汽車結構設計的輕量化設計探析

蔣天翔

摘要：近年來，我國國民經濟增長迅速，國家綜合實力顯著提高。在汽車行業，科學技術的革新發展，使得汽車的設計技術得到有效發展，汽車結構設計逐漸朝著結構輕量化的方向發展。本文從兩個方面介紹汽車結構設計的輕量化設計途徑以及在實際中的應用。

關鍵詞：汽車產業;結構設計;輕量化設計;實際應用

前言：現階段，汽車逐漸成為人們日常出行的主要交通工具，極大的改變了人們的生活方式。隨著社會的飛速發展，汽車的保有量顯著增多。汽車在為人們出行帶來便利的同時，也產生了不少的問題，其中油耗及排放等問題越發受到社會的強烈關注。而與油耗及排放密切相關的則是汽車的重量，有關資料顯示，若汽車整車重量降低10%，油耗可降低6～8%。因此開展輕量化設計，其目的就是幫助降低汽車整體質量，強化其動力性和安全性，從而降低油耗和排放，使得汽車的經濟型及環保性得以提高。輕量化設計作為一種新型汽車技術，滿足新時代汽車的結構設計要求，對于推動汽車產業健康發展有著重要意義。

一、結構輕量化

（一）利用結構設計實現汽車結構輕量化

降低汽車整體質量，可以通過優化汽車結構的設計方案，從而降低汽車的零件數量或者制造過程中的用材來降低整車重量，這也是推動汽車產業發展的重要途徑。比如，通過夾層鋼板，在汽車結構中應用，可以節約能源和材料，從而降低工藝成本[1]。簡單來講，夾層鋼板的外層材料一般為鋁合金、高強度鋼等，其硬度比較強，有著較好的承載能力。但是其內層鋼板一般采用網狀菱形鋼板，因此該種設計結構的零件重量相對較輕，從而達到降低重量的目前，且該結構有著非常良好的隔音效果，其減震效果也比較好。目前廣泛應用于汽車車身及零部件的設計制造當中。

（二）改進連接方式實現汽車結構輕量化

在設計過程中，要想實現汽車的整體重量降低，可以通過減小零件重量或者減少零件的使用等方式來實現，此外，改變零件之間的連接方式也可以實現汽車結構的輕量化。通常情況下，如果需要將多個零件進行集成，最為簡單便捷的方式就是改變連接方式，比如零件連接結構中，如果采用點焊連接結構代替螺紋連接結構，可以省去螺栓、螺母等連接零件，從而達到降低整體重量的目的。

（三）采用零件集成實現汽車結構輕量化

在保障汽車原本的性能以及車身強度的前提下，盡可能的降低汽車整體的重量，在設計過程中，可以選擇多種設計方式達到此目的。比如選擇容易加工和成型的材料，通過新型工藝，將各類材料集成在一起，通過這種方式，不但能夠大幅度降低汽車質量，還可以幫助汽車設計減去繁瑣的工序流程，縮減一些不必要的設計環節，使得工藝成本得到減低。在選擇材料時，最好選擇與鑄件和塑料材質類似的材料[2]。比如，目前較為常見的拼焊板成形技術，將多個不同性能具有超高強度的鋼板結合實際的設計要求進行拼裝整合，通過鋼板集成，不但讓汽車車身的強度大大增加，還縮減了加工程序，其工藝要求也得到減低，最終實現降低成本的目標。

二、材料輕量化

（一）高強度鋼的應用

汽車結構在設計過程中，使用最為頻繁的就是鋼材，而通過應用強度較大的鋼材，可以在保證同等強度要求的前提下降低汽車制造中鋼的使用量。在汽車車身及零部件制造中提升高強度鋼的使用比例，對于實現整車重量降低有著積極作用。一般情況下，提升鋼材的強度有幾種方式：其一，控制碳的含量。由于鋼的強度和炭的含有量存在密切聯系。如果想要提高鋼的強度，需要對其含碳量進行把控。其二，加強合金。向鋼內添加某些金屬元素，可以有效提升鋼的強度，不同材質的合金，對于鋼的強度的提升效果也不同，能夠使鋼的適用范圍顯著提高[3]。其三，基于熱處理技術加強鋼的強度。鋼在經歷冷熱交替后，其內部結構發生轉變，也可以使得強度增加。其四，鍛壓工藝處理，可以使鋼材的質地緊密，同樣也可以提升鋼的強度。

（二）鋁合金的應用

由于鋁合金材料具有較小的密度，在汽車上對強度要求不高的部位使用鋁合金替代鋼鐵等密度較大的金屬材料，能夠有效的降低汽車整體質量。值得注意的是，由于鋁合金強度較小，無法大量應用。因此，為提高鋁的強度，可以開展研究工作。具體內容包括：其一，針對整個車體或者較大體型的鋁材進行研究。其二，將汽車的剛性結構全部鋁性化，其三，實現整體零件的鋁化。通常情況下，人們針對汽車結構的要求是實現全部零件的全部鋁化。通過這種方式，可以幫助汽車零件減少30%到50%的重量，如果將鋁化設計應用到汽車零件，可以減輕40%的重量;將鋁化應用到車身，能夠減輕60%的重量，這些輕量化措施對于降低整車重量有著明顯的作用。在實際工作中，如果汽車整車都采用鋁合金材料，由于鋁合金強度較低，使得應用效果差強人意，比如應用鋁材質打造汽車結構，雖然降低車身質量，但是其承載能力也會隨著降低，因此在進行汽車設計時，鋁合金一般應用于對強度要求不高的部位。

（三）球墨鑄鐵的應用

球墨鑄鐵的密度只有鋼的90%，所以將其應用在汽車車身及零部件的制造時，也會降低汽車的重量。目前，球墨鑄鐵由于其強度較高，而密度較低，已被世界各國所廣泛關注，越來越多的汽車生產商開始在汽車結構設計過程中利用球墨鑄鐵來代替鋼的使用，從而達到降低車體重量的目的[4]。除此之外，該材質有著較為獨特的特點，能夠將多種不同的零件集成，組合為一個零件，不但可以縮減零件的使用量，還可以讓汽車零件的重量得到降低，從而使汽車整體質量降低，實現汽車結構的輕量化設計。

結束語

總而言之，我國作為汽車生產大國，在汽車保有量不斷增加的同時，更要注意生態環境的保護，因此在降低汽車油耗和排放方面，顯得格外重要。在汽車設計方面，不僅要保證其具有良好的剛性強度，還要確保汽車性能低碳環保，應用輕量化技術，提升汽車的設計水準，選擇更為合適的材料，在滿足各種系統使用及強度需要的同時，降低整車的質量，將是未來汽車設計及制造技術的發展方向。

參考文獻

[1]劉雨婷，胡代鈞，劉獻棟，etal.關于汽車結構設計中存在輕量化極限的分析[J].汽車工程，2019（8）.

[2]依克熱木·阿木提.汽車輕量化技術的應用發展趨勢[J].汽車與配件，2018（20）.

[3]趙國偉.有限單元法在汽車產品輕量化設計中的應用研究[J].時代農機，2019（5）.

[4]辛鵬.基于有限元分析的汽車零部件輕量化設計[J].南方農機，2019（15）：133-133.