汽車輕量化技術的研究現(xiàn)狀

魏振洋

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發(fā)分公司）

輕量化技術應用新能源汽車性能提升是一種新型的科技，是將機械與計算機技術、電子技術以及信息技術等相結(jié)合的技術形式。輕量化技術應用新能源汽車性能提升是一種性能優(yōu)化、智能化的系統(tǒng)，便于對機械設備進行操控，在汽車廠工業(yè)上創(chuàng)新應用機械設備是非常重要的，可以推動汽車廠工業(yè)的發(fā)展，并且讓汽車廠工業(yè)實現(xiàn)性能優(yōu)化以及智能化的發(fā)展，符合未來發(fā)展趨勢。

1 汽車輕量化設計的重要意義

目前，我國汽車制造行業(yè)通過充分利用新能源，緩解因汽車數(shù)量增加導致的生態(tài)氣候污染嚴重問題，從根本上保障了地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)階段，國內(nèi)汽車制造尚未積累豐富經(jīng)驗，在汽車性能、續(xù)航能力以及能耗等方面依然存在較大的提升空間。而汽車輕量化技術的應用，可以提高汽車的舒適性、轉(zhuǎn)向響應、操控穩(wěn)定性及安全性，同時可以節(jié)省材料，降低制造成本。

圖1 鋁合金發(fā)動機

2 汽車輕量化材料的應用

2.1 鋁合金材料

鋁合金具有低密度的特點，強度甚至可以媲美優(yōu)質(zhì)鋼。按不同的加工性能，可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金2 種，第1 種熔點低、流動性能良好，通過重力鑄造與壓力鑄造等方式實現(xiàn)復雜形狀零件的成型，主要應用于汽車的發(fā)動機（如圖1 所示）、傳動以及行走系統(tǒng)；而第2 種強度高、塑性好，主要有2XXX 系、5XXX系和6XXX 系，應用于汽車結(jié)構(gòu)件、裝飾件和散熱系統(tǒng)。

2.2 高強度鋼材料

高強度鋼吸能性好，強度高，在降低車身質(zhì)量的同時，能夠提高碰撞安全性。目前廣泛應用在汽車制造相關領域，其中汽車的結(jié)構(gòu)件、安全件和加強件是應用的主要部分，例如：A/B/C 柱、車的前后保險杠和常見的防撞梁等零部件。鋼種的延伸率通常隨強度增高而下降，由此可知AHSS（Advanced High Strength Steel，先進高強度鋼）的延伸率較低，在其加工成型階段以及發(fā)生碰撞時易出現(xiàn)早期斷裂，限制了它在汽車工業(yè)領域的廣泛應用。

2.3 鎂及鎂合金材料

鎂合金較鋁合金來說，是更輕量化的材質(zhì)，具有良好的抗振、降噪、抗電磁干擾和耐蝕性，且易回收，被譽為“綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”。鎂合金由于其優(yōu)良的性能多用于汽車傳動系統(tǒng)、車體系統(tǒng)、引擎系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)等部位，如圖2 所示，不僅可以達到輕量化的目的，而且能實現(xiàn)降噪、吸振，并提高成型性、車身剛度及安全性。全球很多車企對鎂合金的研發(fā)和應用技術已日漸增多。

圖2 鋁鎂合金獨立后懸掛

3 先進制造工藝及其應用

3.1 液壓成型

與一般沖壓成型不同，液壓成型是利用液態(tài)水或油的壓力，代替剛性的凹模或凸模，通過傳力介質(zhì)使板料貼合凸模或凹模，從而得到所需零件的形狀。液壓成型能實現(xiàn)車身輕量化，主要是因為液壓成型的零件在質(zhì)量控制方面比傳統(tǒng)沖壓成型的較高，進而提高了零件的成型極限，同時該種成型方式減少了部分模具的開發(fā)費用。目前液壓成型在汽車車身上的應用主要集中在型面較復雜且對精度有較高要求的零件上，如汽車翼子板等。

除了一般的液壓成型方法外，國內(nèi)外研究人員還對帶周向液壓的充液拉深法、外周帶液壓的充液反拉深法、超聲波振動充液拉深法、差溫充液拉深技術、成對液壓成型新工藝、充液變薄拉深新工藝以及微溫充液拉深等有深入的研究。

3.2 激光焊接

激光焊接技術憑借著能量密度高、焊接速度快、效率高、精度可靠性高、焊接變形小以及容易達到較廣泛的自動化程度等優(yōu)勢，成為汽車零部件、變速箱齒輪、濾清器、排氣管和車身等制造生產(chǎn)過程的重要焊接方法之一，例如：激光拼焊、車身框架焊接以及三維塑料激光焊接，如圖3 所示。

圖3 車身激光焊接

3.3 熱沖壓成型

熱沖壓成型技術是利用金屬塑性成型的原理，將板料加熱至一定溫度（奧氏體狀態(tài)），然后進行沖壓處理，在沖壓成型過程中實現(xiàn)板料淬火處理的成型方式，最后獲得具有超高強度的零件。熱沖壓成型技術具有零件尺寸精度高、零件成型性能好、車身結(jié)構(gòu)設計簡單和零件表面硬度及耐磨性高的優(yōu)點。

4 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

4.1 拓撲優(yōu)化

目前在汽車輕量化設計中，拓撲優(yōu)化方法是最有潛力，也是近年來研究進展較大、使用較廣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)概念設計中應用居多。拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)分為2 種，分別為連續(xù)型結(jié)構(gòu)和離散型結(jié)構(gòu)，先根據(jù)待優(yōu)化結(jié)構(gòu)件與其旁邊構(gòu)件的方位關系來劃分設計區(qū)域，進而保證不對其他零件產(chǎn)生干涉以免妨礙其正常工作；再在劃分好的設計區(qū)域中根據(jù)材料的力學性能參數(shù)建立符合約束條件的目標函數(shù)；最后求得材料的最優(yōu)分布狀況和傳力最佳途徑使得結(jié)構(gòu)的某些性能指標達到最佳。因此它相對于其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的優(yōu)勢，可以大大提高設計的效率、減少開發(fā)和驗證時間、提高成產(chǎn)效率、降低成本。

4.2 尺寸和形狀優(yōu)化

汽車輕量化技術從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方面而言，其中尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化應用相對較早。尺寸優(yōu)化指在保證結(jié)構(gòu)件的整體性能的同時，對該結(jié)構(gòu)件的截面面積和厚度等進行優(yōu)化，即在設計區(qū)域，在設計變量保持原狀的狀態(tài)下，建立起以質(zhì)量或體積等為目標函數(shù)的數(shù)學模型，達到推進輕量化的目的。隨著計算機科學的迅速發(fā)展，通過把尺寸優(yōu)化的數(shù)學模型和計算機有限元軟件的應用相結(jié)合進而得出最優(yōu)結(jié)果集，使得尺寸優(yōu)化方法的實現(xiàn)變得更加迅速、便捷以及精確和可靠。

5 結(jié)論

輕量化技術應用新能源汽車性能提升對汽車廠工業(yè)具有優(yōu)勢，推動了汽車廠工業(yè)的發(fā)展，并且通過輕量化技術應用新能源汽車性能提升可以提高汽車廠工業(yè)的運作效率和質(zhì)量，減少人力資源的投入，節(jié)約成本，有利于汽車工業(yè)的長遠發(fā)展。輕量化技術應用新能源汽車性能提升裝置在設備上可以改善運行模式。但是對輕量化技術應用新能源汽車性能提升在汽車廠工業(yè)中的創(chuàng)新應用仍然需要加大研發(fā)力度，不斷改善存在的問題，改變工業(yè)制造的模式和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)由勞動密集型向智力密集型方向的轉(zhuǎn)化，提高科技水平。