輕量化成商用汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

張露

摘 要 在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐不斷加快的同時(shí)，汽車的保有量穩(wěn)中有升，這是人民出行條件改善的表現(xiàn)。在科技力量的帶動(dòng)下，商用汽車也逐漸的將節(jié)能、安全、智能以及環(huán)保作為其未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)，輕量化的汽車發(fā)展趨勢(shì)也因其在能源節(jié)約和環(huán)保方面的作用而受到重視。本文就輕量化商用汽車在未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了探析，以供參考。

關(guān)鍵詞 輕量化;結(jié)構(gòu);材料;強(qiáng)度;工藝;高壓成型

前言

技術(shù)研究表明，同樣的動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)，商用車的整車重量每減少10%，其油耗就降低6%-8%左右。巴斯夫公司也做過(guò)同樣的研究，汽車每減少100kg重量，每百公里油耗就減少至少0.3L，對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量也減少5g/km。所以，在汽車行業(yè)的改革中，輕量化可以作為節(jié)能減排的重要途徑之一。《中國(guó)制造2025》也對(duì)輕量化的重要性進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)。這也使得很多汽車制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都將輕量化作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

1 商用車輕量化的定義和意義

汽車輕量化是指在確保汽車使用的性能、安全性及成本控制要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用新型的技術(shù)、材料及工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的整體重量降低。使汽車制造逐漸的走向低能耗和低排放方向。從汽車的裝備質(zhì)量來(lái)考慮，商用車與乘用車相比在原材料應(yīng)用上屬于大戶，對(duì)其進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)能夠響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的要求，且汽車的輕量化設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約的有效途徑。

2 商用車的輕量化實(shí)現(xiàn)途徑分析

2.1 汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)是從其拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸形狀優(yōu)化角度進(jìn)行的。具體如下：

（1）汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化是從經(jīng)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)函數(shù)角度進(jìn)行的汽車結(jié)構(gòu)的宏觀優(yōu)化，在空間范圍給定基礎(chǔ)上，不斷的進(jìn)行迭代來(lái)形成新的連接形式和材料的重新分布。去掉原有設(shè)計(jì)中的冗余部分，將部分零部件進(jìn)行薄壁和中空化，使汽車宏觀結(jié)構(gòu)得到拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化主要運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算及有限元進(jìn)行結(jié)合分析進(jìn)行的。

（2）汽車外觀形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

外觀設(shè)計(jì)主要是尺寸上的優(yōu)化，對(duì)尺寸形狀進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)汽車的材料布局進(jìn)行局部的細(xì)化和調(diào)整。尺寸形狀的優(yōu)化是在各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定，材料分布也確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。其優(yōu)化的范圍是圍繞桁架結(jié)構(gòu)所進(jìn)行的橫截面積，節(jié)點(diǎn)分布及各個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)合尺寸的最優(yōu)化處理，確保整車剛度不改變的情況下進(jìn)行車身重量的最小化，尺寸優(yōu)化是拓?fù)鋬?yōu)化的深入，也是基于數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化。

2.2 汽車材料的輕量化應(yīng)用

（1）金屬材料應(yīng)用

汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)還要依靠輕質(zhì)金屬材料。通過(guò)使用高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂合金可以實(shí)現(xiàn)車身重量的15%-60%的重量降低。①目前汽車的結(jié)構(gòu)部件、安全部件以及保險(xiǎn)杠等都主要使用高強(qiáng)度輕型鋼;這種鋼質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，成本低，能夠在輕量化基礎(chǔ)上提升安全性。用于汽車底盤，懸架及車身結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)材料應(yīng)用常添加一些合金成分來(lái)改善韌性及強(qiáng)度。②鋁及合金用于汽車的輕量化生產(chǎn)已經(jīng)比較成熟，鋁及鋁合金密度低，重量輕，彈性及抗沖擊力強(qiáng)，比較容易著色。目前汽車的輪轂、動(dòng)力系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)都已經(jīng)使用此類材料的零部件。奧迪、捷豹、路虎、福特等部分型號(hào)的車身結(jié)構(gòu)都已經(jīng)是全鋁型的。鋁合金作為輕量化的材料已經(jīng)廣被認(rèn)可，隨著鋁合金成型及連接技術(shù)的完善，鋁合金的輕量化應(yīng)用將更加普遍。③鎂及鎂合金密度小，重量輕，強(qiáng)度比鋁合金及鋼都更有優(yōu)勢(shì)。但其不足之處在于高溫疲勞和抗蠕變能力差，所以在汽車制造中的應(yīng)用只是進(jìn)行殼體及支架類零件生產(chǎn)，常見(jiàn)的儀表盤、變速箱體以及剎車轉(zhuǎn)向支架等。我們具有豐富的鎂合金，但其具體的成形應(yīng)用還需要做深入研究。

（2）非金屬材料應(yīng)用

非金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用主要是塑料及碳纖維。①塑料應(yīng)用于車內(nèi)飾、零部件，以塑代鋼已經(jīng)成為一個(gè)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。②碳纖維復(fù)合材料密度小、耐腐蝕、強(qiáng)度及剛度強(qiáng)，在汽車的車身及底盤應(yīng)用中，可以在確保剛度情況下減輕車身重量。

2.3 汽車生產(chǎn)的輕量化工藝

汽車輕量化實(shí)現(xiàn)除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料應(yīng)用上的改善，還要重點(diǎn)從生產(chǎn)工藝上進(jìn)行優(yōu)化，輕量化的部件生產(chǎn)在工藝上的實(shí)現(xiàn)主要是從連接及成形上開(kāi)展，主要有以下幾種工藝：

（1）鎖鉚連接工藝

傳統(tǒng)板材連接以點(diǎn)焊為主，無(wú)論是生產(chǎn)效率還是成產(chǎn)成本都不夠理想，也達(dá)不到車身輕量化的連接要求。鎖鉚連接在進(jìn)行鋁合金，鎂合金的連接上，通過(guò)外力將鉚釘穿透到第一層材料后，再向底層材料進(jìn)行流動(dòng)性的延展連接，呈現(xiàn)一個(gè)鑲嵌式的互聯(lián)性塑性連接，有效的提升了板材的抗拉及抗剪強(qiáng)度。在進(jìn)行異種材料及表面有鍍層的板材連接時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯，所以鎖鉚連接用于汽車的輕量化設(shè)計(jì)將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。

（2）粉末注射成型工藝

粉末注射技術(shù)作為一種新型的近凈成形技術(shù)，是在原始粉末冶金基礎(chǔ)上與現(xiàn)代塑料注射成形的工藝結(jié)合。其在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要是可以實(shí)現(xiàn)致密度高、力學(xué)性能優(yōu)良、表面粗糙的小部件。另外，在車體形狀較為復(fù)雜的零件生產(chǎn)上也具有較可靠的應(yīng)用。粉末注射成形的生產(chǎn)效率非常高，能夠提升汽車生產(chǎn)的輕量化，降低生產(chǎn)成本。無(wú)論是經(jīng)濟(jì)可行性還是技術(shù)可行性都有優(yōu)勢(shì)。粉末注射成形在輕量化的汽車生產(chǎn)應(yīng)用上，主要是用于制造汽車的動(dòng)力傳輸部件、渦輪增壓器、燃油噴油器以及安全氣囊燈嵌入型元件、電動(dòng)門鎖和壓力傳感器等部件。

（3）高壓成型工藝

內(nèi)高壓成形也可稱為液壓成形，最早于上世紀(jì)初作為軟模成形技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。這項(xiàng)成形工藝可以適用于形狀復(fù)雜、外觀質(zhì)量要求高度一些大型板材零件的生產(chǎn)。使得復(fù)雜板材的部件生產(chǎn)更加簡(jiǎn)單，柔性化和快速化，降低生產(chǎn)成本。高壓成型主要是板材和管材的生產(chǎn)，比如，汽車車身的覆蓋件就是板材高壓成型。而汽車的曲軸、排氣管及支架梁等形狀復(fù)雜的管件類也是靠高壓成型。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，汽車制造行業(yè)作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的重要支撐產(chǎn)業(yè)，其未來(lái)的發(fā)展受到廣泛的關(guān)注。在當(dāng)前不斷加劇的能源危機(jī)和環(huán)境污染危機(jī)下，汽車的輕量化已經(jīng)作為未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)成為汽車行業(yè)的發(fā)展必然。從國(guó)內(nèi)輕量化的商務(wù)用車技術(shù)應(yīng)用來(lái)看，距離世界先進(jìn)水平還有差距。這就要求從汽車的輕量化結(jié)構(gòu)、材料集工藝等幾個(gè)方面深入研究，通過(guò)綜合的輕量化汽車制造來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)性健康發(fā)展。

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