汽車輕量化技術發展現狀及展望

冷仕康 張廣為 邵聰 王雨雨

摘 ?要：汽車輕量化是當今汽車工業發展的重要趨勢。汽車輕量化是指在保證汽車整體性能不降低，成本不增加的前提下，盡可能地減輕汽車質量。本文從材料、制造工藝和結構優化三個方面具體介紹了汽車輕量化的相關技術，并對未來輕量化技術的發展進行了展望。

關鍵詞：汽車輕量化;材料;制造工藝;結構優化

引言

隨著世界各國對于節能環保要求的提高，再加上新能源汽車的快速發展，各國政府對于汽車排放的要求也越來越高。為適應可持續發展的要求，我國各地也將從今年下半年起，陸續實施國Ⅵ排放標準。世界各大汽車制造企業紛紛投入輕量化的研發中，以適應不斷變化的環保節能要求，提高企業核心競爭力。據相關實驗表明，汽車質量減輕10%，燃油效率可提高6%-8%，排放降低4%，汽車的操縱穩定性和動力性將得到一定程度的提高。無論對于傳統汽車還是新能源汽車而言，汽車輕量化已成為汽車行業一個重要的研究方向和發展趨勢。汽車輕量化現階段主要是從材料、制造工藝和結構優化等方面進行研究。

1 輕量化材料的應用

1.1高強度鋼

高強度鋼是指屈服強度為210-550MPa的鋼材，超過550MPa的鋼為超高強度鋼。先進的高強度鋼主要有雙相鋼（DP）、復相鋼（CP）、相變誘發塑性鋼（TRIP）等。高強度鋼具有良好的抗碰撞性能，加工工藝比較成熟，成本較低，因此其應用最為廣泛，是輕量化的最直接和有效的材料。它是我國企業鋼為主傳統燃油乘用車輕量化的主要材料。在未來一段時間內，高輕度鋼和超高強度鋼仍會是汽車的首選材料，發揮其不可或缺的作用。

1.2輕質合金材料

輕質合金材料主要有鋁、鎂合金材料。鋁合金具有密度小，耐腐蝕性好，塑性良好的特點。它主要應用于車身、發動機零部件、底盤等部位。在保證力學性能的前提下，其減重效果明顯，能吸收較強的沖擊，且可回收性好，有利于材料的可持續發展。鎂合金具有比鋁合金材料更好的輕量化效果，且具有阻尼減震，散熱性好的特點。它主要應用于汽車零部件、座椅骨架、轉向盤等部位。由于加工工藝和原材料成本的問題，鋁鎂合金材料的應用受到限制。但隨著相關技術的發展和材料成本的下降，鋁鎂合金材料必將扮演越來越重要的角色。

1.3塑料及復合材料

汽車上采用的塑料由最初的PVC和PUR，拓展到現在的工程塑料。塑料具有質量輕、防銹、吸震等特點。它主要應用于汽車內外飾以及儀表板、油箱、擋泥板等結構件。復合材料應用主要有玻璃纖維增強塑料（GFRP）和碳纖維增強塑料（CFRP）。其中碳纖維增強塑料的性能最為突出。纖維增強材料由增強纖維材料與基體材料復合而成。它具有較強的耐久性，抗腐蝕性和良好的可塑性，能保證足夠的結構強度。塑料及復合材料的應用比重的增加，將會大大減輕汽車質量，其在未來一定會有很大的應用和發展前景。

2先進的制造工藝

新型材料的發展必須有與之配套的成形工藝技術和連接技術，以實現高強度鋼與鋁鎂合金等新型材料的生產以及不同材料之間的連接。

2.1成形技術

先進的成形技術主要有熱成形技術、液壓成型、內高壓成型等。其中，熱成形技術是一種將高強度鋼材加熱到奧氏體狀，再進行液壓成形，快速冷卻，將奧氏體轉化為條狀馬氏體的成形技術。通過此過程可有效改善零件的延展性，精度、強度和表面硬度均得到提高，而且質量得到減輕，輕量化效果顯著。

2.2連接技術

（1）無鉚釘鉚接

無鉚釘鉚接是一種通過沖壓過程，利用材料自身的可塑性，擠壓成相互鑲嵌的圓點或矩形點而將層層板件連接起來的機械連接工藝。它以其簡單的工藝過程和較低的成本，在汽車車身制造過程中得到廣泛應用。

（2）激光拼焊

激光拼焊是一種將不同強度、不同厚度、不同材質的零件，通過激光焊接組成一個整體的焊接技術。它充分發揮了材料的優勢，滿足了零件對材料性能的不同要求，提高了材料的利用率，得到了一個最優的性能組合，從而實現輕量化的目的。

（3）冷金屬過度焊接

冷金屬過度焊接（CMT）是一種全新的MIG/MAG 焊接技術。它將焊絲運動與焊接過程進行了結合，通過嚴格地控制熔滴在過渡過程中的電流，來降低焊接過程的熱輸入。它主要應用于鋼和鋁之間的連接。

3 結構優化

汽車結構優化主要集中在尺寸優化、形狀優化、拓撲優化等方面。尺寸優化通常在保證零件或結構在滿足強度、剛度等性能要求的情況下，減小梁的截面的面積、減小零部件厚度等，實現結構小型化，從而減輕質量。形狀優化是指合理設計零部件的幾何形狀，如對零件采取中空化、薄壁化的設計，使其仍滿足原來的性能要求。拓撲優化是一種給定性能指標、材料、約束條件等，在一定空間內對材料分布、構件布局和連接方式進行優化的方法。

以CAE/CAD/CAM為代表的計算機仿形設計在結構優化上，已得到廣泛應用。通過對汽車結構進行建模，對結構的剛度、強度、疲勞強度等參數進行模擬分析，根據分析結果對結構進行優化，以實現結構的最優化。

4 結語

汽車輕量化是一項復雜的系統工程，依賴于相關技術的共同發展，同時還涉及到經濟、環境、安全、政策等多方面的因素。我國汽車輕量化現階段發展已取得一定成就，但相關的理論研究與國外相比還存在著很大的差距。相信隨著技術的發展和成本的不斷降低，汽車輕量化在將來會得到更好的發展。

參考文獻

[1] ?孫建亮，王立新，康醫飛，等. 汽車輕量化材料及連接技術現狀分析[J]. 汽車實用技術，2018（24）：261-263.

[2] ?任立新. 汽車輕量化材料及連接技術現狀分析[J]. 城市建設理論研究，2018（28）：178.

[3] ?郭玉琴，朱新峰，楊 艷，等.汽車輕量化材料及制造工藝研究現狀[J]. 鍛壓技術，2015，40（3）：1-5.

[4] ?聶采順. 汽車及零部件輕量化技術現狀及研究方向[J]. 汽車實用技術，2015（9）：29-32.

[5] ?樂雪勝，孫東洋，劉明. 淺談汽車車身設計與制造工藝新技術[J]. 汽車實用技術，2019（7）：121-122.

[6] ?于艷敏. 新能源汽車輕量化技術應用現狀[J]. 汽車工程師，2018（11）：51-53.