汽車輕量化設計探討

阮帥帥 常亮 蘇依順

摘 要：“綠色環?！币殉蔀闀r代主旋律，汽車輕量化勢在必行，這將促進汽車工業領域的變革。當前一些新興技術，如汽車結構輕量化設計、汽車材料輕量化技術、先進制造工藝等不斷應用于汽車設計和制造。在此背景下，研究汽車輕量化發展方向顯得尤為重要，這也是汽車業低碳可持續發展的必然需求。

關鍵詞：汽車;輕量化;結構;材料;先進制造工藝

1 前言

隨著國VI排放法規和雙積分管理辦法等政策的陸續出臺，國家對汽車業提出了更為嚴苛的要求，汽車企業技術升級已不可避免。在此背景下，汽車輕量化設計成為未來汽車業的重要發展方向。汽車輕量化是指在保證汽車剛度、強度以及安全性的前提下，盡可能減少整車質量，進而提高汽車工作性能，實現低碳可持續發展[1-3]。

2 汽車輕量化的意義

2.1 助力節能減排

“綠色環?！币殉蔀闀r代主旋律，有研究表明，當汽車整車整備質量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3L～0.6 L，CO2下降近1kg。為應對突出的能源問題和環境問題，當今世界各國汽車業正致力于汽車輕量化技術的研發。

2.2 提升動力性能

根據牛頓第二定律F=ma可知，當發動機輸出的力F一定的前提下，汽車的質量m越小，汽車獲得的加速度a越大，動力性越好。資料顯示，汽車質量每減少100kg，加速性能可提升8%～10%。因此，汽車輕量化也是現代汽車追求動力性的要求。

2.3 提高安全性能

汽車輕量化還有利于提升汽車安全性能。汽車制動所消耗的能量與汽車質量成正相關，當汽車質量越小，以相同初速度進行制動時，質量較小的汽車所消耗的制動能量也越小;若汽車采用的制動器相同，則質量越輕的汽車，制動距離越短。研究表明，汽車質量每減輕100kg，制動距離可縮短2m～7m。可見，汽車輕量化有助于改善制動性能，提高汽車主動安全性能。

3 汽車輕量化設計方向

3.1 結構輕量化

隨著計算機輔助設計技術的發展，汽車工業迎來了新的發展契機。將CAD、CAE等先進的結構優化和設計方法應用于汽車輕量化設計，可以降低成本、縮短設計周期，又可通過對汽車車身、車上零部件模擬仿真計算，使得各零部件的結構在滿足使用要求的同時，更輕、更薄、更緊湊。

同時，設計理念要更新，在保證汽車產品剛度強度的同時，可采用中空設計來減輕質量。比如對發動機曲軸進行設計時，在其主軸頸與連桿軸頸位置可采用空心結構設計、優化平衡重的數量、曲柄形狀等方式達到輕量化設計的目的。

此外，可對車上部件進行模塊化設計，形成車輛集成技術。例如在增壓發動機中，可對發動機缸蓋和排氣歧管進行集成，不僅可以對排氣歧管進行冷卻，同時可以減小排氣管法蘭等聯結零件的尺寸，從而減小整機尺寸和質量。據數據顯示，采用此設計方法，一臺排量為2L的增壓發動機可減小質量2kg～3kg。

3.2 材料輕量化

汽車輕量化不僅要求對汽車產品現有結構進行改進，對汽車材料也提出了一定的要求。根據汽車輕量化技術路線圖可知，汽車產業將從三個階段逐步實現輕量化制造，并指出到2020年，汽車整車質量較之2015年需減重10%;到2025年減重20%;到2030年減重35%。根據規劃要求，現階段發展應以高強度鋼和先進高強度鋼技術為主，如在發動機曲軸制造時，可采用高強度球墨鑄鐵代替鍛鋼材料，使曲軸變輕;2021年-2025年將開發以鋼鋁合金為主線的輕型材料，同時加大對鋁合金技術、鎂合金技術、工程塑料技術、碳纖維復合材料技術的研發[4];2026年-2030年重點發展鎂合金、工程塑料、碳纖維技術在汽車上的應用及其循環利用。在今后的一段時間內，研發高強度、輕質材料是汽車輕量化研究領域的一個重要方向。

3.3 先進制造工藝

伴隨著輕量化材料的研發，相應的制造工藝也需要進一步升級。如何突破復雜零部件成型技術、異種零件之間連接技術，以及形成先進的產品測試評價體系等技術難點成為迫在眉睫的重中之重[5]。

3.3.1 汽車輕量化成型技術

目前，在汽車上應用的先進成型技術主要包括不等厚度軋制板技術、內高壓成型技術、超高強度鋼熱沖壓成型技術、低壓差壓鑄造成型技術、輥壓成型技術、高壓鑄造成型技術等。不等厚度軋制板是指通過計算機控制和調整軋輥間距，而軋制獲得的連續變化的變截面薄板，適用于汽車縱梁、頂蓋橫梁、儀表支架等零件。內高壓成型技術主要應用于加工車上沿構件軸線變化的規則形狀截面或異形截面空心件。超高強度鋼熱沖壓成型技術可通過熱處理和高溫成形相結合的方式實現零件的高強度。低壓差壓鑄造技術的工藝品質較高，且可用于生產一體化設計的薄壁、中空、復雜的構件，如車輪、缸蓋等。輥壓成型技術應用于加工截面形狀復雜多變的零部件。高壓鑄造成型技術用于高效生產集成復雜的薄壁構件，車上A柱、B柱等部位均采用了該技術。

3.3.2 汽車輕量化連接技術

汽車輕量化連接技術主要包括激光拼焊技術、鎖鉚技術、自鎖鉚技術、攪拌摩擦焊技術、熱熔自攻螺釘技術、膠粘連接技術等。激光拼焊技術可將不同厚度、不同材質的金屬薄板拼焊在一起，然后進行沖壓成型，適用于車身、車門內板、輪罩板、車內地板等結構件，技術瓶頸為 解決大功率激光器技術難點。鎖鉚技術和自鎖鉚技術優勢在于鉚接點處具有較高的抗拉強度和抗剪強度，無需鉆孔，一次成型，尤其是對于金屬和非金屬材料或多層材料組合的連接，具有明顯的優勢等。攪拌摩擦焊技術可應用在汽車覆蓋件、發動機罩、車門等零部件的加工，難點是制造高效可靠低成本的裝備，解決異種材料焊接頭的穩定性和耐腐蝕性問題。膠粘連接技術是通過膠黏劑使兩個部件之間形成不滲漏連接的技術，可應用于粘接頂棚、地板、車門密封條等處。熱熔自攻螺釘技術可應用于車門內板、車身底板、行李箱蓋等部位，該技術需要解決熱熔自攻螺釘材料、連接工藝、接頭防腐性能等難點。

4 結語

汽車輕量化不僅可以提升燃油經濟性，減少排放，還可改善汽車整車的綜合性能。汽車輕量化勢在必行，這也將進一步促進汽車工業領域的變革。當前一些新興技術在汽車設計制造中的應用還不夠成熟，無論是輕量化結構的設計、輕量化材料的研發，還是先進制造工藝的改進和升級，都將成為今后汽車輕量化設計制造領域的重要研究方向。

高校訪工項目資助：基于拓撲優化方法的汽車內燃機連桿輕量化設計

參考文獻：

[1]王帥. 汽車輕量化現狀和發展趨勢分析[J].汽車實用技術，2019，11：242-245.

[2]王宇萌.汽車輕量化材料及制造工藝研究現狀[J]. 內燃機與配件，2019，1：95-96.

[3]周偉等.汽車輕量化研究[J].汽車工程師，2019，1：21-24.

[4]李春曉.碳纖維及其復合材料在汽車領域的應用[J].新材料產業，2019，1：5-7.

[5]張琪等.汽車輕量化連接技術的應用現狀與發展趨勢[J]. 有色金屬加工，2019，48：1-9.