壓成型件。液壓成型是進行汽車輕量化的重要技術，與傳統的沖壓焊接技術進行比較來看，該技術可以減少ll%的零部件生產成本，14%的設備使用成本，還可以降低7.3%的重量。該技術有著較高的成型精度，不會消耗太多的材料，可以減輕加工和焊接工作量，提高成型件的強度和剛度。

汽車管件利用液壓成型技術進行生產需要較高的壓力，設備成本比較高，使用之后不便于調整。為了降低零件生產成本，需要選用合適的管件材料，確定合理的工藝參數，防止在液壓成型時出現屈曲、破裂等質量缺陷，從而更好地保證零件生產質量。利用計算機仿真技術，需要把經驗數據等參數進行設置，對管件成型時應力分布、壁厚變化、模具貼合狀態等進行仿真，并對材質、工藝參數等進行優化設計。

3.2激光焊接

該技術是從上世紀60年代不斷發展和演變而來，有著較快的焊接速度，可以達到較大的焊縫深寬比，不會產生大的熱輸入，焊接變形量小，在汽車制造行業得到了大量的應用。從零部件到車身，該技術已經成為汽車制造的關鍵焊接方法，最早用于變速箱的齒輪焊接，可以不進行焊后熱處理，焊接速度快。采用激光焊接制造的零部件主要有尾氣排放系統、車門鉸鏈、減振器、濾清器等。車身的板材利用激光焊接技術進行制造，把不同厚度、材質和強度等條件下的板坯進行拼焊處理，可以用于生產大型的覆蓋件，在保證強度的同時降低重量，進一步提高尺寸精度。可以減小產品設計和開發時間，避免存在材料浪費問題。采用拼焊板生產中間支柱、側框架等，可以提升抗碰撞和抗耐腐蝕性能。可以不再采用密封膠，具有很高的環保意義，在鋼制車身中，約有50%采用了拼焊板方式。車身框架的激光焊接，可以更好傳遞載荷，車身的剛度和強度得到進一步提升，車身沖壓搭接寬度也會減小，可節省生產材料數量。

4 汽車輕量化技術發展方向

汽車的結構優化設計比較成熟，還需要對多學科、多目標優化方進行深入研究。輕量化材料方面，應該根據車輛的不同部位，選用不同的材料，實現材料和零部件的優化組合。生產工藝方面，還需要加強對熱成型和變厚度板進行研究。零部件質量占到車輛總重的75%，，有著很大的輕量化潛力，需要做好零部件輕量化方面的研究。把多種輕量化技術進行結合，才能充分體現出輕量化的優點，需要采取集成化和系統化的設計方法。

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