汽車結構設計的輕量化設計探討

鐘全能

（四川工業科技學院，四川 德陽 618500）

前言

隨著社會環境的改變和經濟發展，推動了汽車生產領域的發展，人們日常出行越來越依賴汽車，因此需求量也越來越大。現階段，環境以及能源問題是世界各國都面臨的問題，而汽車的廣泛應用增加了環境的負擔，因此必須要積極探索，借助于適當的輕量化技術對汽車結構進行設計，提升汽車的剛度，另外還需要借助新能源加強對環境的保護。

1 汽車結構設計中輕量化技術優勢

1.1 使得汽車結構設計得到優化

汽車生產設計企業在對汽車結構設計的過程中，通過科學合理的技術比如夾芯板的廣泛應用，能夠在一定程度上提高汽車結構的強度。這不僅能夠節約生產材料，同時也降低了汽車車身重量。

1.2 使得汽車零部件設計得到優化

針對那些生產技術、結構和材料簡單的汽車零部件進行集成處理，可以減少一定的汽車加工投入成本，目前輕量化設計技術也有了極其廣闊的應用。在新型的拼焊板上應用輕量化設計技術可以使得汽車零部件的強度得到提升，并且提高了汽車的抗腐蝕性。

1.3 使得汽車零部件之間的連接方式得到優化

在汽車生產加工過程中，各個零部件的連接需要借助于各種材料，通過應用輕量化設計技術能夠在一定程度上使得零件連接方式得到改進，這便可以減輕汽車車身的重量。借助于各種輕便的加工材料，進而使得汽車結構得以優化。

2 輕量化材料的應用

2.1 汽車結構設計的輕量化設計中高強度鋼的應用

汽車的生產過程中，鋼材料的應用最多，所以將高強度鋼材料應用在汽車結構中能夠減少鋼材料的應用，進而減輕汽車車身的重量。一般鋼的強化主要借助于下列集中有效途徑。

2.1.1 加碳強化

我們知道，鋼中的碳含量不同，鋼的強度也就不同，要想有效控制鋼的強度，就必須通過增加或者減少碳的百分比。基于此，可以將鋼材料中的珠光體比例提升，使鐵元素的含量有所降低，進而提高鋼強度。

2.1.2 合金強化

將各類合金融合到鋼中也能使鋼強度得到極大的提高，并且合金元素不同，鋼性能也不相同。因此，在鋼中添加種類不同的合金可以擴展鋼的使用范圍。

2.1.3 固溶強化

在鋼中融入錳元素、硅元素或磷元素等也能夠有效提升鋼的強度，這也是一種提高鋼性能的有效方法。

2.1.4 熱處理強化

通過溫度的變化可以使得金屬的物理結構有很大的改變，在冷熱交替的條件下，能夠提升鋼強度。此外，經過熱處理也能夠使得鋼中碳元素以及其它元素百分比有所改變，進而鋼內部結構就會出現許多層各種性質的結構。

2.1.5 應力強化

在鋼受到相應的拉力作用以后，極有可能極大的提升其屈服強度。這是由于鋼材料在相應的應力作用后，其表面會有殘存應力，殘存的應力能夠使得鋼在使用過程中所受的扭轉和彎曲應力得以抵消，進而提升鋼的性能。

應用高強度鋼的部件主要是車身外殼，其具有提升汽車外殼強度和經濟性的優勢。但高強度鋼沒有較好的抗腐蝕性。加之，鎂鋁合金等各種新材料的應用受到限制，所以高強度鋼必將會長時間應用在汽車生產制造中。

2.2 汽車結構設計的輕量化設計中球墨鑄鐵的應用

相同體積的球墨鑄鐵比鋼的重量低，大概為鋼重的90%，所以在進行汽車結構設計過程中，應用球墨鑄鐵取代鋼材料能夠極大的減輕汽車車身的重量。現階段，全球范圍內的汽車企業以及相應的研發部門都在進行實驗，以求球墨鑄鐵可以全面取代鋼材料在汽車制造中的應用。此外，球墨鑄鐵還具有使許多零件集成為一個零件的特點。

2.3 汽車結構設計的輕量化設計中鋁及鋁合金的應用

通過適當比例的鋁及鋁合金來替換鋼材料也可以在減輕汽車車身的重量，由于鋁及鋁合金性能比鋼差得多，所以應用也較為困難。當前，為了使得鋁及鋁合金能夠在汽車制造中得到廣泛的應用，相關人員紛紛開始鋁材料的研究：第一，對大型鋁材和汽車車身的研究；第二，對鋁材料在汽車車門替代鋼的研究；第三，汽車零件的鋁化研究。如果用鋁及鋁合金全面替代鋼材料，就能夠讓汽車減重30%-40%。不過鋁及鋁合金材料的應用還不夠成熟，必須要積極研發才能夠全面替代鋼材料。

2.4 汽車結構設計的輕量化設計中鎂及鎂合金的應用

就金屬化學性質而言，鎂具有極小的密度，是當下重量最小的金屬，比鋼的強度大，且還易于加工、具有較強的抗腐蝕能力以及減振能力。由此可見，鎂無疑是最好的汽車制造的輕量化材料。不僅如此，鎂合金的熔點和密度都極低，在進行融化時極大的降低了能耗，適用于復雜的加工。用鎂合金取代鋁、鋼等材料是極其有利的，能夠極大的降低車重，同時還能夠提升車體的強度。另外，鎂合金的回收也比較方便，鎂和鎂合金必將成為極其重要的汽車生產加工材料。

2.5 汽車結構設計的輕量化設計中鈦合金的應用

受其物理性質的影響，鈦是比較稀缺的金屬，其熔點高達1600℃，因此鈦被當做耐熱材料使用。另外，鈦的機械性能較好，具有極強的抗腐蝕能力，所以在許多工程中有著廣泛的應用。通過鈦合金生產加工而成的汽車零部件具有重量小、減振性能優良和使用壽命長的特點。起始階段，鈦合金僅僅應用在賽車部件上，能夠提升賽車的性能。隨著技術的進步，鈦研發技術愈加純熟，開始廣泛應用在車門、消音器和相應的裝飾部件上。 當然，由于鈦的提煉極難，只能在部分零件上使用鈦合金不能全面應用于汽車制造上。

2.6 汽車結構設計的輕量化設計中精細陶瓷的應用

精細陶瓷是純度極高的精細粉末通過特殊的工藝加工而成的，它不是金屬材料，不過卻有極高的機械性能，通常應用在汽車傳感器和發動機上。

2.7 汽車結構設計的輕量化設計中塑料的應用

目前，汽車部件中也有應用到塑料，一般用于汽車保險杠上，借助于聚丙烯，填充石灰粉在保險杠上可以降低結構密度，所以通過塑料替換金屬材料可以降低車身重量，而且塑料也有一定強度。可以應用在車燈、方向盤等汽車飾品上。

2.8 汽車結構設計的輕量化設計中復合材料的應用

在汽車領域不斷發展過程中，汽車輕量化的主要方向是復合型材料在汽車制造上的應用研究。由于復合材料具有強度高、性能好、易成型的特點，因此全球汽車領域的汽車輕量化設計開始越來越重視復合材料的應用。復合材料應用在汽車結構中較成功的例子是道奇SRT-10 了，它綜合使用了許多復合材料和相應的生產技術。在汽車結構輕量化設計制造中應用最廣泛的材料有玻璃纖維增強材料、碳纖維增強材料和有機合成纖維復合材料等。

3 輕量化技術

3.1 借助于結構設計使得汽車結構輕量化得以實現

在汽車結構輕量化設計過程中，必須要借助先進的設計技術和工程結構，這是實現汽車輕量化的重要路徑之一。例如將夾層鋼板應用于汽車結構內，可以節省材料，節約能源。鎂鋁合金以及高強度鋼材料是汽車夾層鋼板外層結構的主要材料，并且夾層采用網楞型的鋼板，不但有極輕的重量，并且能夠很好的隔音。

3.2 借助于零件集成使得汽車結構輕量化得以實現

要想實現汽車強度及性能都不降低的同時減輕車身重量，應用零件集成也不失為一種好方法。將許多比較容易成型且易加工的材料集成為一體，能夠使汽車車身重量得到極大的降低，同時也簡化了汽車零件的加工步驟，減少成本的投入。許多塑料材料以及鑄件都具備易成型、易加工的特性。比如借助于拼焊板技術使具備各種性能的鋼板拼接于一體，能夠提升其強度，而且具有較強的抗腐蝕性，此外還可以減少零件數量以及加工步驟，降低成本投入。

3.3 借助于改進連接方式使得汽車結構輕量化得以實現

一般許多零部件集成為一體也是一種連接改進方法，借助于對零部件連接方式的改進也可以減輕車重，實現汽車結構的輕量化。

4 總結

總之，在對汽車結構進行設計過程中，必須要保證車身具備較高的強度，需要結合節能環保以及行車安全的需要進行設計。另外，還必須要結合材料的優劣以及性能需要來選擇相應的技術。